煤矿地质灾害救援三维可视化预警系统的设计

孙树根

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿，山西 长子 046600）

山西潞安矿业集团慈林山煤业有限责任公司李村煤矿位于山西省长子县，矿井设计生产能力为800 万t/a，可采储结构9800 万t，服务年限33 年。当前煤矿主要开采3#煤层，采用立井开拓式，一次采全高采煤法。为加强煤矿地质灾害救援的力度，该煤矿设计了煤矿地质灾害救援三维可视化预警系统，为该煤矿地质灾害救援提供基础信息和决策支持。

1 系统设计概况

煤矿地质灾害救援三维可视化预警系统设计目的是立体、生动展示矿井地质和煤层特征以及采掘和安全生产态势，为煤矿探采方案确定、安全生产保障和地质灾害救援提供支持，同时为非地质采矿专业人员提供专业交流指导，为技术汇报和决策提供帮助。李村煤矿地质灾害救援三维可视化预警系统主要内容：

（1）整合煤矿地质构造、矿体和安全生产状况，对生产和安全预警信息进行统一管理，为煤矿灾害救援决策提供技术支持。

（2）实现煤矿基础地测信息多部门共享与交流，基于采掘工程平面图实现地质构造、采掘工作面动态情况的立体、实时管理与分析，对煤矿安全生产和调度起指导性作用。

（3）实现煤矿地质环境和安全态势的动态监视。随着采矿工作的不断深入，井下地质和采掘数据以及安全设施不断增加，对采矿作业的控制越来越精确，系统可实现动态更新。

（4）集成已有矿井安全避险“六大系统”，通过互联网实现远程立体化监控。“六大系统”包括监测监控系统、人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水救施系统和通信联络系统，重点突出瓦斯、水位、风量的监控以及人员定位信息查询、避灾线路展示、救险设施布置显示等。

（5）系统集成了服务于煤矿地质灾害救援的决策辅助工具，如淹没分析、钻井设计、事故模拟等，提高地质灾害救援决策水平。

2 系统设计方案

针对李村煤矿地质灾害救援三维可视化预警系统的目的要求，对系统主要功能需求进行归纳：

（1）对煤矿各类数据资料进行收集、处理，对煤矿基础数据库架构与表结构进行设计，完成完整的煤矿基础数据库建设。

（2）研究井下不同类型构造的建模算法与可视化表达方式，包括地形、煤层、巷道、钻孔等。基于OGRE 引擎开发出一套适合煤矿企业应用的三维可视化基础数据库，依据现有数据资料，搭建出煤矿的三维可视化场景，建立三维煤矿模型，模拟煤矿地上地下场景、采矿过程及其引起的其他相关现象，真实再现煤矿生产建设的客观情况。

（3）结合部门和专业需求，提供全新的三维操作与显示功能。

（4）引入动态业务数据和实时数据，实现跨系统整合与一站式管理。

（5）在各系统集成平台之上，实现对煤矿的统一管理。模拟事故发生时钻探救援方案的制定，为安全救援提供辅助决策。

（6）在对历史煤矿事故调查分析的基础上，模拟煤矿事故动画，立体展现事故过程。系统研究的技术路线是在对地质实体进行资料加工的基础上建立数据库，利用OGRE 三维引擎构建煤矿虚拟现实系统，然后设计用户交互界面，集成煤矿安全避险“六大系统”，最后开发适合于煤矿地质灾害救援的决策支持工具。系统技术路线图如图1。

系统主要结构分数据库建设、煤矿三维引擎封装和应用系统开发与集成三个部分，对其总体架构进行了设计和业务逻辑的分层划分，如图2。

图2 系统架构图

系统主要技术方案是以OGRE 三维引擎为主要架构，以C++为程序设计语言，MySQL 作为数据库平台，QT 作为交互界面系统来实现的。由于各主要平台工具都选择了开源工具，系统是独立开发且具有自主知识产权的。

系统总体设计原则：建立以地表、煤层和巷道系统为核心的三维场景，然后将“六大系统”以巷道数据为依托定位集成到系统中，这样可保证所有“六大系统”和巷道系统的一致性。

3 系统的主要功能分析

实现过程包括：资料准备和处理、三维建模、数据库操作、三维引擎代码编写和相关工具开发。

3.1 煤矿基础数据的获取、处理和建模

煤矿基础数据是指在煤矿空间区域范围内以三维坐标形式组织起来的井上、下各类对象的地理空间基础信息，它包含了地表、地质构造、巷道、钻孔以及各类生产系统的矿用设备等信息。根据空间数据类型的不同，可把数据划分为栅格、矢量、模型等多种类别。这些数据的主要来源有矿区实际测量、遥感影像、外部模型构建、各类图件数字化以及井下设备安装部署资料等。

