煤礦采空區(qū)巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韋羅沁浩,趙伏軍,劉朝躍,林劍

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴州 貴陽 500110;3.湖南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

煤礦采空區(qū)巖土工程勘察是巖土工程地質(zhì)勘察的組成部分,是對(duì)煤礦采空區(qū)工程建設(shè)場(chǎng)地的工程地質(zhì)勘察工作的細(xì)化,其目的是查明采空區(qū)特征,分析評(píng)價(jià)采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性,得出采空區(qū)場(chǎng)地的工程建設(shè)適宜性,以預(yù)防和避免煤礦采空區(qū)對(duì)工程建設(shè)的影響.工程勘察工作應(yīng)嚴(yán)格按照《巖土工程勘察規(guī)范》[1]和《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[2]執(zhí)行.煤礦采空區(qū)巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與開發(fā)是提高煤礦采空區(qū)勘察工作智能化水平的基礎(chǔ)性工作.

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的依據(jù)在于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用領(lǐng)域的需求,不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ谕豢陀^實(shí)體信息表達(dá)的數(shù)據(jù)粒度和數(shù)據(jù)內(nèi)容不同,目前尚未有專門針對(duì)煤礦采空區(qū)巖土工程勘察的數(shù)據(jù)庫,只是有關(guān)采空區(qū)信息管理系統(tǒng)[3]以及采空區(qū)三維可視化、綜合勘探三維信息管理[4-6]方面涉及采空區(qū)數(shù)據(jù)組織.在采空區(qū)信息管理方面有熊立新[7]通過采空區(qū)、圍巖、用戶、礦山等數(shù)據(jù)表建立采空區(qū)信息網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng);岳康[8]使用SSH2框架搭建采空區(qū)管理系統(tǒng),其中有礦山、采空區(qū)、采空區(qū)群等數(shù)據(jù)表;秦亞光[9]等建立的采空區(qū)可視化集成系統(tǒng)中包含礦山、采空區(qū)、圍巖等數(shù)據(jù)表;王海軍[10]利用勘探成果建立煤礦采空區(qū)三維地質(zhì)體模型,實(shí)現(xiàn)多級(jí)用戶信息共享和數(shù)據(jù)交互的一體化監(jiān)管.上述管理信息系統(tǒng)是為信息管理服務(wù)的,不同的管理部門的側(cè)重面不同,所建立的數(shù)據(jù)表各不相同,三維可視化系統(tǒng)[11-13]側(cè)重需要可視化的客觀實(shí)體的幾何屬性,以便三維展示.煤礦采空區(qū)巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫是為工程作業(yè)服務(wù)的,其服務(wù)對(duì)象和目標(biāo)均有較大的差別.在巖土工程地質(zhì)勘察方面,于妍寧[14]等設(shè)計(jì)了巖土工程勘察試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫;張峰[15]實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)勘察數(shù)據(jù)的工程勘察信息系統(tǒng)設(shè)計(jì);房師濤[16]等實(shí)現(xiàn)深基坑勘察、設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫;馬青蓮[17]、楊映紅[18]等基于GIS技術(shù)構(gòu)建了通用巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫.上述巖土勘察部分?jǐn)?shù)據(jù)組織或完整的勘察數(shù)據(jù)庫只能保存勘察測(cè)試的最終結(jié)果數(shù)據(jù),不能體現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取階段及數(shù)據(jù)的獲取方法,而《巖土工程勘察規(guī)范》和《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》中對(duì)煤礦采空區(qū)工程勘察的勘察階段及所處階段采用的勘察方法有明確的規(guī)定,因此,這類數(shù)據(jù)庫多用于巖土工程勘察數(shù)據(jù)管理,不能滿足煤礦采空區(qū)巖土工程勘察各環(huán)節(jié)的需求.

