大數(shù)據(jù)時(shí)代煤田勘探鉆孔地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 斌，鄧思思，蔡思婷，陳琳敏，崔春蘭，羅 群

（1. 韓山師范學(xué)院，潮州 521041；2. 神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 102249；3. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 100049）

0 引言

經(jīng)過幾代人的努力，我國(guó)煤炭生產(chǎn)取得了輝煌的成就，各大煤田生產(chǎn)穩(wěn)步持續(xù)推進(jìn)，為國(guó)家能源供給做出了巨大貢獻(xiàn)，積累了豐富的勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，形成了中國(guó)特色的煤田地質(zhì)勘查技術(shù)規(guī)范[1-3]。煤田開采前，煤礦開采區(qū)一般均經(jīng)歷了預(yù)查、普查、詳查及勘探等多輪地質(zhì)調(diào)查，基本摸清了開采區(qū)煤田地質(zhì)特征[4-5]。煤田掘進(jìn)時(shí)，技術(shù)人員需開展重點(diǎn)鉆孔補(bǔ)勘及三維地震勘探，以便準(zhǔn)確掌握地下煤層厚度、煤層間距、煤層頂板特征及煤質(zhì)地化性質(zhì)等時(shí)空分布規(guī)律，以確定煤層開采的具體方案細(xì)節(jié)及針對(duì)性設(shè)計(jì)災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案[6]。

在煤礦掘進(jìn)生產(chǎn)中，因地質(zhì)構(gòu)造、沉積地層分布的復(fù)雜性，局部位置常發(fā)生特殊的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，如斷層、褶皺等[7-9]，技術(shù)人員不僅要分析近期的鄰近鉆孔地質(zhì)資料，還需對(duì)歷史鉆孔地質(zhì)資料進(jìn)行重新梳理，以便對(duì)特殊地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)解釋并調(diào)整掘進(jìn)方案，指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)[10-11]。在收集、管理、分析歷史地質(zhì)資料中常遇到鉆孔地質(zhì)資料管理分散，收集、查詢歷史地質(zhì)資料手續(xù)復(fù)雜、效率低下，資料準(zhǔn)確性不夠、資料完整性欠缺以及資料使用的靈活性約束嚴(yán)重等問題[12-13]。

目前，信息技術(shù)雖然已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤田地質(zhì)勘查及煤礦開采管理的各個(gè)領(lǐng)域并取得了顯著的成效[14-15]，但在煤炭企業(yè)內(nèi)部或相關(guān)單位之間一直存在數(shù)據(jù)共享程度低、數(shù)據(jù)傳輸過程滯后、數(shù)據(jù)挖掘程度淺等問題[16-17]。筆者曾在某地質(zhì)勘查企業(yè)長(zhǎng)期從事煤田地質(zhì)勘查工作，實(shí)施煤田地質(zhì)鉆探任務(wù)及煤田地質(zhì)儲(chǔ)量核查工作。在煤田勘探施工中，發(fā)現(xiàn)歷史鉆在實(shí)地勘探中因植被茂密尋找困難或因煤田挖掘、工程改造、洪水、地層突水、地層裂隙坍塌、沙丘移動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造等情況致使鉆孔封孔標(biāo)志遭到破壞、掩埋、位移或丟失等；在儲(chǔ)量核查中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別歷史鉆孔因定位儀器誤差或人工錯(cuò)誤出現(xiàn)坐標(biāo)錯(cuò)誤，無法得到準(zhǔn)確的核查數(shù)據(jù)，使煤層、煤質(zhì)及其頂?shù)装鍖?duì)比困難極大。煤田地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)的管理模式、數(shù)據(jù)共享程度遠(yuǎn)落后于石油、地礦行業(yè)，不能滿足信息時(shí)代煤田勘探與開采的需求，特別是有關(guān)歷史鉆孔數(shù)據(jù)獲取程序復(fù)雜，行業(yè)間鉆孔數(shù)據(jù)的共享程度極低、重復(fù)利用率低，造成了國(guó)家資源的極大浪費(fèi)，迫切需要從根本上改進(jìn)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)的管理模式，最大限度地提高鉆孔地質(zhì)資料的使用效率。

