基于GIS的矿井自然灾害隐患识别、预警模型研究

1、基于GIS的矿井自然灾害隐患识别、预警模型研究张佰慧1 杨明强21.平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 4670012.平顶山工学院，河南 平顶山 467001摘要：本文详细研究了基于GIS的煤矿自然灾害隐患识别单体评判预警模型、区域评判预警模型以及二者综合的区域-单体联合评判预警模型的数据要求和模型实现流程等关键问题。关键词：矿井GIS 隐患识别 预警模型Research on the natural mine disasterhiddentroublerecognizing and early warning mode based on GISZhang Bai-hui1 Yang Mi

2、ng-qiang21. PingDingShan Institute of Industrial Profession Technology，PingDingShan HeNan 4670012.PingDingShan Institute of Technology，PingDingShan HeNan 467001Abstract: Natural mine disasterhiddentroublerecognizing early warning mode of single judging, area judging and area-single united judging ba

3、sed on GIS are proposed in detail. Meanwhile，Some key problems such as the data require and the realized process of the model are studied.Keywords: mine GIS; hidden trouble recognizing; early warning mode1 引言我国煤炭生产是世界上自然灾害最严重的国家之一，瓦斯、矿压与顶板、煤尘、水火等自然灾害因素是影响煤矿安全生产的主要因素。近几年来，我国煤矿瓦斯爆炸、井下透水等事故频频发生，给人民的生命和

4、国家财产造成了巨大的损失，严重影响了煤炭企业生产能力的发挥和煤炭企业的形象。识别与防治矿井自然灾害隐患是减少矿井自然灾害事故发生的根本途径，而新兴的空间数据库、GIS技术等为解决矿井瓦斯、水害防治问题提供了有效的技术手段与相应的理论支撑。煤矿地理空间数据的存储与管理以及相关评价指标体系库是矿井瓦斯、水害隐患识别、决策分析的基础，但是要真正解决这一问题还需要一定的空间分析模型与方法，即基于GIS的矿井瓦斯、水害隐患识别预警模型。实际应用GIS对自然灾害识别、预警预报主要有三类GIS模型，主要是基于GIS的单体评判预警模型、基于GIS的区域评判预警模型以及基于GIS的区域单体联合评判预警模型。2基

5、于GIS的单体评判预警模型基于GIS的单体评判预警模型是采用地理信息系统技术与原理，依据矿井自然灾害的某一评价指标及其超标临界值评判相关灾害在未来相关条件下可能发生的情况，为提前采取必要的预防措施提供科学依据。2.1模型数据要求单体评判预警模型的实现需要依托大量的基础数据与实时监测数据。基础数据：矿井自然灾害历史数据；矿井自然灾害隐患点分布图；矿井水文地质图与矿井充水性图；矿井瓦斯地质图、瓦斯等值线图、瓦斯区域分布图；矿井巷道布置图；矿井地表水体分布。实时监测数据：矿井瓦斯历史数据与实时监测数据；降雨量历史数据与雨量监测数据；灾害点历史水文数据与实时水文监测数据；矿井顶板压力监测实时数据。2.

6、2模型实现流程矿井自然灾害单体评判预警模型主要是针对自然灾害引发主导因素实现单一指标评判预警，主要实现流程如图2-1。2.2.1评判预警指标的选取基于GIS的单体隐患识别预警的指标选取主要结合矿井自然灾害预警预报判据的研究选取合理的单一评判指标，并最终为评判预警模型服务。2.2.2评判预警数据的获取历史数据主要来源于相关矿井空间数据库中心，主要包括各类图形数据、属性数据与图像数据等；实时监测数据通过监控硬件设备与系统获取实时传输到监控数据中心，并发送到矿井空间数据库中心供评判预警服务与应用。不同单体的评判预警对数据具有不同的要求，对于不同的单体、单体的不同位置以及单体所处的不同阶段，监测不同精

7、度的数据。因此，对于瓦斯监测数据、水文监测数据以及顶板压力监测数据以及其它基础地质数据，必须符合标准与规范。2.2.3数据的预处理针对监测数据，必须将历史监测数据和实时监测数据合并，并且为了增强监测时序资料的有效信息，削弱干扰信息和系统噪声，需要采用插值、滤波、累加生成、归一化、关联度分析等数学方法对量化信息进行处理，分析实时的监测信息。是否得出结果数据 处理判据选择预报结果发布基础数据以及监测数据插值关联度分析归一化结果检验满意否检验反馈处理数据修改模型改进滤波累加生成模型选择与计算空间数据库服务器图2-1基于GIS的单体评判预警模型2.2.4隐患识别预警判据的确定隐患识别预警判据主要是根据