1 需求分析

《巖土工程勘察規(guī)范》制定了工程建設(shè)各勘察階段所需查明工程地質(zhì)條件、不良地質(zhì)體和地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)范,煤礦采空區(qū)屬于其中的不良地質(zhì)體.《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》中的勘察工作對(duì)象包括采空區(qū)相關(guān)對(duì)象和工程類型相關(guān)對(duì)象兩種類型.煤礦采空區(qū)有關(guān)的勘察對(duì)象為煤層上覆巖層、井巷、地下水、有害氣體、地表盆地、地表裂縫、地表塌陷、地表臺(tái)階和邊坡;與工程類型相關(guān)的對(duì)象需滿足《巖土工程勘察規(guī)范》的要求,如地基土、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、其他各類不良地質(zhì)體等.勘察目標(biāo)對(duì)象如圖1所示.

圖1 煤礦采空區(qū)勘察目標(biāo)

《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》對(duì)各類勘察對(duì)象的勘察目標(biāo)屬性的數(shù)據(jù)類型及粒度有明確的規(guī)定.如對(duì)于煤礦開采要求查明采空區(qū)開采歷史、現(xiàn)狀、規(guī)劃,以及開采方法、范圍和深度;查明地表移動(dòng)盆地變形特征、分布;查明采空區(qū)上覆巖層分布、垮落類型、發(fā)育規(guī)律、巖性組合及其穩(wěn)定性.對(duì)于工程類型相關(guān)對(duì)象需按《巖土工程勘察規(guī)范》的要求,如查明巖石的地質(zhì)年代、風(fēng)化程度、巖石質(zhì)量指標(biāo)等，如果為沉積巖還包括沉積物的顆粒大小、形狀、膠結(jié)物成分及膠結(jié)程度，如沙土的屬性包括顏色、礦物組成、濕度、密度等.

《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》對(duì)各階段所采用的勘察方法及方法的工作程度有明確的規(guī)定,如初勘階段擬建場(chǎng)地一定范圍內(nèi),物探勘測(cè)線不宜少于2條,應(yīng)選用2種物探方法且至少選擇一種物探方法覆蓋全部工地場(chǎng)地,物探勘察點(diǎn)、線距離需由煤礦采厚比、回填率等要素綜合確定,解釋深度應(yīng)達(dá)到采空區(qū)底板以下10～15 m;詳細(xì)勘察階段以工程鉆探為主,輔助以必要的物探、變形觀測(cè)、野外調(diào)繪等工作,鉆孔的深度應(yīng)達(dá)到對(duì)工程建設(shè)有影響的采空區(qū)底板3 m以下的位置,需查明采空區(qū)上覆巖、土體地層結(jié)構(gòu)及其巖性,實(shí)驗(yàn)測(cè)試地基巖土力學(xué)指標(biāo),分析計(jì)算地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)等.

數(shù)據(jù)處理需求部分則是以《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》和《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》為理論基礎(chǔ),根據(jù)采空區(qū)巖土工程地質(zhì)勘察實(shí)際野外作業(yè)后,工作人員對(duì)其勘察信息審核、分析評(píng)價(jià)進(jìn)而得到相應(yīng)的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)報(bào)告的過程,以其中數(shù)據(jù)為主線繪制的數(shù)據(jù)流程圖如圖2所示.

圖2 主要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程

在整個(gè)業(yè)務(wù)流程中,大批量處理數(shù)據(jù)主要集中于野外勘察的地理坐標(biāo)屬性輸入部分、信息整評(píng)及報(bào)告生成部分,在這2個(gè)部分涉及大量的I/O,所以數(shù)據(jù)庫性能需求則是以處理并發(fā)為主,提高存儲(chǔ)和檢索速度是重點(diǎn)部分.

綜合規(guī)范的需求及高效存取利用數(shù)據(jù)[19]的要求,煤礦采空區(qū)工程勘察數(shù)據(jù)庫應(yīng)滿足如下幾點(diǎn)：

1)能提供煤礦采空區(qū)野外勘察數(shù)據(jù)采集所需的各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)字段(數(shù)據(jù)字典),以滿足工程勘察記錄的需求;

2)能區(qū)分不同勘察階段、不同勘察方法所獲取的相同屬性數(shù)據(jù),能反映勘察的動(dòng)態(tài)過程;

3)數(shù)據(jù)的粒度有利于計(jì)算機(jī)自動(dòng)在工程勘察評(píng)價(jià)與資料整理方面提取有效數(shù)據(jù),即分析評(píng)價(jià)所需的勘察目標(biāo)要素在數(shù)據(jù)庫中應(yīng)為獨(dú)立字段,無需對(duì)字段進(jìn)行要素提取.

