山东煤矿勘查管理系统的功能与应用
时间：2023-02-09 19:35:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王 娜
(山东省鲁南地质工程勘察院，山东 兖州 272100)
现代信息技术为中外采矿行业带来了深刻影响。国际上，加拿大于20世纪90年代起，研究遥控采矿技术，并进行试用，效果良好。已制订出一项拟在2050年实现的规划：通过卫星操纵矿山设备，实现对北部地区一无人矿井机械自动破碎和自动切割采矿。芬兰于1992年宣布了涉及矿山信息网建设、采矿实时过程控制、资源实时管理、自动控制和新机械应用等智能采矿技术方案[2]。我国矿产资源领域总体信息化水平不够高。近年来，领域内现代信息化发展呈现良好发展态势。国家计委、信息产业部于1999年印发《“十五”期间国家信息化发展战略和规划思路》，明确提出要利用信息技术改造提升能源、矿山等传统产业。党的十六大报告也指出：坚持以信息化带动工业化，以信息化促进工业化。2004年4月中国科协青年科学家论坛第86次活动以“数字矿山战略与未来发展”为主题[3，4]。我国科研单位也纷纷开展了矿产资源领域信息化系统建设工作，如矿山地理信息系统(MGIS)、三维地学模拟(3DGM)，矿山虚拟现实(MYR)等。总体来看，研发成果局限性明显[5]。
目前煤炭资源勘查数据管理系统建设相对落后，大量煤矿地质项目资料仍以纸质图纸、文档、光盘或简单的电子图件保存，不利于成果的长期保存和数据库式管理。对煤炭资源开发利用的整体设计，大多基于计算机自动模拟，其计算逻辑存在一定的局限性。同时，复杂的地质条件完全模拟难度极大，在指导生产过程中，会造成信息数据丢失，降低决策结论科学性。因此，对煤矿勘查管理系统建设，不仅提高了煤矿勘查各个阶段的数据管理、图件绘制、煤矿建模与资源计算的工作效率，而且对于我国煤炭地质行业的发展及社会经济发展都有不可估量的作用[1，2]。
随着大数据时代的来临和“智慧山东”建设的推进，加快地质数据库建设，利用信息化手段创建地质矿产勘查开发工作基础研究和综合开发平台，开展地矿工作智慧化管理，不断提升地质工作信息化、现代化水平，积极构建“智慧地矿”，能够更好地服务山东省经济社会发展。为此山东省地质矿产勘查开发局研制开发了煤矿勘查管理系统软件，山东省鲁南地质工程勘察院以山东省地质矿产勘查开发局资料室收集的三十个煤矿勘查项目作为软件研究利用对象，通过煤矿勘查管理系统，可实现勘查数据的一体化数据库式管理，将勘探工程数据(取样、煤质、勘探工程)、钻孔柱状图、剖面图、地形(煤层)等高线图、三维地质模型及可视化等多专题数据进行无缝连接与整合，基于煤层、构造、剖面岩石轮廓界线多源数据创建煤炭地质勘查区三维区域地质模型。
煤矿勘查管理系统以GIS为信息处理中心和主控平台，以GPS技术和专业信息获取技术为手段，运用采集、存储、管理、分析和评价等方式，对煤矿勘查区与空间地理分布有关的数据的空间信息系统。通过煤矿勘查管理系统的功能模块，开展对煤炭资源信息的综合分析、管理、处理和应用[6，7]。
以煤矿基础地质和矿产地信息为基础，对全省普查、详查、勘探等不同勘查阶段的所有煤矿矿产勘查资料(包括新形成的资料)分矿床进行数据库建设，包括矿床基础地理地质、物化探、矿山矿权地信息、储量信息、矿产图件、勘查资料、工程勘探等数据有机的结合起来，实现煤矿资源勘查信息的三维可视化查询、集成管理和分析应用。为专业人员提供专业的数据管理和分析系统，为领导决策人员提供快速的成果浏览，辅助找矿探矿、矿产资源经济评价及开采控制与规划各方面的支持决策，促进煤矿矿产资源的发现、矿产资源的经济评估及其合理开发利用，为煤矿矿产勘查规划、矿产项目管理监督、矿业权管理监督等相关工作提供辅助支持[8]。煤矿勘查管理系统架构图(图1)。
