基于GIS的煤矿地质测量信息数据模型研究

作者简介：赵永兰（1979-），女，副高级工程师。研究方向为地质测绘。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.021

摘  要：该文从煤矿地质测量的基础工作入手，探究面向GIS的煤矿地质测量信息数据模型构建方法。通过煤矿地质基础工作、煤矿测量基础工作和水文地质基础工作收集海量的测量信息，构建煤矿地质测量信息的概念数据模型和逻辑数据模型。以数据模型为基础，融合信息分类与编码技术，设计煤矿地质测量空间信息系统（MSGIS），用点、线、面这些基本图素直观简洁地表示测量信息，准确形象地描述矿区地质模型，进一步提高系统的易用性和实用性。

关键词：煤矿；地质测量信息；数据模型；GIS；勘探线；图形数据库

中图分类号：P628        文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）15-0096-04

Abstract： Starting with the basic work of coal mine geological survey， this paper probes into the construction method of coal mine geological survey information data model oriented to GIS. The conceptual data model and logical data model of coal mine geological survey information are constructed through the collection of massive survey information through coal mine geological basic work， coal mine surveying basic work and hydrogeological basic work. Based on the data model and combining the information classification and coding technology， the coal minesurvey geological information system （MSGIS） is designed. The survey information is represented intuitively and succinctly by the basic pixels of point， line and surface， and the geological model of the mining area is described accurately and vividly， which further improves the ease of use and practicability of the system.

Keywords： coal mine; geological survey information; data model; GIS; exploration line; graphic database

地理信息系統（GIS）通常用于空间数据、属性数据，以及不同数据之间拓扑关系的管理，按照层次的不同可以将GIS数据模型划分为若干种类型，如概念数据模型、逻辑数据模型及物理模型等。其中，煤矿地质测量信息的收集、分类与编码，主要使用到概念数据模型和逻辑数据模型。构建基于GIS的煤矿地质测量信息数据模型，可以将矿区的基础信息（如地物、地形、地名）、专题信息（如井巷设施、煤层储量）、综合信息（矿区环境规划、矿区交通规划）等进行收集、整合、利用，为煤矿的开采与管理提供依据。

1  煤矿地质测量信息的概念数据模型

概念数据模型是关于实体与实体之间所有联系的抽象概念集合，是概念设计的最终结果。在设计煤矿地质测量信息的概念数据模型时，主要关注2个要点：一是确定矿山基础信息的来源，保证及时、全面地获取矿山的各项信息，这是GIS数据分析的基础；二是建立矿山信息数据库，从各个信息源采集到的数据分类存储到数据库中，以便于随时查询、调用数据。

1.1  煤矿地质测量信息的数据源

现阶段可用于获取矿山基础信息的途径有多种，除了钻探外，还包括遥感（RS）、数字摄影、全球定位系统（GPS）及三维地震勘探等。从信息类型上看，则囊括了煤矿地质信息、地面物探信息、矿井物探信息，以及压力、瓦斯等多源地质信息。由于数据源多，数据量大，给煤矿地质信息的收集工作带来了挑战。本文结合煤矿企业的地质测量工作实践，将煤矿地质测量信息的数据源归为3种类型。

第一种是煤矿地质基础信息，包括地质报告、地质说明书，以及其他符合《煤矿测量规程》《煤矿地质测量图例》等相关文件的地质图纸，如矿井地质地形图、采区地质剖面图等，信息来源见表1。除此之外，像井下地质钻孔成果台账、主要煤巷素描图、立井素描图等也属于煤矿地质基础信息。

表1  煤矿地质测量信息的来源

第二种是煤矿测量基础信息，常规的有生产施工进度图、巷道施工放样图以及近井点平面图等。除此之外，像井田区域地形图（1∶2 000）、采掘工程平面图（1∶1 000）、井筒断面图（1∶200或1∶500）、主要巷道断面图（1∶1 000或1∶2 000）、地面等级网、近井点坐标计算成果以及井上下水测量台账、“三量（开采量、准备量、回采煤量）”计算成果、工程标定解算台账等，也都属于煤矿测量基础信息。

