郭婵妤，梁叶萍

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

矿井水害是我国煤矿主要灾害形式之一，建国以来发生过各种矿井突水事故3 000次以上。矿井水害具有较大、重大事故多发甚至反弹，威胁煤炭资源及矿井生态环境安全等特点。因此，如何利用云计算和大数据技术，建立煤矿水害远程监测预警系统，为煤炭资源安全高效生态开采提供技术支撑，成为众多学者研究的课题。目前，煤矿水害预测系统缺少成熟的多因素水害监测和大数据基础，不能进行有效的远程预警[1]。本文设计了一种基于大数据的煤矿水害远程监测预警系统，可将动态数据和静态数据有机结合，实现基于互联网的多用户在线操作，为矿井水害预测提供了新的技术和方法。

1 系统设计目标

基于现有煤矿水害监测技术，建设与之匹配的信息管理、专家决策和网络发布子系统，建设可存储煤矿静态数据(地质与水文地质资料)与动态数据(生产动态与水害监测实时数据)的数据库，最终集合形成煤矿水害远程监测预警系统，实现对数据的管理、分析、预警与信息发布；开展预警系统模拟测试，针对出现的问题进行调整优化；开展小规模预警系统现场测试，实现矿井水害监测系统、传输系统与预警管理系统联合运行。

2 系统设计

2.1 确定矿井水害监测指标

影响矿井水害的因素有很多。综合前人的研究成果，首先对矿井主要突水模式进行分析，明确其地质和水文地质条件，查清矿井充水因素并进行分析[2]。依据充水水源、充水通道等对煤矿突水模式进行分类；然后从煤层底板应力状态、顶底板岩石运动规律、底板破坏深度、导水带、隔水关键层、阻水性能等方面对矿井突水机理进行研究，确定煤矿潜在突水模式，并对各种潜在突水通道进行详细分析研究。其次对影响矿井突水的基础因素如断层、陷落柱、底板岩层岩性及其组合特征、含水层富水性、含水层水头压力、地应力、矿山压力、顶板导水裂隙带、老空水分布、封闭不良钻孔等进行分析，对井下实际涌水点资料进行大数据分析，来确定与突水灾害有关的各种关键因子。最终从矿井水害众多监测指标中选取了最有效、最直接的六大煤矿水害监测指标，见表1。

表1 监测指标及设备

2.2 系统总体结构设计

基于大数据的煤矿水害远程监测预警系统主要针对煤矿企业，利用大数据技术和计算机技术，采用统一的软件设计标准进行设计，总体结构由信息管理及专家决策子系统和网络发布子系统两个业务子系统组成(图1)。

信息管理及专家决策子系统主要实现对矿区数据、监测点数据、监测数据管理、专家决策、预警管理、数据检索、数据分析、数据输出等；并实现分角色、分权限的系统用户管理和访问控制。

网络发布子系统是以WebGIS为实现方式、基于GIS平台所构建,以实现对具有现实性、动态性、空间性的监测及相关数据的共享。主要包含对基础数据、资源数据与开采技术条件数据的查询，开采状态数据、实时监测数据的动态关联展示和异常数据的警示功能。

2.3 系统功能模块设计

基于大数据的煤矿水害远程监测预警系统主要功能模块包括数据库、信息管理及专家决策子系统、网络发布子系统和煤矿水害远程监测预警管理系统[3-4]。

2.3.1 建立数据库

数据库数据内容主要包括矿区现有地质及水文地质数据、监测点位置的静态数据和监测获取及系统产生需要发布的动态数据。数据通过数据导入、接入到数据管理子系统Oracle 11g数据服务器中进行管理，在数据管理系统中形成的预警信息导出为共享格式的数据，在基于大数据的煤矿水害远程检测预警系统中进行发布，或者在其他应用系统中使用[5]。通过建立数据库，方便实时更新煤矿水害的各个监测指标数据，在煤矿开采中，用户也可以随时修改及编辑各类数据，保证后续预测分析结果的可靠性。

2.3.2 建立信息管理及专家决策子系统

该子系统主要包括信息管理和专家决策两部分。

1)信息管理子系统。主要包括基础数据管理、监测点管理、监测数据管理三部分。基础数据管理主要为煤矿矿区静态数据的管理，具有对矿井各种图形数据加载、编辑、删除等能力；监测点管理主要包括对水量、水温、水位、水压、变形量以及水质等六类监测点的管理能力，监测点管理能够实现监测点位置信息在图形上数据增加、修改、删除功能；监测数据管理主要包括对六类监测点动态数据的存储和管理，将这六类数据进行分标管理和对时间字段进行索引，以提高检索效率，监测数据管理可以实现六类监测数据动态显示、按时间查询、数据列表显示、数据曲线显示、曲线图导出、数据导出等功能。