图1 煤矿勘查管理系统架构图Fig 1.Framework of Exploration Management System of Coal Mine
(1)煤矿勘查信息全方位获取：实现对煤炭地质勘查成果数据、基础地理地质数据、分析评价数据等多源异构多层次数据的分类存储与管理，实现对这些数据的快速全方位获取。主要涉及数据包括：区域地理和地质信息获取、煤炭地质勘查区信息获取、地质勘探成果及矿点信息获取、采样点及化验项目信息获取[9]。
(2)煤矿勘查数据信息查询：支持各种方式煤矿矿产资源数据的属性查询，主要包括勘查区、矿区、矿权、钻孔、煤质、环境、储量等数据查询。
(3)煤矿勘查综合信息统计分析：系统提供勘查程度、勘查区资源量、区域煤类分布、区域规划矿区分布等综合信息的统计功能，查询统计结果表达方式有三种：以图表形式给出，生成直方图、饼图、柱状图等统计图，图表能自动嵌入到WORD文档中并可进行编辑；
附表以Excel格式输出；
生成统计标注，在区域地质图中叠加显示[10]。
(4)煤矿勘查成果资料信息挖掘：快速查询检索各种煤矿勘查成果资料，快速挖掘包括专业图件或者电子文档等多种数据。主要包括：煤矿勘查资料挖掘、综合评价分析成果信息挖掘、煤矿矿区储量资料挖掘。
(5)煤矿矿产勘查储量资源估算：储量估算图是地质专业人员根据煤层形态、地质构造、煤类分布等约束信息，进行储量块段划分并进行资源/储量估算。根据地质块段法原理，产生“若干个不同厚度的理想板块体”的条件。提供通过鼠标勾线方式，将一个矿体划分为若干个块段，通过每个块段面积与块段范围内勘探工程上煤层平均厚度计算各个块段的资源量，并可设置注记将其标识在矿体图上。根据勘查工程数据、资源储量估算、储量核查结果自动生成指定格式的报表，包括：每个煤层矿体储量汇总表和储量总体信息表。
(6)煤矿勘查报告成果图件辅助绘制：提供地质矿产成果图件的生成与编辑、基于模板定制的钻孔柱状生成与编辑、基于地质规则库的钻孔剖面图快速生成等功能[11]。可进行区域工程布置图辅助绘制、单孔柱状图辅助绘制、对比图辅助绘制、剖面图辅助绘制、煤层底板等高线生成、煤质元素平面等值线图生成、煤岩层可选性曲线图绘制。
(7)煤矿矿区三维可视化表达和分析：系统可进行煤矿矿区三维可视化表达，即数字地面模型构建、钻孔三维建模、三维地层(煤层)建模、采空区三维建模、三维标注；
可进行煤矿矿区三维可视化分析，包括三维查询及交互定位、三维模型爆破、三维模型拖拽及剥离揭层、三维剖切、体积量算、面积量算、属性统计、煤矿勘查成果数据管理与分析；
可进行煤矿勘查成果数据管理、煤矿勘查成果数据检索、煤矿勘查成果数据编辑、煤矿勘查成果数据评价分析、煤矿勘查成果图件整饰、煤矿勘查成果数据输出等。
在项目原始数据的基础上，经过提取、加工、信息化处理建成矿产资源信息系统，如地形地质图、钻孔柱状图、钻孔数据等资料，经过数据加工处理后，可以作为信息系统基础地理数据使用；
钻孔数据、钻孔柱状图、地形地质图等图件资料，经过图件信息提取，将提取的信息录入到信息系统数据库中，作为图件绘制、三维可视化等基础数据资料；
各种报告、检查验收等资料均可纳入煤田地质勘查管理系统，进行统筹管理，方便查询、检索等应用。