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

2.1 概念設(shè)計(jì)

實(shí)體是表示數(shù)據(jù)組織所期望維護(hù)的數(shù)據(jù),是客觀存在的可以相互區(qū)分的客觀事物、概念、抽象事件或聯(lián)系.屬性是實(shí)體所具有的一個(gè)性質(zhì)或特性.根據(jù)需求分析,煤礦采空區(qū)巖土工程勘察實(shí)體可分為勘察目標(biāo)實(shí)體、勘察方法實(shí)體和目標(biāo)屬性實(shí)體.

其中在需求分析階段已經(jīng)列舉出規(guī)范中的勘察目標(biāo),在概念設(shè)計(jì)階段則是分析目標(biāo)實(shí)體之間的關(guān)系,煤礦采空區(qū)勘察目標(biāo)E-R模型如圖3.

圖3 煤礦采空區(qū)勘察目標(biāo)E-R模型

圖3反映的煤礦采空區(qū)勘察目標(biāo)之間的關(guān)系為

1)采空區(qū)礦區(qū)至少會(huì)受到一種或多種類型的工程地質(zhì)條件影響,一種類型的工程地質(zhì)至少會(huì)影響一個(gè)或多個(gè)采空區(qū)礦區(qū);

2)采空區(qū)礦區(qū)可能形成多種類型的地表移動(dòng)變形或者沒有形成,一種類型的地表移動(dòng)變形也能存在于多個(gè)采空區(qū)礦區(qū);

3)采空區(qū)礦區(qū)存在一條或多條井巷,一條井巷只能存在屬于當(dāng)前采空區(qū)礦區(qū)，采空區(qū)礦區(qū)可能存在多種地下水和有害氣體或沒有,一種地下水和一種有害氣體可能存在多個(gè)采空區(qū)礦區(qū)或都沒存在;

4)采空區(qū)礦區(qū)可能存在多個(gè)煤層或沒有,一種煤層只能存在當(dāng)前采空區(qū)礦區(qū)或者沒有;

5)一個(gè)煤層可能存在多種類型的上覆巖層,一種類型的上覆巖層也可能存在于多個(gè)煤層.

勘察方法實(shí)體是各類采空區(qū)勘察方法的集合,每一種方法是方法實(shí)體的一個(gè)實(shí)例,它們相互獨(dú)立,因此無需用E-R模型表示,勘察方法分類如圖4.

圖4 煤礦采空區(qū)勘察方法分類

屬性實(shí)體是多個(gè)具有某種共同特性的屬性的抽象,勘察目標(biāo)屬性通常包含地質(zhì)、力學(xué)和幾何3大類屬性類型,即目標(biāo)屬性是多值屬性.不同勘察目標(biāo)實(shí)例相同類型的屬性各不相同,每一個(gè)目標(biāo)屬性類型是屬性實(shí)體的實(shí)例,各屬性類型之間相對(duì)獨(dú)立,同時(shí)在屬性機(jī)理上存在一定的關(guān)聯(lián),此類關(guān)聯(lián)十分復(fù)雜,難以用E-R模型表示,因此,勘察目標(biāo)屬性可按工程地質(zhì)分類體系劃分如圖5.

圖5 煤礦采空區(qū)勘察目標(biāo)屬性分類

從上述實(shí)體分析可見,以上歸納的3類實(shí)體可涵蓋煤礦采空區(qū)巖土工程勘察的全過程,煤礦采空區(qū)巖土工程勘察可歸納為采用勘察方法對(duì)煤礦采空區(qū)巖土目標(biāo)進(jìn)行勘察,以獲取勘察目標(biāo)巖土工程屬性,其概念E-R模型如圖6.

