（采矿工程专业论文）基于数字矿山的矿井底板突水预测系统研究.pdf

摘要 摘要 本文通过查阅国内外相关文献，并结合矿山实际，综述了数字地球、数字矿 山的相关背景知识和概念，提出了数字矿山的基本功能、基本特征、理论基础、 关键技术以及数字矿山的标准化。 论文首先构建系统的总体设计方案，提出系统的设计原则、基本功能和最终 运行环境：紧接着根据s u p e rm 印数据组织方式确立了系统的数据管理模式，详 细叙述了矿图资料数字化处理的全过程；确定了反映矿井底板突水地质条件的因 素如钻孔、断层等地质属性数据的数据结构。最后，建立地质条件信息库，为矿 井底板突水评价提供数据基础。 非线性是岩体力学行为的本质特征，本文从非线性观点出发，研究矿井底板 突水。底板岩层承受的水压超过自身强度时，发生的不连续的发散突变，即底板 岩层失稳破坏形成底板突水的现象，属于突变理论研究范畴，故论文将s u p 盱m a p 与模型结合来对煤层底板突水进行预测，充分利用g i s 软件的分析功能，从而 实现更为客观、准确的预报。 本文的软件部分，开发了基于数字矿山的矿井底板突水系统的基础平台，实 现了图纸和属性数据资料的数字化、网络化管理，丌发了相应的编辑、查询、底 板突水预测等功能模块，并以平顶山十矿一些采区为例对软件进行了测试，与实 际情况基本吻合。该系统为矿井安全开采决策提供客观、实时可靠的依据。 关键词：数字矿山非线性s u p e fm 印突水预测突变 安全开采 a b s t r a c t s t u d y i n g o nd i g i t a lm i n eo fw 批r b u r s t i n gf o r e c a s t i n g s y s t e mo f m i n ei nc o a lf 1 0 0 r a b s t r a c t 1 1 1 i sp 印e ri n 们d u c e st h eb a c k g m u n dl a l o w l e d g ea 1 1 dc o n c e p to fd 磷t a le 2 l 础a n d d 培i t a lm i n eb yc o n s u l t i n gc o r r e l a t i v el i t e r a t u r eo fd o m e s t i ca 1 1 do v e r s e 私b r i n g sf b n v a r d t h eb a s i cm n c t i o n 、廿1 eb a s i cc h a r a c t e r 、t 1 1 et h e o r yb a s e 、k e yt e d m o l o g y 蚰d s t a n d a r d i z a t i o no f d 西t a im i n e f i r s t l y ，t i l et o t a ld e s i g no ft 1 es y s t e mi sc o n c e i v e dht h ep 印c ra i l di tp u t sf o n v 盯d t h em 劬o do fl b es y s t 锄、b a s i c 如n c n o na n dt h ef i n a l n l l l l l i n g c o n d i t i o n ；t 1 1 e n a c c o r d i n gt ot h e 出恤m a i l a g e m e n tm e t h o do fs u p e rm a p ，t 1 1 em a i l a g e m e n to ft h es y s t e m d a 协m o d ei sb u i l ta n di te x p o u n d st l l et a t a lc o u r s eo fd i g i t i z e dd i s p o s a lo f m i n i n g - m a t e r i a lm 印a l l db u i l d st i l ed a t as 劬j c t u r eo ft l eo b j e c ta t t r i b u t c ，w h i c hs h o w s g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sl e a d i n gt ow a t e rb u r s t i n go ft h em i n es o i 印l a t e ，s u c ha st 1 1 eb o r c a 1 1 dt i 】e 加咖r e f i n a i l y ，t j l ei n f o n n a t i 衄s t o r e h o u s eo ft h eg e o l o g j c a jc 册d j t j o n sj s f m i s h e d ，b e c a u s ei to 保船m ed a t a b a s ei no r d e rt oe s t i m a t i n g 吐l ew a t e rb u r s t i n go fm e m i n e s o l 印1 a t e n o t l - l i n e a r 时i sb a s i