8、矿井自然灾害评价指标体系的知识库，如水害、瓦斯灾害评价指标体系库相关评价指标作为判据。2.2.5预警预报模型选择根据瓦斯、水害等不同矿井自然灾害类型建立不同专业模型库，如瓦斯灾害预测首先依据矿井地质条件和煤层赋存情况建立瓦斯地质分区图，其次依据采掘工程平面图的动态采掘信息与相关瓦斯分区建立联系并进行比较分析确定可采区或未来的可采区是否属于瓦斯警备区。相关的专业模型都统一存储于煤矿空间数据库，依据相关方法调用即可。2.2.6确定预警结果并发布通过模型方法的计算，最终得出矿井自然灾害的评判与预警预报结果。然后利用不断积累更新的更详细的资料，不断修正相关模型及参数，提高预警模型方法的精度和准确性，并

9、最终通过相关负责单位把预警结果发布出去、供相关安全生产部门应用。3基于GIS的区域评判预警模型3.1多元信息综合应用矿井自然灾害主要是地质、水文、瓦斯、气象等因素导致，建立“地质-水文-瓦斯-气象”多元信息耦合的联合隐患识别预警预报模型可提高矿井自然灾害隐患识别的能力与效率，“地质-水文-瓦斯-气象”联合评判预警模型综合了矿井地质区划图、矿井充水性图、瓦斯区域分布图、气象数据及水文数据等四个层次不同类型数据。通过综合应用多元数据及其相关预警评判指标体系，并利用相关评判专业模型库、方法库实现矿井自然灾害评判预警。3.2模型评判预警流程在矿井自然灾害“地质-水文-瓦斯-气象”联合评判预警模型的实现

10、流程中，主要利用GIS强大的空间数据处理能力，可以方便快速的进行数据处理、评价指标体系构建、因子分析、空间数据量化及单灾害因子成图；基于GIS构建专业模型库与方法库，利用模型将不同的灾害因子叠加分析形成危险性区划图；并利用GIS叠加气象、人类活动等诱发因素进行实时评判预警分析，最终基于采掘工程平面图的巷道布置实现矿井自然灾害隐患识别预警指导煤矿安全生产，同时可实现基于WebGIS发布评判预警分析结果。模型具体实现流程如图3-1。3.3模型实现数据要求基于GIS的区域评判预警模型建立和运行需要大量不同类型的数据资料，包括各类历史资料图件，矿井自然灾害实时监测数据等。基于GIS的区域评判预警模型是

11、一个基于数据驱动的动态模型，是灾害数据引发的应用模型。基础历史数据：矿井自然灾害历史数据；矿井自然灾害隐患点分布图；矿井地形地质图；矿井构造地质分布图；矿井水文地质图与矿井充水性图；矿井水文相关曲线图；矿井瓦斯地质图、瓦斯等值线图、瓦斯区域分布图；矿井采掘工程平面图、巷道布置图；矿井地表水体分布；可采煤层底板等高线图。实时监测数据：矿井瓦斯历史数据与实时监测数据；降雨量历史数据与雨量监测数据；灾害点历史水文数据与实时水文监测数据；矿井顶板压力监测实时数据。 煤 矿 自 然 灾 害 区 域 危 险 性 评 价 评价要素专题图 空间单元格划分 模型运算 危险性区划图因子与灾害相关性分析 区划模型库

12、 评价模型1 评价模型2 。 模型选取 参数调整 瓦斯判据 水文判据 预警分区 预警结果 专家会诊 不同模型危险性区划结果对比 不一致 一致 不一致 一致 区空间分析 线空间分析 点空间分析 缓冲区分析 最短路径分析 直接转换 分类进入 空间数据库 表格数据 实时监测数据 历史资料 动态开采数据 键盘输入 数据接口 数字化转换、扫描 实际发灾情况 灾害数据库 瓦斯资料 水文资料 气象资料 地质资料 耦合叠加 叠加诱发因素 分片预警判断预警结果对比图3-1基于GIS的区域评判预警模型3.4模型实现工作流程基于GIS的区域隐患识别预警模型的具体实现流程主要包括原始数据处理，危险性预警区划与模型库构

