煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

孫樹根

（山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦，山西 長子 046600）

山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限責任公司李村煤礦位于山西省長子縣，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為800 萬t/a，可采儲結(jié)構(gòu)9800 萬t，服務(wù)年限33 年。當前煤礦主要開采3#煤層，采用立井開拓式，一次采全高采煤法。為加強煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援的力度，該煤礦設(shè)計了煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)，為該煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援提供基礎(chǔ)信息和決策支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計概況

煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計目的是立體、生動展示礦井地質(zhì)和煤層特征以及采掘和安全生產(chǎn)態(tài)勢，為煤礦探采方案確定、安全生產(chǎn)保障和地質(zhì)災(zāi)害救援提供支持，同時為非地質(zhì)采礦專業(yè)人員提供專業(yè)交流指導(dǎo)，為技術(shù)匯報和決策提供幫助。李村煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)主要內(nèi)容：

（1）整合煤礦地質(zhì)構(gòu)造、礦體和安全生產(chǎn)狀況，對生產(chǎn)和安全預(yù)警信息進行統(tǒng)一管理，為煤礦災(zāi)害救援決策提供技術(shù)支持。

（2）實現(xiàn)煤礦基礎(chǔ)地測信息多部門共享與交流，基于采掘工程平面圖實現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造、采掘工作面動態(tài)情況的立體、實時管理與分析，對煤礦安全生產(chǎn)和調(diào)度起指導(dǎo)性作用。

（3）實現(xiàn)煤礦地質(zhì)環(huán)境和安全態(tài)勢的動態(tài)監(jiān)視。隨著采礦工作的不斷深入，井下地質(zhì)和采掘數(shù)據(jù)以及安全設(shè)施不斷增加，對采礦作業(yè)的控制越來越精確，系統(tǒng)可實現(xiàn)動態(tài)更新。

（4）集成已有礦井安全避險“六大系統(tǒng)”，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程立體化監(jiān)控?！傲笙到y(tǒng)”包括監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、緊急避險系統(tǒng)、壓風自救系統(tǒng)、供水救施系統(tǒng)和通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，重點突出瓦斯、水位、風量的監(jiān)控以及人員定位信息查詢、避災(zāi)線路展示、救險設(shè)施布置顯示等。

（5）系統(tǒng)集成了服務(wù)于煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援的決策輔助工具，如淹沒分析、鉆井設(shè)計、事故模擬等，提高地質(zhì)災(zāi)害救援決策水平。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

針對李村煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)的目的要求，對系統(tǒng)主要功能需求進行歸納：

（1）對煤礦各類數(shù)據(jù)資料進行收集、處理，對煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)與表結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，完成完整的煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)。

（2）研究井下不同類型構(gòu)造的建模算法與可視化表達方式，包括地形、煤層、巷道、鉆孔等。基于OGRE 引擎開發(fā)出一套適合煤礦企業(yè)應(yīng)用的三維可視化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，搭建出煤礦的三維可視化場景，建立三維煤礦模型，模擬煤礦地上地下場景、采礦過程及其引起的其他相關(guān)現(xiàn)象，真實再現(xiàn)煤礦生產(chǎn)建設(shè)的客觀情況。

（3）結(jié)合部門和專業(yè)需求，提供全新的三維操作與顯示功能。

（4）引入動態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)跨系統(tǒng)整合與一站式管理。

（5）在各系統(tǒng)集成平臺之上，實現(xiàn)對煤礦的統(tǒng)一管理。模擬事故發(fā)生時鉆探救援方案的制定，為安全救援提供輔助決策。

（6）在對歷史煤礦事故調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，模擬煤礦事故動畫，立體展現(xiàn)事故過程。系統(tǒng)研究的技術(shù)路線是在對地質(zhì)實體進行資料加工的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)庫，利用OGRE 三維引擎構(gòu)建煤礦虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，然后設(shè)計用戶交互界面，集成煤礦安全避險“六大系統(tǒng)”，最后開發(fā)適合于煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援的決策支持工具。系統(tǒng)技術(shù)路線圖如圖1。