cc h a r a c t e ro fm c km e c h a n i c s ，a n dt l l ep 印e rs m d i e sw a t e r b u r s t i n go fm i n en 0 0 ri nn o n l i n e 盯i t yt h e o r y h y d r 卸l i cp r e s s u r eo ft t l en o o ri a y e r r e c e i v i n ge x c e s s e si t si n t e n s i o n ，t h ei n c o n t i n u o u sm u t a t i o no c c u r s ，廿1 a ti st os a y t i i e b u c “i n gc o l l 印s eo f b o t t o mr o c kl e a d st ot h ep h e n o m e n o no ft h eb o t t o mw a t e rb u r s t i n g ， w h i c hb e i o n g st os t i i d y 啪g eo fm em u 协t i o nt l l e o r y ，s ow a t e rb u r s t i n go ft h ec o a ls e 锄 n o o rm a yb es t u d i e di nm u t a t i o nt h e o r ) r b u r s t i n gw a t e ro ft t l ec o a ls e 唧n o o ri s f o r e c a s t e db yc o m b m i n gt 1 1 es u p e rm a pw i t ht h em o d e l ，a n di ta d e q u a t e l yu t i l i z e st l l e a n a l y s i s 如n c t i o no fg i s ， a sar e s u l t ，i tm a yf o r e c a s tm u c hm o r eo b j 鳅i v e l y 、w e na i l d t n l i y i nt h es o f tp a r t ，t h en a tr o o f o f m i n i n gn o o rb u r s t i n gw a t e rs y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c h i sm a d eo fm a l l ym o d u l e s ，s u c ha se d i t i n g 、q u e r y i n g 、p r e d i c t i n gt l l ef 1 0 0 rb u r s t i n g w a t e ra 1 1 ds oo n t h es o rc a nd i g i t i z et l e m a pa n da t t r i b u t em a t e r i a in r k m a n a g e m e n t t h es y s t e mi sa s s e s s e dt a k i n gt h ep a r tm i n i n ga r e ai n1 1 c nc o a lm i n i n gp i n g d i n gs h a na sa ne x a m p l e ， a n di t sr e s u l ti si d e n t i c a lw i t l lt 1 1 er e a 】c o n d i t i o n t h es y s t e m o f f b r st 1 eo b j e c t i v ea n da c t l l a lr e f 打e n c ef o rs a f em i n i n g k e yw o r d s ：d 酉t a lm i n en o n - l i n e a r i t ys u p e rm a pb u r s t i n gw a t e rf o r e c a s t m u t a t i o ns a f em i n i n g 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 渺年6 月j 日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许硷 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 奉学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：址一 m 厂年击月? 日 指导教师签名： 沙开年月g 曰 第l 章绪论 1 绪论 1 1 引言 煤炭是我国的第一能源，在一次性能源结构中占7 0 以上。但是，由于开采条 件的复杂性，使得矿山瓦斯、煤尘、水、火、顶底板事故的隐患无处不在。常言 道：水火无情。煤矿在开采过程中经常受到水的威胁。与顶板、瓦斯、运输事故 相比，突水事故发生率不算高，但一旦发生，造成的人员伤亡和经济损失比顶板、 机电、运输、爆破等事故要大得多，危害相当严重。