图1 系统组成与功能结构Figure 1 System composition and functional structure

2)专家决策子系统。主要包括确定预警阈值和建立预警决策模型[6]。预警阈值的确定主要是根据矿井静态数据和动态监测数据，结合矿井历史数据，利用不同的数学模型(如神经网络法、遗传法、灰色系统理论、模糊数学法等)，对矿井主要突水模式和影响因素进行分析，通过分析确定合适的水害监测预警阈值；预警决策模型主要包括超限预警、变化异常预警、变化趋势预警、井下分站预警以及报警信息发送自动化等(图2)。

a.超限预警 b.变化异常预警 c.变化趋势预警图2 预警类型Figure 2 Early warning types

在确定预警阈值和建立预警决策模型之后，该子系统在基础数据的基础上，叠加动态监测数据，对历史动态数据分析计算出六类监测指标的平均值、最大值和最小值，将这些值与预警阈值相比较，对到达或超过预设条件的，系统会自动生成报警短信，自动发送至相关负责人移动设备，同时系统主机发起报警。

2.3.3 建立网络发布子系统

该子系统负责基础数据、监测数据、预警信息发布及查询功能，能在图中直观、全面的反映出矿井水害可能发生的区域等。该系统采用基于WEB技术来实现基础数据、六大监测指标监测点基本信息发布和动态数据发布，为用户提供查询(图3)。

图3 网络发布子系统Figure 3 Network release subsystem

2.3.4 搭建煤矿水害远程监测预警管理系统

基于SOA将数据库、信息管理和专家决策子系统、网络发布子系统集合形成煤矿水害远程监测预警管理系统。SOA模型将不同功能单元通过单元之间定义良好的接口和契约联系起来，使各种系统中的单元利用一种统一和通用的方式进行交互，向集成后的预警管理系统输入不同范围的模拟信号，测试预警效果。

3 系统软件设计

该系统基于C/S和B/S混合的架构模式实现了煤矿水害远程监测预警，系统需要存储海量的数据，包括AutoCAD和GIS矢量图形格式文件，监测静态和动态数据存储在Oracle 11g数据库服务器中[7]。本系统采用了ArcGIS+Oracle的开发模式，基于GIS平台构建，不仅实现了对动态、静态数据的管理、共享、分析，还能够对异常数据进行警示、对预测结果进行网络发布，方便用户管理与分析。系统软件流程如图4所示。

图4 系统总体数据流程Figure 4 System overall data flow

4 系统应用测试

系统按照兼容性、实用性、标准化及可扩展性原则实现了信息管理与专家决策子系统和网络发布子系统。系统采用了ArcGIS+Oracle开发模式实现系统静态和动态数据综合管理，并按照相关标准设计了动静态数据库，实现了图形文件的加载和卸载、煤矿底图转换和切换。系统能够适应不同煤矿的工作模式，按照煤矿底图切换、监测点信息入库及接入动态数据、不同煤矿专家决策模型参数设置等方面进行切换，最终实现系统应用。

系统以山西省王庄煤矿为试点。王庄煤矿初建于1947年，面积79.68km2。2008年批复核定生产能力为710万t/a，批采3号煤层。3煤层赋存于二叠系山西组中下部，平均厚度6.69m。利用煤矿水害监测预警系统对该煤层的水害进行预测。根据煤矿的工程地质条件、水文地质条件以及开采条件，可确定该煤矿的主要水害，确定监测指标，并将指标阈值输入系统。利用该系统对煤矿的水害进行监测预警，并对该系统的实际应用效果进行测试。首先收集的煤矿的防治水中长期规划、矿井水文地质等报告以及煤矿水文地质图和采掘工程平面图、煤矿以往监测点的监测数据(图5)。对以往数据进行分析，到煤矿现场进行系统安装，然后加载煤矿底图(图6)，录入监测点信息(图7)，接入监测设备的监测数据(图8)，系统对自动读取的动态监测数据进行分析，经过专家分析后，设置预警阈值(图9)，完成系统搭建。

如图10所示，一台计算机进行基础数据管理、查询等操作，另外一台计算机进行动态监测数据显示和监控。当监测值达到系统设置的报警条件后，系统自动报警，发送报警的监测点在地图上闪烁，并发出报警声，同时向移动设备发送消息(图11)。通过测试，该设备软件功能完备，界面较友好，反应迅速，实用性强。

图5 站点编号为3450040000004的温度监测数据片段Figure 5 Site number3450040000004 temperature monitoring data segment

图6 加载王庄煤矿底图Figure 6 Loading Wangzhuang coalmine base map

图7 监测点基本信息录入Figure 7 Monitoring site essential information logged in

图8 动态监测数据显示Figure 8 Dynamic monitoring data display

图9 阈值预警设置Figure 9 Threshold warning settings

图10 计算机工作画面Figure 10 Computer work screen

图11 水温异常报警Figure 11 Water temperature anomaly warning

5 结论

根据煤矿水害特征设计的基于大数据的煤矿水害远程监测预警系统，充分利用数据库的管理能力，与监测设备采集的数据进行对接，同时专家决策子系统根据数据库中的数据进行分析、学习，形成预测结果。系统应用表明，系统运行良好，实用性强，能够及时发现监测指标异常，并自动报警，为煤矿水害远程监测预警提供科学的决策依据。