可视化空间分析在水体下采煤中的应用研究.pdf

42 东 瞧晨 斜l技 2 0 0 3 年 第1 期 可视化 空 间分 析在水体 下采煤 中的应 用研 究 淄博矿业集团许厂煤矿刘增平 江兆利 吕卫东 摘要可视化空间分析可获取多属性复合信息图形与图像， 增强空间表现能力， 降低覆岩结构分析技术难度， 提高水体下 采煤技术的分析 水平 。 关键词水体下采煤可视 化空间分 析 基于 G 1 S G e o g r a p h i e ,d I n f o r m a ti o n S y s t e m地理信息 系统 的 缩写 的水体下采煤可视化预测分析系统， 是以 G I S为平台， 以煤层覆岩破坏、 覆岩结构分析等专业技术为基础建立的地 下空间概念上的可视化空间分析系统。主要包括覆岩结构 因素特征空间分析、 覆岩破坏高度预计等， 并通过可视化预 测分析给出水体下采煤可行性、 安全性评价， 以及简要的安 全技术措施。 1 可视化空间分析的必要性 覆岩结构分析是水体下采煤技术中的一个重要环节， 其 技术难度大， 空间概念强， 特别是其直接决定着水体下压煤 能否安全、 合理地开采。覆岩结构分析建立在地下空间分析 基础上， 主要包括覆岩结构因素特征分析、 覆岩类型划分、 覆 岩破坏高度预计等。 基于 G I S 的水体下采煤可视化空间分析方法， 可获取一 些能够更好地描述覆岩结构主要因素特征的新信息和多属 性复合信息， 增加覆岩结构分析的新 内容 ， 提高水体下采煤 预测分析精度和分析水平； 利用多种类型、 直观的空间图形、 图像信息及其显著的视觉效果， 使无水体下采煤经验的人员 也能较快地建立空间概念， 加深对开采方案的理解。 2 空间数据库简 述 2 ． 1 空间数据 的特征 1 空间性。这是空间数据 区别于其他数据的标志特 征。空间数据侧重 于描述空间对象的空间位置、 形态， 甚至 对象的空间拓扑关系。例如对于含水层、 不但要描述含水层 的空问位置、 形态， 还要描述与工作面、 隔水层的距离、 渗透 性， 与其它含水层、 断层之问的水力联系等空间关系。 2 抽象性。空间数据必须经过抽象处理。不同主题的 空间数据库， 不同的抽象中， 同一对象表示会有不同的寓义。 如含水层既可以被抽象为水源 水资源 要素， 也可以被抽象 为主要防范对象、 主要充水要素等。 3 多尺度与多态性。不同的观察尺度和抽象具有不同 精度和不同的态性。例如， 断层构造在小比例尺或平面分析 时， 可视为线状对象， 但在大比例尺或空间分析时， 将被作为 面状对象处理 ， 分析其与含水层的空间关系。 4 多时空性。空间数据具有很强的时空性， 根据侧重 点或分析目的不同， 需要采用不同时空对地理空间进行表 达。例如， 顶板砂岩含水层在开拓期和回采期具有不同的时 空特征 ， X 寸 开拓和开采有不 同程度 的影响。 2 ． 2 空间数据模型 G I S 主要通过两种数据结构模型来实现空间数据的拓扑 关系定义， 即矢量数据 P O L Y V R T结构 模型和空间实体模 型。当前技术上最成熟的是关系型数据库技术， 新型的基于 关系型数据库的G I S无一例外地采用空间实体模型。 2 ． 3 空间数据 索引机制 从属性信息查询空间信息时， 系统先在属性数据中找到 相应的记录1“1 ， 则在交叉索引数据中找到 n 指针， 该指针所指 向的地图对象就是与属性数据库记录相对应 的空间对象。 反之， 当在平面图上选定 点亮 一个图形对象后， 例如， 选定 某钻孔， 其指针则指向该钻孔的属性数据。为达到快速查询 的目的， 例如， 为方便查询含水层， 则指定索引字段后， 系统 将自动对含水层属性数据建立索引。 2 ． 4 水体 下采煤专业数据库 水体下采煤可视化预测技术特点的内涵主要是空间分 析， 如对水下采煤主要因素进行特征提取与合并， 以及拓扑 叠加等空间分析， 其外延则是空间分析取得的各种携带新信 息特征的图形、 图像。