据统计，1 9 4 9 1 9 9 5 年在我 国煤矿一次死亡3 人以上的事故中，以死亡人数计算，水害事故占1 5 7 2 ，仅次于 瓦斯和顶板事故，位居第三；平均每次事故死亡7 0 6 人，仅次于瓦斯和火灾事故， 位居第三。其中，全国国有重点煤矿一次死亡3 人以上的水害事故2 0 3 次，死亡1 6 8 5 人。 a 按突水地点分：发生在掘进工作面的1 1 1 次，占5 4 6 8 ，死亡1 0 9 1 人， 占6 4 7 ；发生在采煤工作面的4 9 次，占2 l i1 4 ，死亡3 2 8 人，占1 9 4 7 ； 发生在井巷的2 7 次，占1 3 3 ，死亡1 4 9 人，占8 8 4 ；发生在其他地点的1 6 次，点7 8 8 ，死亡1 1 7 人，占6 9 4 。 b 按水的来源分：来自老空积水的1 3 3 次，占6 5 5 2 ，死亡1 1 7 3 人，占6 9 6 1 ，来自地表水的2 3 次，占1 1 3 3 ，死亡2 1 4 人，占1 2 7 ：来自地质水的1 6 次， 占7 8 8 ，死亡1 0 6 人，占6 2 9 ：来自工业用水的7 次，占3 4 。死亡5 6 人，占3 3 2 ；来自其他水源的2 4 次，占1 1 8 2 ，死亡1 3 6 人、占8 0 7 。 我国许多煤田的水文地质条件十分复杂，在煤层开采过程中受到多种水体的威 胁，但影响范围最广的主要是灰岩、强岩溶含水层对上覆煤层开采的威胁，几乎 所有大的突水以及淹井事故都是由这类水害引起的。在以上我国煤矿水害史中， 发生过百余起重大突水淹井事故，其中5 5 以上的案例属煤层底板突水( 即底板水 突入矿井) 引起的【1 1 。随着煤炭资源的进一步开发，我国浅部及条件简单区的煤炭 储量渐趋匮乏，煤炭生产向深部及底层发展势在必行，灾害性突水的深度也随之 加深，底板水的威胁日趋严重。主要表现在： ( 1 ) 随着矿井开采水平的不断延伸，开采深度越来越大，灰岩承压水水压不断 增加，突水的潜在危险性也随之增加，有些老矿井正是由于底板水害等因素的制 约，使得继续向深部开采越来越困难； f 2 ) 有些矿区上组煤开采结束后，要开采下组煤，而下组煤与底板灰岩的间隔 河南理工大学硕士学位论文 较小，隔水层较薄，底板突水危险性加大； ( 3 ) 有些矿区首先开采了水文地质条件简单的矿井和采区，而后被迫开采水文 地质条件复杂的区域，这些区域灰岩喀斯特发育，地质构造密集，突水危险性较 大； ( 4 1 随着市场经济的发展，煤矿企业受经济条件制约，很难进行疏水降压、帷 幕注浆等大型的防治水工程，带压开采成为受底板灰岩承压水威胁煤层开采的主 要方法，这就为底板突水研究提出了更高更迫切的要求口j 。 长期以来，我国许多老前辈和年青学者在底板水防治方面倾注了心血，人们从 不同侧面( 如底板突水信息探测、岩体力学数值模拟、底板破坏深度观测等) 进行 了研究。然而，恶性突水淹井事故的发生率仍居高不下，仅1 9 9 6 年以来，皖北矿 务局任楼矿、徐州矿务局张集矿因底板奥灰水通过陷落柱突入矿井，使两矿相继 被淹，直接经济损失数亿元。水害事故是危及煤矿安全生产的五大灾害之一，煤 炭作为我国国民经济的支柱产业，这些灾害确实是煤矿步入困境的主要因素。底 板突水淹井事故可以预防和控制吗? 这个问题几乎困扰人们将近半个世纪。我国煤 矿防治水工作中，重复研究较多，推广有限，目前迫切需要在防治水理论上有所 突破，才能提高水害事故的预见性。实践证明，采掘工程底板突水不是单纯的水 文学问题，也不是单纯的岩体力学问题，而是在人为采掘活动的诱发下，围岩岩 性、结构( 断层和裂隙，以下简称为广义意义上的“断裂”) 和她质环境( 区域构造 场、渗流场、温度场、水理作用场等) 综合作用的结果。渗流引起动静水压力作用， 影响着介质的应力状态，而介质因此而产生的断裂扩张又反过来影响渗流特征。 此外，根据热弹性理论，温度对介质还有另外一种作用一温度应力的作用，其在 改变介质应力状态中充当了一定角色。可以看出，要实现底板突水事故的预防或 控制，就必须体现岩体力学、渗流理论、热弹性理论及区域构造分析原理等多学 科之间的交叉【3 】o 越来越多的研究与试验表明，单一学科、传统的设备和手段，已难以适应和胜 任矿井底板水害防治的需要。而现代遥感技术、g i s ( 地理信息系统) 、数据库管理 技术、数值模拟、数学模型等科技成就的发展为矿井底板突水的调查、计算、模 拟、分析、评估和防治提供了崭新的手段。在底板突水灾害发生前，可以不断提 供关于突水发生背景和磊件的大量信息， 区以及危险程度，采取必要的防灾措施， 有助于圈定矿井底板突水可能发生的地 减轻灾害造成的损失。在灾害发生过程 中，可以不断计算模拟监测分析水害的进程和态势，及时将信息传送到相关决策 2 第1 章绪论 部门为矿井底板突水预测提供依据。因此，充分利用现代遥感技术、 g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、数据库管理技术、数学模型对煤层开采 突水过程建立数学模型，分析研究煤层底板机理，综合考虑各方面因素的影响， 从而准确预测预报煤层底板突水。 1 2 问题的提出 现代社会是信息的社会。随着我国信息化工程的进一步深入，各行各业也必 然加快信息化速度，现代化管理是企业生存与发展的一种重要手段。