煤矿地面模型采用数字高程DEM 建模，然后辅以遥感卫星图片作为贴图。地表建筑采用3DMAX 建模，然后利用开发的空间工具导入系统中。钻孔数据依据钻孔资料建立三维模型并贴图地层符号进行渲染处理，煤层（地层）模型依据煤层底板等。

巷道数据主要根据矿区提供的井上下对照图、采掘工作平面图等图件，进行巷道拐点坐标的提取。巷道拐点也称巷道导线点，在巷道走向不规则处，加以巷道拐点到巷道左侧、右侧的距离，即巷道拐点到巷道左帮、右帮的距离，由此来获得巷道中心线点的坐标。建立巷道数据库，存储巷道名称，每条巷道按照起始点进行提取坐标与高程。利用中心线和截面类型进行巷道建模，并处理巷道连接和转弯，正确表达巷道间的拓扑关系，最后对应支护类型进行贴图渲染。特别指出，巷道模型的处理是本系统的关键所在，也是监测监控和安全救援系统的依据。

矿井安全避险“六大系统”建设中涉及很多传感器及其他安全设施，包括监测监控装置、读卡器装置、庇护所、救生舱、压风自救装置、矿井电话等。对这一类对象位置信息的处理，本系统依据对应设施的布置图，以处理后的巷道导线点数据为主要参照，来确定每一个装置的坐标点位置。对每一类型的装置补充完整其他属性信息，例如设备名称、运行状态、生产厂商等，建立设施数据库和模型库，然后放置到对应巷道坐标位置，从而保证了安全设施和巷道系统的一致性。总之，对于煤矿地质、生产和安全数据，综合采用DEM、数据建模和手工模型多种方式的联合建模构建了适用于煤矿地质灾害救援需要的数字煤矿模型。

3.2 数据库的建立和管理

利用开发的MySQL 数据库系统对数据进行搜集与预处理后，将煤矿数据整合为以下几种基础数据：巷道数据、钻孔数据、煤层数据、断层数据、工作面数据、影像数据、DEM数据、设备模型数据等。其中，设备模型数据记录有煤矿安全信息。二进制流数据（Blob/ Image）是将煤矿数据以二进制形式进行存储，以减少数据量，提高数据保密性。针对煤矿地质、生产和安全数据的复杂性与加工难度，专门开发了数据加工工具，来完成基本的数据库插入、删除、查询、更新操作，并完成煤矿数据的存储管理维护，保证系统的动态更新和安全。

3.3 三维引擎的实现

利用OGRE 三维可视化引擎框架，实现系统的三维模型导入、渲染显示和交互操作。OGRE 体系结构主要包括四大块：场景管理、资源管理、渲染系统和渲染插件体系。数字煤矿三维引擎在OGRE已经实现的主要功能基础之上，增加了项目管理、分层加载、显示控制模块，并开发了模型选择、数据查询、测量工具等模块。

3.4 与安全救援“六大系统”的集成

将现有矿井安全避险“六大系统”的数据通过布设方案和基础煤矿场景进行集成，并利用互联网传输监测监控数据，从而完成远程实时立体监控。将“六大系统”的数据分为基础数据和实时数据分别进行处理。基础数据通过建立布设数据库和模型数据库，通过与巷道系统的结合，在三维系统中可以显示和查询相关设施数据。实时数据则利用现有监测监控系统的数据，通过互联网以VPN 安全网络方式传输数据，在系统连接远程数据源后，能够在三维场景下显示实时监测监控数据和报警数据，其中最重要的数据来自监测监控系统和人员定位系统。

3.5 灾害救援辅助决策模块的开发

针对煤矿地质灾害救援需求开发了一系列辅助决策工具，包括测量类工具、路线展示、淹没分析工具、历史事故分析和钻探方案工具等。其中，测量类工具包括距离和最短路径查询等，路线展示包括避灾路线、通风、供水、通信线路展示等，淹没分析工具用于分析井下巷道淹没情况，钻探方案工具则是针对事故发生地选择最合理的钻探方案的辅助工具。

4 结论

针对李村煤矿的数字信息化建设及灾害救援等系统集成建设的需求，结合地理信息系统技术、地图学理论、三维可视化虚拟技术，基于OGRE 引擎开发出一套煤矿地质灾害救援三维可视化预警系统管理软件，为煤矿安全生产和管理提供技术支持。该系统在李村煤矿的实践应用，有效地提高了该煤矿地质灾害的预警信息水平，提高了地质灾害救援效率。