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS）是美國(guó)自20世紀(jì)70年代開始研制的科研成果，具有海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航的新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)[18]。GPS測(cè)量技術(shù)能夠快速、高效、準(zhǔn)確地提供點(diǎn)、線、面要素的精確三維坐標(biāo)及其他相關(guān)信息，具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，目前，廣泛應(yīng)用于軍事、民用交通（船舶、飛機(jī)、汽車等）導(dǎo)航、大地測(cè)量、野外考察探險(xiǎn)、土地利用調(diào)查、公安刑事偵查、農(nóng)牧業(yè)管理及災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治[19-20]。1999年，國(guó)土資源部在三峽庫(kù)區(qū)建立了庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害GPS基準(zhǔn)網(wǎng)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境破壞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，取得了良好效果[21]。但實(shí)時(shí)GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)成本高，設(shè)備維護(hù)技術(shù)復(fù)雜，地質(zhì)勘探領(lǐng)域沒有全面推廣該技術(shù)。

近年來，GPS技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，使得測(cè)定地球表面三維坐標(biāo)的方法從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)，從數(shù)據(jù)滯后處理發(fā)展到實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航，極大地?cái)U(kuò)展了GPS應(yīng)用的廣度和深度，在技術(shù)精度、生產(chǎn)科研效率方面得到了實(shí)質(zhì)性提高，顯示出巨大的優(yōu)越性[22-23]，而且隨著該技術(shù)的成熟以及使用范圍擴(kuò)展，其技術(shù)成本呈直線下降的趨勢(shì)[23-24]，突破了技術(shù)推廣的瓶頸。GPS應(yīng)用于數(shù)字化礦山生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)，是現(xiàn)代化煤礦建設(shè)的必然趨勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)前景，必將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

煤田地質(zhì)鉆孔施工結(jié)束后，在封孔標(biāo)志內(nèi)植入太陽(yáng)能電子跟蹤芯片。太陽(yáng)能電子跟蹤芯片通過GPS定位將坐標(biāo)位置發(fā)送至鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)定位并傳輸鉆孔定位動(dòng)態(tài)信息。管理人員通過鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及時(shí)跟蹤并掌握鉆孔情況，一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔標(biāo)志丟失、移動(dòng)、破壞或坐標(biāo)出錯(cuò)、誤差較大等情況，及時(shí)實(shí)地了解情況并做出處理，提前向有關(guān)部門或技術(shù)人員預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害，以準(zhǔn)備安全應(yīng)急措施或向科研人員提供地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的間接證據(jù)。鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將每個(gè)鉆孔的煤層綜合成果、煤質(zhì)地化分析結(jié)果集中統(tǒng)一管理，形成鉆孔網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)庫(kù)，且以互聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)布并空間展示鉆孔地質(zhì)信息，向注冊(cè)用戶推送網(wǎng)絡(luò)域名（網(wǎng)址）、鉆孔坐標(biāo)，并提供手機(jī)導(dǎo)航服務(wù)功能。同時(shí)，每個(gè)鉆孔標(biāo)志外側(cè)張貼識(shí)別二維碼，用戶掃描二維碼后及時(shí)獲得特定鉆孔的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息。該管理模式為煤田勘探開采、開發(fā)提供便捷的鉆孔地質(zhì)資料獲取途徑，也為我國(guó)整合鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)、共享地學(xué)科研成果、推進(jìn)地質(zhì)勘探現(xiàn)代化提供創(chuàng)新型的解決思路。