煤炭是一个 特殊的行业，安全生产是煤炭企业的关键。安全管理的现代化是煤矿企业安全生 产的重要保障，也是煤矿现代化的必然选择。实现矿山安全生产现代化的关键技 术之一在于矿山日常安全生产信息管理的现代化。这就要需要一个信息管理系统。 该系统将包括为生产服务的所有系统，煤矿的各种具体的和抽象的数据都以一定 的形式存储在计算机中。通过分析应用程序，该管理系统能够对矿井的生产状况 进行实时监控、分析、管理、显示和模拟，为技术人员提供直观、快速的信息查 询，并为他们的决策提供帮助。该管理系统就是安全生产信息系统，这是数字矿 山的一个重要组成部分。 煤矿安全开采管理信息系统是煤矿安全生产管理体系的一个重要组成部分， 它同时又是一个非常庞大的和复杂的系统，它的安全正常运行是井下安全生产的 基本保证。开发应用煤矿安全开采信息化建设，以信息化带动工业化，利用信息 技术改造和提升煤炭企业是我国煤炭企业技改的重中之重【1 5 】。对于煤矿这样的生 产型企业，既要解决煤矿生产过程中的安全问题，全面掌握井下各种安全信息， 又要有效地预防和及时处理各种突发事故和自然灾害，杜绝各种灾害事故的发生。 但是，如何建立高产高效矿井建设的安全开采管理信息系统，矿业部门的科技人 员作了广泛而长期的尝试。从定性、定量到规律总结，由延伸预测到总体预测， 由定性判断到定量预测，由单纯的地质手段到各种物探手段的应用，得到了不断 发展和完善。 煤矿安全开采是煤矿企业的头等大事，建立安全开采管理信息系统目的在于促 进安全管理科学化，利用先进技术做到防患于未然，以确保安全开采。一个健全的安 全开采管理信息系统不仅可以提高安全开采管理工作的效率和质量，促进安全管理 的科学性，又能及时、准确、完整地收集、处理安全信息，提高效率，还可以统计、分 析事故发生的原因、后果，预测可能发生的事故，为监督安全开采，制定落实安全措施 河南理工大学硕士学位论文 和计划提供支持。目前煤矿生产的实际是资料管理分散、共享率低、更新速度慢， 根本谈不上建立强大安全开采管理信息系统。近几十年来，现代空间信息技术的 综合应用有了飞速发展，使得人们能够及时和连续不断地获得地球及其环境的大 量几何与物理信息，形成地球空间数据流和信息流，从而促进了数字地球技术体 系的产生。所谓数字地球，是为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认 识，是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，其特点 是嵌入海量地理资料，实现多分辨率的和三维的地球的虚拟表示【1 6 1 。以当今 “3 s ”( 地理信息系统) ( g i s ) 、全球卫星定位系统( g p s ) ，遥感( r s ) 为代表的技术 手段为数字地球构想的实现奠定了基础。其中，地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r 衄t i o ns y s t e m ，g i s ) 作为数字地球的支撑技术，其发展为数字地球的实现 提供了重要的保证。地理信息系统是计算机科学、地理学、地质学、测量学、地 图学等多门学科综合的技术，是一个采集、存储、分析和显示地学信息的计算机 系统。本世纪6 0 年代，加拿大测量学家r o g e r f t o m l i n s o n 首先提出g e o g r a p h i c i n f o r j ) 】a t j o ns y s t e 皿( g i s ，地理信息系统) 这一概念，并提议建立了世界上第一个 地理信息系统，用于自然资源的管理和规划。之后，g i s 展示了极强的应用前景， 应用领域迅速扩大，包括从土地管理、生态规划、交通土建到商业、军事、卫生、 保险、企业管理等非常广泛的领域。目前，由于采矿工程的复杂多变的地质条件， 底板突水灾变事故的发生条件随时可能会发生，这就为我们的决策提出这样的要 求? 动态、及时和准确地对灾变可能性预测、控制措施决策、措施实施的监控和 效果判断有机地结合一起。为解决上述难题，建立基于数字矿山的矿井底板突水 系统实现对底板突水信息的查询检索、综合分析、动态预测和评价及信息输出等 功能，为矿井安全开采管理进行规划、判断和决策提供科学依据是完全必要的。 】3 底板突水预测国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外对煤矿底板突水的研究已有1 0 0 多年的历史，在底板岩体结构研究、探测 技术和防排水等方面都积累了丰富的经验。 早在2 0 世纪初，国外就有人注意到底板隔水层和底板突水的相关性，并从若干 次底板突水资料中认识到，只要煤层底板有隔水层，突水次数就减少，突水量就 减少，隔水层越厚突水量越小。在这之后，国外许多国家的学者就开始注意底板 突水理论的研究。1 9 4 4 年，匈牙利人韦格弗伦斯就提出了底板相对隔水层的概念。 4 第1 章绪论 他指出，煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且与水压力有关：突水条件受 相对隔水层厚度( 相对隔水层厚度是隔水层真厚度与水压力之比) 的制约。同时 指出，在相对隔水层厚度大于1 5 m b a r 的情况下，开采过程中就不会突水，而8 0 9 0 突水都是相对隔水层厚度小于此值。