基于大數(shù)據(jù)的煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

郭嬋妤，梁葉萍

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

礦井水害是我國煤礦主要災(zāi)害形式之一，建國以來發(fā)生過各種礦井突水事故3 000次以上。礦井水害具有較大、重大事故多發(fā)甚至反彈，威脅煤炭資源及礦井生態(tài)環(huán)境安全等特點(diǎn)。因此，如何利用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，為煤炭資源安全高效生態(tài)開采提供技術(shù)支撐，成為眾多學(xué)者研究的課題。目前，煤礦水害預(yù)測系統(tǒng)缺少成熟的多因素水害監(jiān)測和大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，不能進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程預(yù)警[1]。本文設(shè)計了一種基于大數(shù)據(jù)的煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可將動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的多用戶在線操作，為礦井水害預(yù)測提供了新的技術(shù)和方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

基于現(xiàn)有煤礦水害監(jiān)測技術(shù)，建設(shè)與之匹配的信息管理、專家決策和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)，建設(shè)可存儲煤礦靜態(tài)數(shù)據(jù)(地質(zhì)與水文地質(zhì)資料)與動態(tài)數(shù)據(jù)(生產(chǎn)動態(tài)與水害監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)庫，最終集合形成煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理、分析、預(yù)警與信息發(fā)布；開展預(yù)警系統(tǒng)模擬測試，針對出現(xiàn)的問題進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化；開展小規(guī)模預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場測試，實(shí)現(xiàn)礦井水害監(jiān)測系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)與預(yù)警管理系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 確定礦井水害監(jiān)測指標(biāo)

影響礦井水害的因素有很多。綜合前人的研究成果，首先對礦井主要突水模式進(jìn)行分析，明確其地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，查清礦井充水因素并進(jìn)行分析[2]。依據(jù)充水水源、充水通道等對煤礦突水模式進(jìn)行分類；然后從煤層底板應(yīng)力狀態(tài)、頂?shù)装鍘r石運(yùn)動規(guī)律、底板破壞深度、導(dǎo)水帶、隔水關(guān)鍵層、阻水性能等方面對礦井突水機(jī)理進(jìn)行研究，確定煤礦潛在突水模式，并對各種潛在突水通道進(jìn)行詳細(xì)分析研究。其次對影響礦井突水的基礎(chǔ)因素如斷層、陷落柱、底板巖層巖性及其組合特征、含水層富水性、含水層水頭壓力、地應(yīng)力、礦山壓力、頂板導(dǎo)水裂隙帶、老空水分布、封閉不良鉆孔等進(jìn)行分析，對井下實(shí)際涌水點(diǎn)資料進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，來確定與突水災(zāi)害有關(guān)的各種關(guān)鍵因子。最終從礦井水害眾多監(jiān)測指標(biāo)中選取了最有效、最直接的六大煤礦水害監(jiān)測指標(biāo)，見表1。

表1 監(jiān)測指標(biāo)及設(shè)備

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于大數(shù)據(jù)的煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要針對煤礦企業(yè)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，采用統(tǒng)一的軟件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，總體結(jié)構(gòu)由信息管理及專家決策子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)兩個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)組成(圖1)。

信息管理及專家決策子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)數(shù)據(jù)、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、專家決策、預(yù)警管理、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)輸出等；并實(shí)現(xiàn)分角色、分權(quán)限的系統(tǒng)用戶管理和訪問控制。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)是以WebGIS為實(shí)現(xiàn)方式、基于GIS平臺所構(gòu)建,以實(shí)現(xiàn)對具有現(xiàn)實(shí)性、動態(tài)性、空間性的監(jiān)測及相關(guān)數(shù)據(jù)的共享。主要包含對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)與開采技術(shù)條件數(shù)據(jù)的查詢，開采狀態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)關(guān)聯(lián)展示和異常數(shù)據(jù)的警示功能。

2.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

基于大數(shù)據(jù)的煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要功能模塊包括數(shù)據(jù)庫、信息管理及專家決策子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)和煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)[3-4]。