系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分數(shù)據(jù)庫建設(shè)、煤礦三維引擎封裝和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與集成三個部分，對其總體架構(gòu)進行了設(shè)計和業(yè)務(wù)邏輯的分層劃分，如圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)主要技術(shù)方案是以O(shè)GRE 三維引擎為主要架構(gòu)，以C++為程序設(shè)計語言，MySQL 作為數(shù)據(jù)庫平臺，QT 作為交互界面系統(tǒng)來實現(xiàn)的。由于各主要平臺工具都選擇了開源工具，系統(tǒng)是獨立開發(fā)且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的。

系統(tǒng)總體設(shè)計原則：建立以地表、煤層和巷道系統(tǒng)為核心的三維場景，然后將“六大系統(tǒng)”以巷道數(shù)據(jù)為依托定位集成到系統(tǒng)中，這樣可保證所有“六大系統(tǒng)”和巷道系統(tǒng)的一致性。

3 系統(tǒng)的主要功能分析

實現(xiàn)過程包括：資料準備和處理、三維建模、數(shù)據(jù)庫操作、三維引擎代碼編寫和相關(guān)工具開發(fā)。

3.1 煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取、處理和建模

煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是指在煤礦空間區(qū)域范圍內(nèi)以三維坐標形式組織起來的井上、下各類對象的地理空間基礎(chǔ)信息，它包含了地表、地質(zhì)構(gòu)造、巷道、鉆孔以及各類生產(chǎn)系統(tǒng)的礦用設(shè)備等信息。根據(jù)空間數(shù)據(jù)類型的不同，可把數(shù)據(jù)劃分為柵格、矢量、模型等多種類別。這些數(shù)據(jù)的主要來源有礦區(qū)實際測量、遙感影像、外部模型構(gòu)建、各類圖件數(shù)字化以及井下設(shè)備安裝部署資料等。

煤礦地面模型采用數(shù)字高程DEM 建模，然后輔以遙感衛(wèi)星圖片作為貼圖。地表建筑采用3DMAX 建模，然后利用開發(fā)的空間工具導(dǎo)入系統(tǒng)中。鉆孔數(shù)據(jù)依據(jù)鉆孔資料建立三維模型并貼圖地層符號進行渲染處理，煤層（地層）模型依據(jù)煤層底板等。

巷道數(shù)據(jù)主要根據(jù)礦區(qū)提供的井上下對照圖、采掘工作平面圖等圖件，進行巷道拐點坐標的提取。巷道拐點也稱巷道導(dǎo)線點，在巷道走向不規(guī)則處，加以巷道拐點到巷道左側(cè)、右側(cè)的距離，即巷道拐點到巷道左幫、右?guī)偷木嚯x，由此來獲得巷道中心線點的坐標。建立巷道數(shù)據(jù)庫，存儲巷道名稱，每條巷道按照起始點進行提取坐標與高程。利用中心線和截面類型進行巷道建模，并處理巷道連接和轉(zhuǎn)彎，正確表達巷道間的拓撲關(guān)系，最后對應(yīng)支護類型進行貼圖渲染。特別指出，巷道模型的處理是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，也是監(jiān)測監(jiān)控和安全救援系統(tǒng)的依據(jù)。

礦井安全避險“六大系統(tǒng)”建設(shè)中涉及很多傳感器及其他安全設(shè)施，包括監(jiān)測監(jiān)控裝置、讀卡器裝置、庇護所、救生艙、壓風自救裝置、礦井電話等。對這一類對象位置信息的處理，本系統(tǒng)依據(jù)對應(yīng)設(shè)施的布置圖，以處理后的巷道導(dǎo)線點數(shù)據(jù)為主要參照，來確定每一個裝置的坐標點位置。對每一類型的裝置補充完整其他屬性信息，例如設(shè)備名稱、運行狀態(tài)、生產(chǎn)廠商等，建立設(shè)施數(shù)據(jù)庫和模型庫，然后放置到對應(yīng)巷道坐標位置，從而保證了安全設(shè)施和巷道系統(tǒng)的一致性?？傊?，對于煤礦地質(zhì)、生產(chǎn)和安全數(shù)據(jù)，綜合采用DEM、數(shù)據(jù)建模和手工模型多種方式的聯(lián)合建模構(gòu)建了適用于煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援需要的數(shù)字煤礦模型。