1 9 5 2 年后，许多岩溶水上采煤的国 家引用了只要相对隔水层厚度大于2 o m b a r 就不会引起底板突水。1 9 7 4 年，匈牙 利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层的概念列入矿业安全规程，并对不同 矿井作了规定和说明。上世纪7 0 年代后期，前苏联等许多国家也开始研究相对隔 水层的作用，包括采空区引起的应力变化对相对隔水层的影响，以及水流和岩石 结构关系等。关于煤矿开采底板变形与破坏，m 鲍莱茨基等给出了不同的概念【5 l ； 底板开裂、底鼓、底板断裂和大块底板突起。多尔恰尼诺夫等认为，在高应力作 用下( 如深部开采) ，岩体或支承压力区出现渐进的脆性破坏，其破坏形式是裂隙 渐渐扩展并发生沿裂隙的剥离和掉块旧，从而为底板高压水突入矿井创造了条件。 b 斯列萨列夫最早按照梁的强度理论，计算得出了底板抗静水压力的理论最小 安全厚度m ，一直作为煤矿防治水设计的主要依据。 另外，随着电子技术的发展，国外的探测技术和探测仪器也有了很大的进步。 各种技术先进、功能强大的电法仪、地震仪、地质雷达等仪器的应用，为准确探 测采前煤层底板岩溶发育特点、分布规律、煤层底板的结构及构造、富水性及采 后底板的破坏深度等方面提供了强有力的技术支持。 1 3 2 国内研究现状 与国外相比，我国对突水问题的研究起步较晚，在解放后我国才进行这一方面 的研究工作。建国后，随着煤炭工业的发展，我国煤层底板突水理论和实践研究 出现了日新月异的发展。上世纪6 0 7 0 年代，主要是对水文地质条件进行勘测，进 而通过条件研究对煤矿水害防治进行经验性决策。当时的研究手段比较落后。该 项工作是煤矿水害防治的基础性工作，属条件水文地质学的研究范畴，限制了学 科的发展，煤层底板突水概念模型的雏型基本上是在这一时期形成的，如底板保 护层和原始导高等概念。进入上世纪8 0 年代以后，我国许多科学工作者对底板水 防治问题，在预测预报、突水机理、防治技术等方面进行了系统的研究工作，使 采掘工程中底板突水研究成为在人为采掘活动的诱发下，围岩岩性、结构和地质 环境( 区域构造场、渗流场、温度场、水理作用场等) 综合作用的前沿学科。纵观 我国科学工作者多年来的研究工作，主要形成了以下几种研究方法： 河南理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 突水系数方法 1 9 6 4 年，我国学者以煤炭科学研究总院西安分院为代表，通过长期对大量的突 水实际资料统计分析，提出了采用水压和底板隔水层厚度比值即突水系数作为预 测预报底板突水与否的标准 “。后来又对突水系数公式进行了修正，但是突水系数 仅仅考虑了采动破坏、水压、岩性等因素，而对煤层底板岩体结构特征、边界条 件等未做分析，而且由于突水系数是经验统计值，反映的是近地表的突水条件， 随着矿井向深部发展，其预测的准确性越来越差。 ( 2 ) 岩一水应力关系法 岩一水应力关系法从物理和应力概念出发，提出了用突水临界指数，即底板承 压水压力与水平最小主应力的比值，作为突水的判据1 9 】。当临界突水指数 1 时，底 板发生突水。该突水判据是利用采动过程中底板隔水层的原位应力测试技术与数 值计算方法相结合，得到采动底板隔水层应力与破坏，综合分析突水环境，给出 定量评价。 ( 3 ) “下三带”理论 根据部分现场实测资料和实验研究成果，李白英等提出了“下三带”理论【1 0 】。 该理论认为开采煤层底板由上至下存在着“三带”，即上部采动破坏导水带，中 部完整岩层隔水带和下部承压水导升带。但“下三带”理论仅仅定性分析了三带 的存在，而对第一带与第三带的承载特性及作用、第二带如何破坏、破坏特征及 破坏后的结构、开采边界条件等对它的影响方面的分析比较模糊，而且“下三带” 理论的应用还受客观条件限制。 ( 4 ) 原位张裂与零位破坏理论 王作宇等人提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论【1 1 。”。该理论引用塑性 滑移线场理论分析了采动底板的最大破坏深度。但在突水判据上，仍然采用的是 突水系数的概念。尽管解释了煤层底板在超前支承压力和水压力作用下的破坏过 程，但同样没有考虑底板作为层状岩体的结构特征和破坏机制，仍存在突水系数 法和“下三带”理论中存在的不足。 ( 5 ) 板模型理论 刘天泉、张金才等提出了底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成的概念 【1 3 】，并采用半无限体上一定长度上受均匀竖向载荷的弹性解，结合g r i f f i t h 强度 理论和c o u l o m b _ m o h r 强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。在此 基础上，采用薄板理论结合弹塑性理论得到了以底板岩层抗剪及抗拉强度为基准 6 第1 章绪论 的预测底板所能承受的极限水压力的计算公式。但煤层底板很难满足薄板理论的 基本条件一厚宽比小于1 5 1 7 。由于厚板理论尚不成熟，所以计算时可以选择 其中较薄的一层进行分析，应用薄板理论可以得出足够满足精度的解。 ( 6 ) k s 理论 钱鸣高、黎良杰等到根据底板岩体的层状结构特征，建立了采场底板突水机理 的关键( k e ys t r a t u m ) 层理论【。