根据水体下采煤可视化空间分析的需 要， 主要设计以下空间实体模型数据库 钻孔 主要有孔号、 序号、 岩性 、 层厚、 累厚、 描述等字段； 覆岩结构 主要有底含厚度、 底粘厚度、 基岩厚度、 煤层 厚度、 风化带厚度、 岩石抗压强度、 R Q D特征值、 类型等字段； 工作面 主要有采厚、 采煤方法、 走向长度、 倾斜长度、 顶 板类型等字段； 钻孔数据库是覆岩结构的可视化空间分析中最重要的 数据库， 系统根据该数据库经过专业技术分析 自动建立描述 覆岩结构因素特征的覆岩结构数据库 系统允许用户补充 数据或根据需要建立新的空间实体模型数据库。 3 可视化 空间分析方法 1 首先收集整理原始地质、 水文地质资料， 将采掘工程 平面图进行扫描、 矢量化处理， 同时分别建立具有专题属性 信息的工作面、 巷道、 构造、 钻孔 柱状图 、 建筑物等主要图 层 数字化信息图 。通过系统功能， 可很方便地生成传统预 维普资讯 2 0 0 3 年第1 期 童瞧晨 甜技 测分 析的含水砂 层 等厚线 图 、 底 粘等 厚线 图 、 基岩面 等高线 图 、 风化 带等厚线图 、 基 岩等厚线 图等 图件 根 据需 要 ， 亦 可 将其转换为3 D彩色图像 ， 以不同的比例从不同方位和视角 观察 或打印输 出 。 2 空间分析 是 G I S的有 效 的基本 分析 功能 之一 ， 是 在 具有完整 的 、 携带全部地 质采 矿信息 的 空 间数据 和属性 数 据 数字化信息图上进行的空间操作， 是以空间的定位数据 为基础 ， 通过数据问的空间操作确定空 间要 素 中新 的属性特 征及其相互问联 系 的一种方 法 较 常见 的空间分 析有拓 扑 叠加、 特征提取和合并、 缓冲区生成等。空间分析在水体下 采煤覆岩结构可视化分析中可以获取多属性复合信息要素， 提高水体下采煤预测分析质量、 精度和速度。 4研究实例 许厂矿 1 3 0 采 南翼 3 煤 采深 2 5 0 ～2 6 0 m， 煤 层厚 度 4 ～ 6 m， 倾 角 。 ～7 。 ， 采 用长壁综 放 开采。第 四系下 组含 水 砂 层水 为主要防范对象 ， 下 组底部 为粘土层 ， 厚 度 2～3 4 m。基 岩厚度 4 0～8 0 m， 基岩面起伏变化大， 对水体下采煤极为不 利。开采上限将由基岩柱厚度 6 0 m提高到4 5 m。 1 按照采厚 5 m计算预计最小防水煤柱尺寸为 4 8 ． 5 m。 为此， 在基岩等厚图层进行属性特征提取。设条件为 基岩 厚度≤5 0 m， 提取结果 图 1 比传统图件更为直观地显示出基 岩厚度不满足 防水煤柱尺寸 的区域及其 空间分 布。 图 1 a 基岩厚度 ≤5 0 m区域等值线 图 图 1 b 基岩厚度 ≤5 0 m 区域 3 D视 图 2 在某种条件下， 水体下采煤视第四系底粘和基岩具 有类似 的属性 ， 即均为 隔水层 的组成 部分 。根 据对底 粘 、 风 化带等其它空间分析的结果， 由于本区南翼具有基岩厚度分 布小的块段恰为底粘厚度分布大的区域等特殊条件， 因此 ， 在基岩等厚 图层 和底粘 等厚 图层进行 属性 数据 特征提 取与 合 并。设提取条件为 底粘厚度 ≥3 m， 基岩厚度 ≥2 5 m， 提取 、 43 合并和拓扑叠加后的信息层按其属性特征称为基岩和底粘 等厚线 图 图 2 。由图可见 ， 本 区南翼工作 面覆岩 基岩 和底 数最小厚度大于 4 8 m， 满 足 防水煤 柱要 求 的尺寸 ， 且具有 留 设防砂煤柱 的可能 。 图 2 a 基岩和底 粘等厚线图 图 2 b 基岩和底粘 3 D视 图 3 可视化预测系统最终给 出综 放工作 面“ 两带 ” 高度 发 育图 从略 和安全性 预测 安 全程 度较高 ， 不 会 出溃水溃 砂 现象 。 5 结束语 基于 G I S的可视化空间分析方法， 将传统技术与计算机 信息处理技术有机地融合， 改变了水体下采煤预测分析手段 落后 的状态 。该方法可 获取多属性 复合信息要 素 ， 其 丰富 的 图形 、 图像功能， 增强了空间表现力， 降低了覆岩结构分析技 术难度 ， 提高了水体下采煤技术分析水平 作者简 介刘增平男 ， 1 9 6 5 年 出生 ， 高级工程 师 ， 1 9 8 8年毕 业 于山东矿 院 采矿 系 ， 现 为淄博 矿 业 集 团许 厂煤 矿总 工程 师。 维普资讯