2.1 数据处理
(1)钻孔封孔信息编录：辅助勘查/预煤及封孔信息录入，选择钻孔封孔信息选项卡，添加需要录入的钻孔编号，记录类型，填写封孔相关信息。
(2)钻探分层信息获取：通过一键导入成功导入“钻孔岩芯鉴定表”和“钻探煤层结构表后”，需要将二者的数据综合处理后得到钻孔的钻探分层结构。
(3)地层时代更新：对岩芯鉴定表、钻探分层、测井分层、钻孔采用分层信息的地层时代信息更新。
(4)测井煤层号编辑：对测井分层按照岩性描述约束，将符合最小煤层、最大夹矸的煤层进行组合，并编辑煤层号。
(5)钻孔煤层采用设置：对煤层采用的数据来源进行设置。
(6)钻孔歪斜换算：换算钻孔煤层标志层的真实底板标高以及各层的真厚度、实际厚度、勘查线剖面投影。
(7)钻孔形态矫正：选择矫正数据可对不同的数据表进行矫正。
(8)煤或标志层真厚度计算：设置好角度，即可计算得出歪斜校正数据。
(9)勘探线剖面投影计算：设置计算需要的勘查线剖面投影角度，即可计算得出孔斜。
2.2 图件绘制
(1)柱状图成图：选择一个钻孔，根据预先制作好模板，系统自动生成钻孔柱状图。可实现模板定制功能，由用户编辑定制模板，满足各种输出要求。可灵活进行柱状图页面排版操作，如：增删图道，组合图道，调整图道顺序，调整列宽度、调整图头高度、编辑表头/表尾表格、当前图格式保存为模板，柱状图数据的修改与编辑等。
柱状图中图道可以通过拖动图道头的方法来调整图道的顺序，可合并图道，组合图道，调整图道头高度，调整图道宽度，修改岩性描述、岩层倾角、钻孔分层、钻孔岩层等数据，保存后，重新导入数据，即可实现柱状图数据更新。可对钻孔岩芯鉴定、煤层结构、岩芯装箱及处理、钻孔标准分层进行修改。
地图视图中如果已经打开一个柱状图，选择设置多级比例尺，可定义需要进行多比例尺绘制的数据范围，可实现柱状图更新绘制，在不同深度采用不同比例尺对柱状图进行显示[12]。
实现柱状图中一般包含的附加信息，实现在地质信息的顶端或低端，形成图中的表头或表尾。如图签、图例、图框。
打印与输出：柱状图在本系统中有自定义的格式保存。
(2)通用对比图：主要用于生成煤岩层对比图和测井数据对比图。选择对比图类型和分层数据种类，设置模版路径和对比基线。A.通过移动图元对钻孔对齐位置和标注位置进行调整；
B.分层相交判断；
C.标志层连线对依次点击需要连接的标志层，即可绘制出标志层连线；
D.分层结构标注和隐藏；
E.修改分层名称；
F.可设置对比图绘制起止深度，供进行图面重新调整。成图起止绘制有以下几种方式：鼠标裁剪、统改起深、单改起深、统改止深、单改止深；
G.对比图线路：鼠标右键对比图线路，设置显示参数，即可生成对比图线路。
对比图左下方位置可显示该对比图的线路信息，可以使用“移动图元”功能对该线路信息进行位置拖动与摆放。
(3)综合柱状图：基于模板自动生成的，可以自定义柱状图模板；
对于生成好的柱状图模板也可进行编辑；
进行综合柱状图绘制煤岩标志层设置，然后进行钻孔选择并设置，完成后，系统将会把综合柱状图绘制出来。
(4)实际材料布置图：设置实际勘查线及钻孔参数，包括实际勘查线、实际勘察线注记、实际钻孔点、实际钻孔点注记。对于勘查阶段的成果数据，除了可以进行实际的勘查线及钻孔连接外，还可根据勘查区约束要求，进行相应方向虚拟剖面图的绘制，以达到更加精确的控制平面图形态以及三位模型准确度的目的。
系统根据导入的钻孔煤样基本信息中的样品类型，在钻孔右侧绘制煤样信息表格，表示该钻孔采取的煤样类型。