该理论提出在底板岩层中找出一层强度最高的岩 层作为底板关键岩层，将这一关键层看作薄板，很好地满足了薄板理论的基本要 求，便可以利用薄板强度理论对底板破坏进行研究。 综上所述，上述承压水上开采煤层底板破坏理论均在不同时期的不同程度上为 防治煤矿底板水害起到了积极的指导作用。但存在两个明显的弱点：一是突水量与 底板岩体的破坏程度的关系，目前的突水理论，仅研究了底板岩体本身破坏发生 条件，而对于其破坏后的情况，没有进一步研究；二是将底板岩体与水分隔开来 研究，建立的力学模型与实际存在较大的偏差。基于以上问题，利用g i s 与突变理 论结合拟在克服单纯只对水或只对岩体进行研究存在的缺点，对煤层底板突水有 效预测研究，从另一角度探讨我国煤矿安全开采所面临的十分追切的问题。 1 4 研究内容和研究目标 1 4 1 研究内容 基于数字矿山的矿井底板突水预测系统是数字矿山的一部分，论文的文字部分 详细论述了数字矿山的基本概念、框架与关键技术，基于数字矿山的矿井底板突 水预测系统的总体设计，系统数据库建立的基本思路，底板突水预测数学模型及 具体实现。具体研究内容如下： ( 1 ) 对数字矿山的概念、基本特征、框架、理论基础、关键技术作研究。 ( 2 ) 基于数字矿山的矿井底板突水预测系统是以s 删a pg i s 为开发平台 的，对系统的总体设计作具体研究。 f 3 ) 由于矿山数据是随着开采动态变化的，数据库建立对本系统的成功与否非 常关键，对数据库建立、数据的采集、获取进行了研究。 ( 4 ) 利用突变理论建立煤层底板突水预测数学模型。 ( 5 ) 将尖点突变模型与s u p e r m 印g i s 结合对煤层底板突水进行研究。 ( 6 ) 详细研究系统的具体设计，并以平顶山十矿为例进行论证。 河南理工大学硕士学位论文 1 4 2 研究目标 论文利用突变理论建立的尖点模型研究煤层底板突水变化过程，现以 s u p e r m a pg i s 为开发平台，拟实现如下目标： ( 1 ) 利用突变理论的尖点模型对底板岩层承受的水压超过自身强度时发生的 不连续的发散，即底板岩层失稳破坏形成底板突水的现象，进行研究，建立煤层 底板突水突变模型，以期从另一角度探求煤层底板突水机制： ( 2 ) 利用g i s 的分析功能与尖点突变模型相结合，实现准确预测预报水害事故， 为水害防治、资源的可持续利用、经济的可持续发展提供基础性的依据。 ( 3 ) 基于数字矿山的建设思想、框架、标准、软硬件环境下建立矿井底板突水 预测系统，为数字矿山的建设作重要补充。 第2 章数字矿山的相关问题分析 2 数字矿山的相关问题分析 数字矿山是“对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现，是一 个硅质矿山，是数字矿区和数字中国的一个重要组成部分”。数字矿山的核心是在 统一的空间框架与时间参照下，科学有序地组织、管理、维护和真三维可视化表 达，通过不同手段获取的海量、异质、多维、动态的矿山信息，并建立矿山信息 的分布式共享、协同与利用机制，形成多种灵活便捷的数字方法与模拟工具，最 大限度地挖掘和发挥矿山数据的潜能和作用，贯穿于矿山规划、生产、经营与管 理的全过程，保障矿山的科学决策与现代化管理。 数字矿山是一个复杂巨系统，它的目标是实现矿山的“高效、安全、绿色与 可持续发展”。按功能划分，数字矿山包括六大类系统：数据获取与管理系统、安 全开采信息系统、矿区地理信息系统、选矿数字监控系统、管理系统、决策支持 系统。其中安全开采信息系统是数字矿山系统的核心系统，也是效率和效益的主 要创造者。基于数字矿山的安全开采信息系统包括突水预测系统、瓦斯预测系统、 防尘系统、防火系统。矿井底板突水预测系统基于数字矿山的能够实现图形与属 性数据统一管理，针对矿井技术人员与领导、上级主管部门等不同层次用户开发， 系统具有信息共享、异构数据互访、多用户并发控制、突水预测信息联机分析处 理、实时管理等特点，是安全开采信息系统的一个子系统，是数字矿山系统的重 要组成部分。 2 1 构建数字矿山的意义 数字矿山是数字地球在矿山开发中的应用，所以定义数字矿山首先要理解数 字地球。2 1 世纪是信息主导的世纪，“数字化生存”已成为知识经济的标志m 】。 1 9 9 8 年1 月3 1 日前美国副总统戈尔在c a l i f o r n i as c i e n c ec e n t e r 的o g c ( 0 p e n g i sc o n s o r t i u m ) 会议上作个题为“数字地球：对2 1 世纪的人类星球的认识” 的讲演中指出：我们需要一个“数字地球”，即一种可以嵌入海量地理数据、 多分辨和三维的地球标识，可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的数据。 “数字地球”概念的提出标志着人类认识地球的第三次飞跃。 1 9 9 8 年1 0 月，在江总书记和李岚清副总理的直接关注下，有关学者和部门对 数字地球( d i g i t a le a r t h ，简称d e ) 进行了充分讨论，提出了建设数字中国 ( d i g i t a lc h i n a ，简称d c ) 的战略构想，研讨了实施d c 的行动计划。近年来， 各部门系统数字工程相继展开。