13、建，灾害临界判据的确定，动态数据获取与评判预警模型运算及预警产品的制作。原始数据处理：矿井自然灾害隐患点数据处理，主要是在相关专业图件上展开矿井自然灾害隐患点成图，不同类型的灾害点按不同的符号表示出来，形成灾害隐患点分布图；灾害背景因子数据处理，利用不同数据源获得的数据按照建立的指标体系分别将其纳入GIS格式的单因子图层，一些因子图层可在GIS中利用原始数据进行生成，比如依据断层数据实现缓冲区分析，将其作为基础因子实现导水断层的水文地质灾害隐患识别预警分析等。灾害因子分析，利用灾害隐患点与评价指标体系建立空间分析，实现各个灾害因子图层与灾害隐患点之间的评判关系，利用GIS中的空间分析功能实现灾

14、害隐患点图层与各因子图层的叠加分析，并最短路径分析或缓冲区确定灾害隐患点存在灾害的可能性，实现评判预警。危险性区划与模型库建立：根据瓦斯、水害等不同矿井自然灾害类型建立相应的专业模型库，如瓦斯灾害预测首先依据矿井地质条件和煤层赋存情况建立瓦斯地质区划图，其次依据动态采掘信息、实时监控数据与相关瓦斯分区建立联系并进行比较分析确定可采区或未来的可采区是否属于瓦斯警备区、瓦斯报警区等。评判预警判据的确定：评判预警判据主要是根据矿井自然灾害因子评价指标体系的知识库，如水害、瓦斯灾害评价指标体系库相关评价指标作为判据。评判数据获取：评判数据主要包括历史数据与实时动态数据。其中历史数据主要来源于相关矿井空

15、间数据库中心，主要包括各类图形数据、属性数据与图像数据等；实时监测数据通过监控硬件设备与系统获取实时传输到监控数据中心，并发送到矿井空间数据库中心实时提供给评判预警服务与应用。评判预警模型运算与结果发布：主要依据动态监控实时数据与区划图叠加，并利用GIS模型库与空间分析方法参照灾害因子评价指标体系在矿井自然灾害隐患点区划图上实现灾害的评判预警，形成预警预报结果图，最终可以采用不同形式进行发布。4区域单体联合评判预警模型基于GIS的区域预警模型和单体预警模型是相互关联的，它们各有侧重，又相互补充，两者的联合预警预报具有很大优势。其中基于GIS的区域评判预警模型能在宏观上给出矿井自然灾害危险度在整

16、个区域的空间分布，并可指导单体预警预报工作的开展，例如典型灾害体选择、监测点布设等；而基于GIS的单体评判预警模型能对特定的灾害监测对象给出相对准确的预警预报，并可对区域预警预报进行验证；两者的联合应用将会极大的提高预警预报的效率和准确性，具体实现流程如图4-1。5结束语区域评判预警方法能从宏观上把握矿井自然灾害发生的规律，这些规律用于单体评判预警的机理分析，而单体的机理分析又可为区域预警预报指标体系的建立提供参考依据。矿井自然灾害隐患的预警预报主要偏重于少数重点灾害隐患点（如瓦斯、水害）评判预警，基于GIS的单体评判预警模型应用相对较多，而基于GIS的区域评判预警模型主要侧重矿井整体自然灾害

17、隐患的预警预报。为此，在矿井自然灾害隐患识别中通常应用区域单体联合隐患识别预警模型，但要依据具体情况采用。但不论何种矿井自然灾害的发生都是来源不同的异常数据出现，把握相关危险源数据规律、建立相关预警模型是实现矿井自然灾害隐患识别与预警预报的基础。区域模型计算单体模型计算区域预警结果单体预警结果专家会诊专家会诊区域单体预警结果发布专家会诊数据访问煤矿空间数据库实际矿井灾害发生情况有效性验证因子参数选择单体预警模型选择因子参数选择区域预警模型选择区域模型反馈单体模型反馈区域、单体差异检验单体预警点选择差异在允许范围内不一致区域单体联合评判预警差异超出允许范围差异超出允许范围不一致区域模型反馈单体模型反馈图4-1基于GIS的区域单体联合评判预警模型参考文献1江东、王建华、陈佩佩，基于GIS的煤矿底板突水预测模型的构建与应用，中国地质灾害与防治学报，1999，10，（1）：67-72；2金菊良、魏一鸣、付强、丁晶，改进的层次分析法及其在自然灾害风险识别中的应用，自然灾害学报，2002，11，（2）：20-24；3毛善君，煤矿地理信息系统数据模型研究，测绘学报，1998，27，（4