圖6 煤礦采空區(qū)巖土工程勘察概念E-R模型

圖6中“勘察”為關(guān)聯(lián)實(shí)體,實(shí)現(xiàn)勘察目標(biāo)、方法和屬性的聯(lián)系,圖中目標(biāo)屬性為多值屬性,標(biāo)示表示實(shí)體之間存在一對(duì)多和多對(duì)多的關(guān)聯(lián)關(guān)系,同時(shí)存在約束關(guān)系,即多種勘察目標(biāo)至少選擇一種方法進(jìn)行勘察,一種勘察方法可以用于勘察多個(gè)目標(biāo),至少有一個(gè)目標(biāo)被勘察,一種方法勘察一個(gè)目標(biāo)可以獲得多種目標(biāo)屬性,至少要獲取一種目標(biāo)屬性.

2.2 邏輯設(shè)計(jì)

在概念設(shè)計(jì)中無法用關(guān)聯(lián)實(shí)體表示實(shí)體之間的具體邏輯關(guān)系,如圖6中存在多對(duì)多和一對(duì)多的關(guān)系,但無法表示某種目標(biāo)屬性具體是采用何種勘察方法對(duì)何種勘察目標(biāo)進(jìn)行勘察獲取的,邏輯設(shè)計(jì)就是建立實(shí)體實(shí)例之間的具體邏輯關(guān)系,下面以煤礦采空區(qū)上覆沙土地層為例說明煤礦采空區(qū)巖土工程勘察邏輯設(shè)計(jì)方法.其中沙土地層涉及關(guān)系如圖7所示.

圖7 煤礦采空區(qū)巖土勘察數(shù)據(jù)邏輯設(shè)計(jì)

從圖7a可見,勘察關(guān)聯(lián)實(shí)體以勘察方法實(shí)體和目標(biāo)實(shí)體的主鍵作為表的外鍵,同一方法勘察不同的目標(biāo)實(shí)體,或不同的勘察方法對(duì)同一勘察目標(biāo)實(shí)體均會(huì)產(chǎn)生一條勘察記錄,從而實(shí)現(xiàn)勘察方法與勘察目標(biāo)的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系,勘察關(guān)聯(lián)實(shí)體可設(shè)計(jì)勘察階段、勘察時(shí)間、勘察單位等屬性,通過這些屬性可反映勘察的動(dòng)態(tài)過程;在圖7b中,以勘察關(guān)聯(lián)實(shí)體屬性表的主鍵“勘察ID”作為沙土地質(zhì)屬性表的外鍵,在進(jìn)行勘察區(qū)域的沙土勘察時(shí),勘察關(guān)聯(lián)實(shí)體屬性表中的“目標(biāo)實(shí)體ID”為“沙土地質(zhì)屬性ID”,每當(dāng)“勘察ID”發(fā)生變化時(shí),沙土地質(zhì)屬性表會(huì)增加一條記錄,從而記錄不同的勘察階段、不同的勘察方法所獲取的沙土地質(zhì)屬性,同時(shí)又以“煤層ID”作為外鍵,同一煤層由不同的勘察方法或不同工作人員可存在多條沙土屬性記錄,也符合了E-R模型中煤層和上覆巖層多對(duì)多的關(guān)系.

根據(jù)規(guī)范,以2.1節(jié)中E-R模型及實(shí)體分類為基礎(chǔ),邏輯設(shè)計(jì)所構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫中主要數(shù)據(jù)如表1.

表1 煤礦采空區(qū)巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫中主要關(guān)系

2.3 物理設(shè)計(jì)

物理設(shè)計(jì)是邏輯設(shè)計(jì)表的存儲(chǔ)技術(shù)規(guī)格說明,屬性對(duì)應(yīng)物理設(shè)計(jì)中的表中的字段的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型、約束關(guān)系和查詢索引等,解決數(shù)據(jù)訪問的時(shí)間效率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間效率、數(shù)據(jù)維護(hù)代價(jià)等物理層面的問題,物理設(shè)計(jì)的結(jié)果通常用數(shù)據(jù)字典表示.根據(jù)規(guī)范,以及邏輯設(shè)計(jì)的結(jié)果,煤礦采空區(qū)巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫采空區(qū)屬性主要字段數(shù)據(jù)字典內(nèi)容如表2所示.