1 9 9 9 年国家计委、信息产业部“十五”期间国 9 河南理工大学硕士学位论文 家信息化发展战略和规划思路中明确提出要利用信息技术改造提升能源、矿山 等传统产业。 地面控制中心o 以0 1 s ) 远距离高速通线网络 自动采矿设备 f 井上井下定位导向i 模拟采矿与仿真控制ii 工况动态监测 ii 可视化与绘图系统i _ 一数据采集与快速更新系统 图2 1 数字矿山的基本模式 f i g 2 1b 鹊i cm o d e l0 f d i g i t a lm - m e 1 9 9 9 年首届“国际数字地球”大会上，中国矿业大学吴立新教授基于矿山地 理信息系统提出了“数字矿山”( d i g i t a lm i n e ，简称d m | 1 9 1 ) 概念。2 0 0 1 年“国际 a p c o m ”会议上，吴立新教授发起组织了“国际d m ”主题讨论。 我国矿山目前面l 临着越来越尖锐的挑战，如矿山的资源环境问题、矿山系统 内部各子系统结构和功能的局限性问题，矿山有限的人力、财力、物力资源的优 化问题、矿山的可持续发展问题等。解决这些问题，数字矿山提供了一个新的思 路；因此，要从矿山可持续发展、安全、高效的需要和矿山科技发展战略的高度 来看数字矿山建设的必要性和紧迫性，将“数字矿山计划”尽早提到日程上来。 数字矿山的潜能刚表现在以下几个方面： ( 1 ) 虚拟矿井：可以在矿山设计、建设开采过程中，模拟三维矿井条件，进行 有效地表述，不再要求非亲自深入井巷工作面，办公室内就可触摸工作面矿床， 不再非要矿井建设成后再去体验，“矿井未建先下井巡视一番”己是可能。这样 可以把矿井建设得更加科学合理。 ( 2 ) 技术研讨：生产中的技术管理往往要反复进行多方案对比，而当前的方式 是召开论证会，这样就使得方案不可能太多，人员参与也有限。如果一个技术问 题在互联网上进行研讨，可以酝酿的更充分，对技术问题的认识将更深刻。专家 可以来自全世界，并可以对研讨对象进精确刻画。 ( 3 ) 机电管理：如果以上两种应用还是第一个层次，“嵌入”机电设备的资料 1 0 第2 章数字矿山的相关问题分析 体，将是第二层次的数字矿山。设备处于数字矿山中什么位置，发挥着何种作用， 设备状态如何，谁在进行操作，如何使设备在矿山中获得最佳配置。这些问题可 以通过数字矿山中的专业软件进行评估。 ( 4 ) 经营管理：人事管理可以“嵌入”数字矿山中，从此可以实现扁平化、透 视化。矿山中的人力资源分布，各种人员的流动性图表，将使矿山企业获得最佳 劳动力组合。 综上所述。数字矿山的作用是不可估量的，对矿山建设的推动是巨大的，数字 矿山是矿山建设的必由之路。 2 2 数字矿山的研究现状 发达采矿国家的矿山信息化改造已迈出了坚实的步伐，有的己制定了长远发 展规划【2 1 2 4 1 。加拿大从2 0 世纪9 0 年代初开始研究遥控采矿技术，目标是实现整 个采矿过程的遥控操作，现已研制出样机系统，并在i n c o 公司的几个地下镍矿试 用实现了从地面对地下矿井进行控制。加拿大已制定出一项拟在2 0 5 0 年实现的远 景规划：即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨伯里通过卫 星操纵矿山的所有设备，实现机械自动破碎和自动切割采矿。芬兰采矿工业也于 1 9 9 2 年宣布自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、 矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等2 8 个专题。瑞典也制定了矿山自动化 进军的“g r o u n t e c k n i k2 0 0 0 ”的战略计划。发达采矿国家己开始行动，矿山信息 化建设快步发展。 随着信息科学技术的迅速发展和全球经济一体化进程的加快，市场竞争日益加 剧，导致信息技术愈来愈广泛地被应用于社会和经济的各个领域，信息网络化已 成为当今社会发展的重要而基础的手段，企业信息化也越来越受到人们的重视。 对于企业而言，如何适应信息时代的要求，以及如何迎接数字地球的挑战，充分 有效地利用各类信息资源进行科学决策、指导生产，已日益受到现代企业领导和 决策者的关注。 目前我国矿山信息化建设的总体水平不高，没有形成企业信息化决策和矿业信 息产业化发展的规模优势。信息基础设施落后，可共享的信息量少，信息流向单 一而无序，严重地影响了矿山企业的市场竞争与可持续发展能力。 近年来我国矿山信息化建设得到了一定规模的应用，但总体状况仍不容乐观。 在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监控等信息化“软”领域，与发 河南理工大学硕士学位论文 达国家的差距增大。主要是因为重视程度不够，没有把信息资源当作矿山的重要 战略资源之一加以统筹开发和综合利用，更没有形成系统性能稳定、信息资源充 足的矿山信息基础设施( m i n ei n f r a s t r u c t u r e ) 。目前我国矿山企业信息化建设 大体处在以下3 个层次上： 第一层次：软硬件建设均投入不足。矿山本身经营困难，无其他资金进行信息 化建设；企业领导对企业信息化的重要性认识不足，受传统小农思想和急功近利 的思想左右而不能做出战略的考虑和进行信息化投入；惧怕变革，安于现状以及 企业职工习惯于现存的组织状态和工作方式：企业对员工现代技能的培训不足， 企业员工计算机操作水平低。