(5)平面图：可以建立各煤岩层顶底板等高线图并进行相应整饰；
在生成等值线图时，可对该等值线的追踪参数进行设置，可以通过调整等值步长与分层层数来控制等值线疏密程度与范围；
在网格化方法中，提供算法包括多层B样条法网络化、距离反比法、Kring泛克立格网格化方法；
三角化方法中提供的算法有径向基、Kring泛克立格、距离幕反比MQS、多层B样条网格化等方法[13]。系统根据选择的数据，约束条件，以及设置的等值线追踪参数绘制出所选煤岩层等值线(图2)。
图2 平面图Fig 2.Plane Map
2.3 储量估算
绘制好煤层底板等高线图后，可在对应的煤层底板等高线基础上进行煤层储量块段划分与储量计算。在进行储量块段划分之前，可以先附加或者绘制一些块段控制线，在连接块段的时候，可以选择这些附加或者绘制的控制线来连接块段。
可以将平面图成图时附加的绘制要素添加成为块段约束要素，如在附加绘制要素中附加的简单要素内，可以通过添加附加简单要素类功能将其转化为储量约束要素。当在附加绘制要素中添加了河流、采空区、先期开采地段线后，可将这些要素转化为块段约束要素用来进行块段连接。还可手动在图上进行控制线绘制。更新窗口后可看到生成了两条闭合的控制线，里面一条时鼠标选取点的连线，外面一条是外推后的控制线。可以删除选择控制线，将内侧的闭合控制线删除，保留外推后的控制线即可。
添加绘制好块段约束线后，可以用这些控制线，结合勘查线剖面线、矿区边界线进行储量块段的划分。块段连接成功后，可对连接好的块段计算储量。
2.4 钻孔三维建模
在三维渲染视图中，选择要建模的钻孔，然后根据需要进行模型参数的设置，形成三维钻孔模型[14]。图3、图4。
图3 选择钻孔建立三维钻孔模型Fig 3.3D Drilling Hole Model Set up of Selected Drilling Hole
图4 钻孔三维模型显示Fig 4.Indication of Drilling Hole 3D Model
煤矿勘查管理系统实现对煤炭地质勘查成果数据、基础地理地质数据、分析评价数据等多源异构多层次数据的分类存储与管理，实现对这些数据的快速全方位获取[15]。通过对数据统计录入，工作结果表明：
(1)提供地质矿产成果图件生成与编辑、基于模板定制的钻孔柱状生成与编辑、基于地质规则库的钻孔剖面图快速生成等功能。
(2)通过数据目录按照成果数据类型、制作人、成果时间等成果图件属性进行煤矿勘查成果数据管理。
(3)煤矿勘查成果数据提供按专业类型、资料类型、关键字、时间顺序、行政区域或指定范围等单一条件或任意综合上述多个条件对煤矿勘查成果数据进行快速检索查询。
(4)支持不同时期同类数据对比分析、同一时期相关数据叠加分析综合评价等。
(5)对选取的成果数据和系统自动生成的专业图件进行进一步图件整饰，绘制地图的图框、比例尺、指北针、图例等基本信息，形成严格符合规范的专业专题图件。
(6)生成所有成果数据均支持导出矢量数据格式或图片格式或者文档格式。方便打印输出。
由于空间构造的复杂性、构造之间拓扑关系的复杂性以及构造体空间运算的复杂性，尚需开发人员在地质、计算机、算法分析、软件开发等进一步完善煤炭勘查数据管理系统，使之真正成为地质技术人员的有力工具[16]，同时对于新开展的煤炭勘查项目所得出的勘查数据应及时录入系统数据库，保证数据的实时性。
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