第三种是水文地质基础信息，见表2。

1.2  煤矿地质测量空间数据库

在收集煤矿地质测量信息的基础上，对采集到的信息进行概念化设计，寻找实体的基本元素以及反映这些基本元素之间的关系，得到相应的概念模型；以实体-关系图（E-R图）的形式表示概念模型，汇总所有概念模型即可得到煤矿地质测量信息的概念数据库[1]。从组成结构上来看，概念数据库的核心组成有名称、标识、关键字、数据内容列表4个部分。在E-R图中，实体可分为地上部分和地下部分，前者又可细分为地形、气象、水系、道路等；后者则包含了巷道、地层、构造等。地上或地下部分中的每一项还可以继续细分，以“水系”为例，细分为河流、水库、井等。煤矿地质测量信息的完整E-R图如图1所示。

表2  水文地质基础信息

需要注意的是，概念数据模型虽然能够表示实体信息之间的关联以及所属类别，但是无法详细展示实体的信息结构以及信息的处理过程。以图1中地上部分勘探线中的“钻孔”为例，包含的实体信息见表3，表中信息无法在概念化模型中展示，要想满足煤矿地质测量信息数据模型的设计和使用要求，还要设计逻辑数据模型。

2  煤礦地质测量信息的逻辑数据模型

所谓逻辑数据模型，是对概念数据模型表示的数据进行适应性转化，让概念模型转换为数据模型，从而为数据库管理系统的运行创造必要的环境以及提供相应的工具。本文在设计数据逻辑模型时，以E-R图为基础，建立实体联系模型（ERM）。其中，E-R图除了表示实体与联系，还能提供实体的属性信息，例如矿体的分布范围、埋藏深度、产状及岩性等[2]。下面以边界与勘探线、煤岩层等重要的煤矿地质测量信息为例，概述逻辑数据模型的构建方法。

2.1  边界线与勘探线

根据功能的不同，可以将边界线分为井田边界、采区边界、可采边界等基本类型。边界线的组成包括建井日期、支护方式等；按照用途划分，边界线可用于巷道的规划、确定断层等。边界线的E-R图如图2所示。

图2  边界线的E-R图

图2中点类型1表示按照实际坐标规划的边界，点类型2则是需要插值拟合的点信息。煤矿地质测量中的勘探线，通常为垂直于地层或者是沿着地质构造线方向布置，利用勘探线掌握的地质资料可以编制出勘探线剖面图，进而直观地展示出矿区某个深度或某个位置的地质构造与煤层赋存情况。在绘制勘探线的E-R图时，需要关注的内容包括基本资料（如起始位置）、组成情况（如线上钻孔类型）等。勘探线的E-R图如图3所示。

图3  勘探线的E-R图

2.2  煤岩层

煤层位于地层的某个深度，与共生的岩石共同组成特定的沉积序列。在构建煤矿地质测量信息数据模型时，煤层的层位与层数以及煤层顶板和底板的形态、煤层的厚度等都是需要关注的核心因素[3]。除此之外，煤的化学信息也是构成数据模型的重要信息，具体又包括工业信息和化学信息2种类型，前者具体细分为水分、灰分、挥发分等，后者具体细分为碳、氢、氧和硫等多种组成元素。同样的，岩层也是煤矿地质测量信息数据模型不可或缺的实体成分，在建立岩层数据模型时，需要将岩层的顺序、厚度及年代等信息纳入其中。这里以岩层为例，E-R图如图4所示。

图4  岩层的E-R图

3  基于GIS的煤矿地质测量信息管理系统设计

3.1  系统的主要功能

本文以煤矿地质测量信息的概念数据模型和逻辑数据模型为基础，同时引入了信息分类编码技术，设计了面向GIS的煤矿地质测量信息管理系统（MSGIS），该系统由2个核心模块构成，分别是GIS平台和煤矿地质测量网络管理平台，可以做到煤矿地质测量数据的采集、传输、计算、分析及制图等多项业务的一站式办理，在煤矿的勘探、开采等方面具有重要应用价值。MSGIS系统是一款基于Windows操作平台、采用C/S架构的应用软件，前台客户端使用Delphi语言开发，利用ADO接口让客户端的应用程序顺利访问后台数据库，以便于实现煤矿地质测量信息的快速检索和精准查找。分类编码技术的功能是设计点、线、面等地质符号，以简明、直观的方式表达煤矿地质测量信息。