因此也就使得这类矿山企业在激烈变化的市场竞争 中和在以信息为主导的知识经济面前无所适从。 第二层次：硬件建设好，软件建设投入不足。一些经济效益稍好、现代化程度 较高、基础管理较好的矿山企业在近5 年来就开始了信息化建设，包括计算机办公 设备购置、通讯网络改造、局域网建设等，网络带宽、速度和结构等指标都是比 较高的。但资金投入的方向与比例没掌握恰当，注重了硬件投资，忽视了应用软 件和信息资源的开发、应用和管理，导致没有形成符合本企业实际的软件体系。 第三层次：软硬件建设投入均较高，但建设不协调。一些效益较好的企业在近5 年内进行了大量的信息化建设，资金投入的方向与比例也较为恰当，但由于缺少 全局性统筹规划，各矿在软件选型和数据格式方面各自为战。各个矿山之间，甚 至矿务局内部之间数据格式不一，无法共享信息。 理想的局面应该是软硬件建设统一，在各矿、局、省、全国按4 种模式来组织 矿业信息化建设，并且要按照d e 和d c 的要求和规则逐步建立d m ，这是矿山企业信 息化建设的第4 层次，也是面向2 l 世纪的现代化矿山企业的努力方向。数字矿山建 设是一项复杂、庞大和长期的系统工程必须分阶段逐步建设。在建设初期，首先 是要开发矿业地理信息系统m i n i n gg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，m g i s ) ， 并围绕矿山的重大技术需求和关键问题进行专业模块开发和应用。 2 3 数字矿山的基本特征 数字矿山是以多时空、动态的矿山系统为研究对象，以矿山观测、网络和计 算机信息处理为主体的技术系统。它在空间上可把矿山工程的部分工作转移到实 验室，在时间上可从过去、现在的研究发展到三维空间上定量地预测未来。数字 矿山具有如下特征口“。 1 2 第2 章数字矿山的相关问题分析 ( 1 ) 空间性、数字性和整体性三者的融合统一。这是它与其它信息系统的根本 区别； ( 2 ) 具有无边无缝的分布式数据层结构，包括多源、多比例尺、多分辨率的历 史和现时的矢量格式和栅格格式的数据； ( 3 ) 具有海量、充实、分类、迅速、联网的矿山地理信息数据库； ( 4 ) 采用开放平台、构件技术、动态互操作等最先进的技术方案； ( 5 ) 可以用图形、图像、图表、文本报表等形式提供服务； ( 6 ) 用户可以以多种方式从中获取信息。无论生产者是谁，也无论数据在什么 地方，任何一个用户都可以实时调用信息。国际互联网上的用户可以根据自己的 权限查询“数字矿山”中的信息： ( 7 ) 服务对象覆盖整个矿山层面，分机构、分密级地为矿山机关、生产单位、 科教部门、专业技术人员、普通矿工等提供其所需要的信息服务。 2 4 数字矿山的基本框架f 2 7 】 数字矿山作为一个复杂巨系统，具有同心圆型的层次结构持点。按数据流和 功能流进行剖分，数字矿山结构由外向里依次为采集系统、调度系统、应用系统、 过滤系统、核心系统共5 部分。其基本组成如图2 2 所示。 图2 2 数字矿山的基本组成 f 培2 - 2b a s i cf o mo f d i 垂i t a lm i n e ( 1 ) 采集系统负责数据的采集、处理与更新，包括测量、勘探、传感和文档( 含 设计数据) 4 大类矿山基础数据。 ( 2 ) 调度系统作为矿山信息化办公与决策的公共平台和各类矿山软件集成和 河南理工大学硕士学位论文 各类模型融合的公共载体的m g i s ，负责矿山地物对象的拓扑建立与维护、空间查 询与分析、矿山制图与输出等g i s 基本功能，并进行数据访问控制，调度和控制 各类组件式矿山软件的运行、矿山数据与模型的采集、更新与过滤等。 ( 3 ) 应用系统各种专业应用软件的集合，包括采矿c a d ( m c a d ) 、虚拟采矿 ( v m ) 、矿山模拟( m s ) 、工程计算( e c ) 、人工智能( a i ) 和科学可视化( s v ) 等，为矿 山业务流程和决策所需的各类工程计算与应用分析提供功能服务。 ( 4 ) 过滤系统负责多源异质数据的集成和质量控制，集成和融合多源异质矿 山数据进行3 d 空间建模，并通过数据过滤与重组机制进行数据挖掘和规律发现。 ( 5 ) 核心系统负责统一管理矿山数据和应用模型，由矿山时空数据仓库和矿 业应用模型库两个子系统组成，是d m 的心脏或“油库”。d m 系统在矿山企业中的 业务化运作是基于企业的宽带、高速网络来实现的。基于工业i p 的矿山企业网是 d m 网络架构的基本模式。基于矿山业务流程的4 层c s 的d m 系统模式如图2 3 所示。该系统模式由w w w 服务器、g i s 服务器、应用服务器和数据与模型服务器4 层组成，数据与模型服务器中的数据组织以对象关系型数据库为核心。 图2 3 数字矿山的网络架构 f 培2 - 3n c t w o r ks 仇i c t u r eo f d i g i t a lm i n e 2 5 数字矿山的理论基础i 2 8 j 数字矿山是一个典型的多学科交叉新领域，具有综合性、复杂性、系统性和 前沿性，所涉及的学科领域非常广泛。它以空间信息理论( 以r s 、g p s 、g i s 为代 表的现代测绘理论) 、数字地质学、现代采矿理