2.3.1 建立數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括礦區(qū)現(xiàn)有地質(zhì)及水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、監(jiān)測點(diǎn)位置的靜態(tài)數(shù)據(jù)和監(jiān)測獲取及系統(tǒng)產(chǎn)生需要發(fā)布的動態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入、接入到數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)Oracle 11g數(shù)據(jù)服務(wù)器中進(jìn)行管理，在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中形成的預(yù)警信息導(dǎo)出為共享格式的數(shù)據(jù)，在基于大數(shù)據(jù)的煤礦水害遠(yuǎn)程檢測預(yù)警系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)布，或者在其他應(yīng)用系統(tǒng)中使用[5]。通過建立數(shù)據(jù)庫，方便實(shí)時更新煤礦水害的各個監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)，在煤礦開采中，用戶也可以隨時修改及編輯各類數(shù)據(jù)，保證后續(xù)預(yù)測分析結(jié)果的可靠性。

2.3.2 建立信息管理及專家決策子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要包括信息管理和專家決策兩部分。

1)信息管理子系統(tǒng)。主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測點(diǎn)管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理三部分。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理主要為煤礦礦區(qū)靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理，具有對礦井各種圖形數(shù)據(jù)加載、編輯、刪除等能力；監(jiān)測點(diǎn)管理主要包括對水量、水溫、水位、水壓、變形量以及水質(zhì)等六類監(jiān)測點(diǎn)的管理能力，監(jiān)測點(diǎn)管理能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)位置信息在圖形上數(shù)據(jù)增加、修改、刪除功能；監(jiān)測數(shù)據(jù)管理主要包括對六類監(jiān)測點(diǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)的存儲和管理，將這六類數(shù)據(jù)進(jìn)行分標(biāo)管理和對時間字段進(jìn)行索引，以提高檢索效率，監(jiān)測數(shù)據(jù)管理可以實(shí)現(xiàn)六類監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、按時間查詢、數(shù)據(jù)列表顯示、數(shù)據(jù)曲線顯示、曲線圖導(dǎo)出、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

圖1 系統(tǒng)組成與功能結(jié)構(gòu)Figure 1 System composition and functional structure

2)專家決策子系統(tǒng)。主要包括確定預(yù)警閾值和建立預(yù)警決策模型[6]。預(yù)警閾值的確定主要是根據(jù)礦井靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合礦井歷史數(shù)據(jù)，利用不同的數(shù)學(xué)模型(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳法、灰色系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學(xué)法等)，對礦井主要突水模式和影響因素進(jìn)行分析，通過分析確定合適的水害監(jiān)測預(yù)警閾值；預(yù)警決策模型主要包括超限預(yù)警、變化異常預(yù)警、變化趨勢預(yù)警、井下分站預(yù)警以及報警信息發(fā)送自動化等(圖2)。

a.超限預(yù)警 b.變化異常預(yù)警 c.變化趨勢預(yù)警圖2 預(yù)警類型Figure 2 Early warning types

在確定預(yù)警閾值和建立預(yù)警決策模型之后，該子系統(tǒng)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，疊加動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對歷史動態(tài)數(shù)據(jù)分析計算出六類監(jiān)測指標(biāo)的平均值、最大值和最小值，將這些值與預(yù)警閾值相比較，對到達(dá)或超過預(yù)設(shè)條件的，系統(tǒng)會自動生成報警短信，自動發(fā)送至相關(guān)負(fù)責(zé)人移動設(shè)備，同時系統(tǒng)主機(jī)發(fā)起報警。

2.3.3 建立網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)警信息發(fā)布及查詢功能，能在圖中直觀、全面的反映出礦井水害可能發(fā)生的區(qū)域等。該系統(tǒng)采用基于WEB技術(shù)來實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、六大監(jiān)測指標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)基本信息發(fā)布和動態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布，為用戶提供查詢(圖3)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)Figure 3 Network release subsystem

2.3.4 搭建煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)