3.2  图形数据库及其结构

图形数据库决定了MSGIS系统的图形生成质量与图形处理效率。本文以SQL数据库为基础设计了图形数据库，利用SQL数据库易操作性和可维护性的特点，不仅显著节约了数据结构的存储空间，提升了MSGIS系统的响应速度，而且能够方便灵活地对图形对象进行增删、修改等处理，优化了系统用户的使用体验。图形数据库分为4层结构，分别是图元、图组、图段、图层。除了最顶层的图层，其他3层统一用UNIX表技术实现存储结构，从而大幅度提高了图形数据库的存储容量[4]。在图形数据库中，图元是最小数据结构，是实体对象经过层层分解后的最终结果。图形数据库通过储存海量的基本图元，并将这些图元按照特定的关系进行组织重构，详细地表述矿区的地质模型。合理划分图元对提高MSGIS系统的性能至关重要，如果划分过粗将会导致地质模型模糊，增加了用户的理解难度；反之，如果划分过细将会导致系统中基本图元数量过多，增加管理难度。

3.3  点线面的编码

3.3.1  点的组织与编码

在MSGIS系统的主界面，依次选择“系统设置-点样式设置”，可以调出点的设定界面，在该界面上可以选择不同类型的点，如测量点、地质点、水文点以及单体符号等。选取对应的点后，在界面的右下角可以显示点的具体样式，并支持自定义基本图元的参数，如索引值、半径、基点（x值与y值）等。为了保证图形的兼容性，要求每一种图元的编码与煤矿地质测量信息分类编码表对应，例如“报废孔”的编码为G04106。点的代码利用tagShplib与tagPNT语言实现，前者负责管理点的符号库，后者负责设置点符号。

3.3.2  线的组织与编码

MSGIS系统中的线本质上是一个动态数组，由于任意一个线型需要占用2条记录，在线型定义字段中需要插入一个空格将前后2个相邻的字段隔开。第1条记录的第1字段起始符号为“*”号，表示线型名；第2字段是在二维线型中等间隔插入线段中符号，表示形名。第2条记录为数字组，第1字段表示线型的省缺线宽，支持用户自定义设置；第2字段为线型中第一短划的长度，要求该值为正整数；第3字段表示下一循环的间隔，为负值。如下所示。

*G01204（井田边界）  井田----- + ------

1.3 54 -7

3.3.3  面的组织与编码

从MSGIS系统的主界面依次选择“系统参数-图案符号管理-系统图案管理”，弹出新的子界面“添加新图案”，在该界面上可以手动输入图案名称、图案类型以及x值、y值；除此之外，该界面还给出了岩石信息编码、主次岩性等重要信息[5]。各项信息填写或选择完毕后，点击“确定”即可完成新图案的添加。MSGIS系统通过图元组合的方式表示地质岩性符号，每个岩性符号都有唯一的代码以及对应的信息编码，例如泥炭的岩石代码为NC，信息编码为G04302；高龄石泥岩的代码为GLSN，信息编码为G05354等。这种设计的优势在于规范、方便地表示了地质岩性符号，同时又能通过字母与数字的组合排列实现无限扩充。面的代码可利用tagPAT与tagPatlib实现。

4  结束语

在信息时代，数字矿山建设成为煤矿企业的一项重要任務。通过构建煤矿地质测量信息数据模型，将日常的煤矿地质基础工作与煤矿测量基础工作中获取的海量信息加以收集与利用，利用数据模型整合信息资源、挖掘数据机制，在此基础上通过点、线、面这些基本图素绘制相应的矿山地质模型，让用户能够更加直观、方便地了解煤矿的地质信息，从而为勘探、开采等工作的开展提供便利。

参考文献：

[1] 刘明，孙立恒.GIS数字测绘技术在矿山地质测量中的应用探讨[J].世界有色金属，2021（23）：10-12.

[2] 吴强，赖小伟.基于GIS的矿山生态环境地质调查空间数据库构建研究[J].中国金属通报，2021（20）：226-227.

[3] 郭军.基于HDF5的煤矿地质三维层叠网格模型分布式存储研究[J].工矿自动化，2023，49（1）：153-161.

[4] 段宏跃，陆鹿，谢卫东，等.基于灰色模糊模型的塔山煤矿构造复杂程度定量评价[J].地质与勘探，2022，58（2）：420-428.

[5] 冯艳顺，王红夺，谢玉磊.基于GIS-Excel快速FLAC3D数值模拟建模方法研究[J].西部探矿工程，2021，33（4）：151-153，155.