3.2 數(shù)據(jù)庫的建立和管理

利用開發(fā)的MySQL 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行搜集與預(yù)處理后，將煤礦數(shù)據(jù)整合為以下幾種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：巷道數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、煤層數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、工作面數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、設(shè)備模型數(shù)據(jù)等。其中，設(shè)備模型數(shù)據(jù)記錄有煤礦安全信息。二進制流數(shù)據(jù)（Blob/ Image）是將煤礦數(shù)據(jù)以二進制形式進行存儲，以減少數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)保密性。針對煤礦地質(zhì)、生產(chǎn)和安全數(shù)據(jù)的復(fù)雜性與加工難度，專門開發(fā)了數(shù)據(jù)加工工具，來完成基本的數(shù)據(jù)庫插入、刪除、查詢、更新操作，并完成煤礦數(shù)據(jù)的存儲管理維護，保證系統(tǒng)的動態(tài)更新和安全。

3.3 三維引擎的實現(xiàn)

利用OGRE 三維可視化引擎框架，實現(xiàn)系統(tǒng)的三維模型導(dǎo)入、渲染顯示和交互操作。OGRE 體系結(jié)構(gòu)主要包括四大塊：場景管理、資源管理、渲染系統(tǒng)和渲染插件體系。數(shù)字煤礦三維引擎在OGRE已經(jīng)實現(xiàn)的主要功能基礎(chǔ)之上，增加了項目管理、分層加載、顯示控制模塊，并開發(fā)了模型選擇、數(shù)據(jù)查詢、測量工具等模塊。

3.4 與安全救援“六大系統(tǒng)”的集成

將現(xiàn)有礦井安全避險“六大系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)通過布設(shè)方案和基礎(chǔ)煤礦場景進行集成，并利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)，從而完成遠程實時立體監(jiān)控。將“六大系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)分別進行處理?；A(chǔ)數(shù)據(jù)通過建立布設(shè)數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫，通過與巷道系統(tǒng)的結(jié)合，在三維系統(tǒng)中可以顯示和查詢相關(guān)設(shè)施數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)則利用現(xiàn)有監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)以VPN 安全網(wǎng)絡(luò)方式傳輸數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)連接遠程數(shù)據(jù)源后，能夠在三維場景下顯示實時監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)，其中最重要的數(shù)據(jù)來自監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)。

3.5 災(zāi)害救援輔助決策模塊的開發(fā)

針對煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援需求開發(fā)了一系列輔助決策工具，包括測量類工具、路線展示、淹沒分析工具、歷史事故分析和鉆探方案工具等。其中，測量類工具包括距離和最短路徑查詢等，路線展示包括避災(zāi)路線、通風、供水、通信線路展示等，淹沒分析工具用于分析井下巷道淹沒情況，鉆探方案工具則是針對事故發(fā)生地選擇最合理的鉆探方案的輔助工具。

4 結(jié)論

針對李村煤礦的數(shù)字信息化建設(shè)及災(zāi)害救援等系統(tǒng)集成建設(shè)的需求，結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)、地圖學理論、三維可視化虛擬技術(shù)，基于OGRE 引擎開發(fā)出一套煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)管理軟件，為煤礦安全生產(chǎn)和管理提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)在李村煤礦的實踐應(yīng)用，有效地提高了該煤礦地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警信息水平，提高了地質(zhì)災(zāi)害救援效率。