基于SOA將數(shù)據(jù)庫、信息管理和專家決策子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)集合形成煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)。SOA模型將不同功能單元通過單元之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來，使各種系統(tǒng)中的單元利用一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互，向集成后的預(yù)警管理系統(tǒng)輸入不同范圍的模擬信號，測試預(yù)警效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)基于C/S和B/S混合的架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)了煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警，系統(tǒng)需要存儲海量的數(shù)據(jù)，包括AutoCAD和GIS矢量圖形格式文件，監(jiān)測靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)存儲在Oracle 11g數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中[7]。本系統(tǒng)采用了ArcGIS+Oracle的開發(fā)模式，基于GIS平臺構(gòu)建，不僅實(shí)現(xiàn)了對動態(tài)、靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理、共享、分析，還能夠?qū)Ξ惓?shù)據(jù)進(jìn)行警示、對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，方便用戶管理與分析。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)流程Figure 4 System overall data flow

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

系統(tǒng)按照兼容性、實(shí)用性、標(biāo)準(zhǔn)化及可擴(kuò)展性原則實(shí)現(xiàn)了信息管理與專家決策子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了ArcGIS+Oracle開發(fā)模式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)綜合管理，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了動靜態(tài)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了圖形文件的加載和卸載、煤礦底圖轉(zhuǎn)換和切換。系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同煤礦的工作模式，按照煤礦底圖切換、監(jiān)測點(diǎn)信息入庫及接入動態(tài)數(shù)據(jù)、不同煤礦專家決策模型參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行切換，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用。

系統(tǒng)以山西省王莊煤礦為試點(diǎn)。王莊煤礦初建于1947年，面積79.68km2。2008年批復(fù)核定生產(chǎn)能力為710萬t/a，批采3號煤層。3煤層賦存于二疊系山西組中下部，平均厚度6.69m。利用煤礦水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對該煤層的水害進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)煤礦的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及開采條件，可確定該煤礦的主要水害，確定監(jiān)測指標(biāo)，并將指標(biāo)閾值輸入系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對煤礦的水害進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，并對該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行測試。首先收集的煤礦的防治水中長期規(guī)劃、礦井水文地質(zhì)等報告以及煤礦水文地質(zhì)圖和采掘工程平面圖、煤礦以往監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖5)。對以往數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，到煤礦現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)安裝，然后加載煤礦底圖(圖6)，錄入監(jiān)測點(diǎn)信息(圖7)，接入監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖8)，系統(tǒng)對自動讀取的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)過專家分析后，設(shè)置預(yù)警閾值(圖9)，完成系統(tǒng)搭建。

如圖10所示，一臺計算機(jī)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、查詢等操作，另外一臺計算機(jī)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)測值達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的報警條件后，系統(tǒng)自動報警，發(fā)送報警的監(jiān)測點(diǎn)在地圖上閃爍，并發(fā)出報警聲，同時向移動設(shè)備發(fā)送消息(圖11)。通過測試，該設(shè)備軟件功能完備，界面較友好，反應(yīng)迅速，實(shí)用性強(qiáng)。

圖5 站點(diǎn)編號為3450040000004的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)片段Figure 5 Site number3450040000004 temperature monitoring data segment

圖6 加載王莊煤礦底圖Figure 6 Loading Wangzhuang coalmine base map

圖7 監(jiān)測點(diǎn)基本信息錄入Figure 7 Monitoring site essential information logged in

圖8 動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示Figure 8 Dynamic monitoring data display

圖9 閾值預(yù)警設(shè)置Figure 9 Threshold warning settings

圖10 計算機(jī)工作畫面Figure 10 Computer work screen

圖11 水溫異常報警Figure 11 Water temperature anomaly warning

5 結(jié)論

根據(jù)煤礦水害特征設(shè)計的基于大數(shù)據(jù)的煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，充分利用數(shù)據(jù)庫的管理能力，與監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對接，同時專家決策子系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)，形成預(yù)測結(jié)果。系統(tǒng)應(yīng)用表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)用性強(qiáng)，能夠及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)測指標(biāo)異常，并自動報警，為煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警提供科學(xué)的決策依據(jù)。