表2 煤礦采空區(qū)巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫采空區(qū)屬性主要字段數(shù)據(jù)字典

表中約束部分是指不同的土層類型粒徑大小區(qū)間不同;巖石按不同的堅(jiān)硬程度劃分其飽和單軸抗壓強(qiáng)度大小區(qū)間也不同,可在此類字段上設(shè)置觸發(fā)器約束其區(qū)間范圍,約束區(qū)間可在《巖土工程勘察規(guī)范》查找相應(yīng)表格.

依據(jù)上述設(shè)計(jì),利用SQLSever構(gòu)建的煤礦采空區(qū)巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫,由于數(shù)據(jù)庫中表較多,難以展示整個(gè)數(shù)據(jù)庫表的全部結(jié)構(gòu)關(guān)系,圖8為煤礦采空區(qū)勘察目標(biāo)部分表結(jié)構(gòu)關(guān)系圖.

圖8 煤礦采空區(qū)部分表屬性結(jié)構(gòu)關(guān)系

3 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

在工程初期確立場(chǎng)地適宜性對(duì)以后的工程實(shí)施建設(shè)尤其重要,而采空區(qū)穩(wěn)定性分析則是首要任務(wù).本小節(jié)以采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性分析為例,闡述上述的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì).

采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性應(yīng)根據(jù)采空區(qū)類型、開采方法及頂板管理方式、終采時(shí)間、地表移動(dòng)變形特征、采深、頂板巖性和松散層厚度等因素綜合分析其內(nèi)在機(jī)理,使用定性和定量相結(jié)合的方法來評(píng)價(jià)場(chǎng)地穩(wěn)定等級(jí).所以在項(xiàng)目信息中就應(yīng)展示采空區(qū)的開采時(shí)間和類型等基本信息,為場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)功能打下基礎(chǔ).其項(xiàng)目簡介信息如圖9所示.

圖9 數(shù)據(jù)庫項(xiàng)目基本信息展示

采空區(qū)勘察目標(biāo)繁多,對(duì)于同一種目標(biāo)可能采取多種勘察方法來獲取目標(biāo)屬性,勘察人員采用相同的勘察方法也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差.項(xiàng)目目標(biāo)所有的勘查信息記錄可按照工作需求選擇目標(biāo)檢索相應(yīng)勘察方法或相應(yīng)屬性獲取,方便工作人員對(duì)比信息差異.其詳細(xì)信息查詢界面如圖10所示.

圖10 數(shù)據(jù)庫項(xiàng)目詳細(xì)信息檢索展示

同一工程可采用多種規(guī)范,每種規(guī)范對(duì)應(yīng)的等級(jí)劃分指標(biāo)有偏差,在穩(wěn)定性評(píng)價(jià)界面中需提供用戶選取工程中采用的規(guī)范,根據(jù)項(xiàng)目信息中的采空區(qū)類型選擇相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法,通過對(duì)采空區(qū)勘察信息的分析,以及對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的查詢,對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地進(jìn)行合理的等級(jí)劃分.其評(píng)價(jià)界面如圖11所示.

圖11 數(shù)據(jù)庫項(xiàng)目場(chǎng)地穩(wěn)定性分析

4 結(jié)束語

1)煤礦采空區(qū)工程勘察數(shù)據(jù)庫以《巖土工程勘察規(guī)范》和《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》為基礎(chǔ),分析數(shù)據(jù)庫的總體需求.對(duì)需求分析中不同工作環(huán)節(jié)所涉及的目標(biāo)實(shí)體和勘查手段進(jìn)行合理細(xì)分,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表.

2)該數(shù)據(jù)庫能區(qū)分不同勘察階段相同或不同勘察方法所獲取的數(shù)據(jù),能滿足煤礦采空區(qū)野外勘察測(cè)試數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)資料整理、分析評(píng)價(jià)等煤礦采空區(qū)工程勘察各環(huán)節(jié).對(duì)于大型礦山信息數(shù)字化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用.