1 鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)由空間數(shù)據(jù)表和屬性數(shù)據(jù)表組成。其中，單孔施工數(shù)據(jù)表存放了具有空間特征的坐標(biāo)信息，可在地圖上投影表達(dá)空間位置及相關(guān)信息，為空間數(shù)據(jù)表；其他幾個(gè)數(shù)據(jù)表（單孔煤層數(shù)據(jù)表、煤層數(shù)據(jù)表、單孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)表、單孔力學(xué)數(shù)據(jù)表）均為屬性數(shù)據(jù)表，屬性數(shù)據(jù)表與空間數(shù)據(jù)表通過相同關(guān)鍵字段（鉆孔編號(hào)）的主外鍵關(guān)系建立了邏輯連接，從而使屬性數(shù)據(jù)表也間接獲得了空間信息特征，也可在GIS地圖上表達(dá)各種屬性數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)表之間的具體關(guān)系為單孔煤層數(shù)據(jù)表、單孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)表、單孔力學(xué)數(shù)據(jù)表與單孔施工數(shù)據(jù)表之間通過鉆孔編號(hào)字段建立多對(duì)一的主外鍵邏輯關(guān)系，單孔煤層數(shù)據(jù)表、單孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)表、單孔力學(xué)數(shù)據(jù)表與煤層數(shù)據(jù)表之間通過煤層編號(hào)字段建立多對(duì)一的主外鍵邏輯關(guān)系。其中，煤層數(shù)據(jù)表為各表間的共用信息表，主要記錄鉆孔中共有的煤層信息，如煤層編號(hào)、煤層組合、煤層所在礦區(qū)及地區(qū)特征。各數(shù)據(jù)表之間的空間查詢、展示、共享、更新等可通過數(shù)據(jù)表的連接關(guān)系進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 綜合性鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系

當(dāng)鉆孔施工、地質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)束后，按照數(shù)據(jù)庫(kù)中各數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)，錄入相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，則形成了鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并以WebGIS方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地圖空間發(fā)布，并向地圖導(dǎo)航商業(yè)服務(wù)公司（如百度導(dǎo)航、高德導(dǎo)航）購(gòu)置導(dǎo)航服務(wù)，提供手機(jī)導(dǎo)航功能，對(duì)授權(quán)用戶全方位開放信息共享通道，以獲取任意鉆孔的單孔煤層數(shù)據(jù)表、單孔煤質(zhì)數(shù)據(jù)表、單孔力學(xué)數(shù)據(jù)表及單孔施工數(shù)據(jù)表的所有信息。并可通過鉆孔坐標(biāo)投影到地形圖，進(jìn)行空間分析，如分析鉆孔某一煤層的厚度空間展布規(guī)律，煤層頂板的厚度、力學(xué)性質(zhì)空間展布規(guī)律，煤層間距空間展布規(guī)律，單層煤層的煤質(zhì)（如灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量、含硫量、燃點(diǎn)等）空間分布規(guī)律，指導(dǎo)煤田勘探與生產(chǎn)。

2 GPS芯片植入與定位

目前，煤田地質(zhì)鉆孔施工結(jié)束后，均采用水泥制作長(zhǎng)方體鉆孔標(biāo)志，刻畫文字標(biāo)記，以記錄鉆孔編號(hào)及施工單位。但因環(huán)境保護(hù)要求，鉆孔標(biāo)志均規(guī)格較小，其長(zhǎng)度和高度一般不超過20cm，寬度不超過5cm，鉆孔周邊要求復(fù)墾種植樹木或農(nóng)作物，通過衛(wèi)星遙感方式幾乎難以識(shí)別鉆孔標(biāo)志物體，人工實(shí)地尋找鉆孔位置的難度很大。但在封孔標(biāo)志中植入GPS跟蹤器及外部的玻璃保護(hù)裝置，實(shí)時(shí)發(fā)送鉆孔坐標(biāo)位置至鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，使鉆孔實(shí)時(shí)跟蹤簡(jiǎn)單易行。

GPS是一種具有全球性、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的精確定位系統(tǒng)[25]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，芯片價(jià)格大幅降低，且太陽(yáng)能充電技術(shù)逐步完善，GPS定位技術(shù)得到廣泛推廣，太陽(yáng)能是一種重要的新型能源，國(guó)家正在全方位支持推廣該項(xiàng)技術(shù)成果[26-27]。目前，普遍使用的太陽(yáng)能GPS跟蹤器配置了完好的透光、防水裝置等，各組件封裝出廠，安裝簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家眾多，均提供良好的售后服務(wù)[28]。GPS中太陽(yáng)能電板是整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心，它的作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并對(duì)蓄電池充、放電進(jìn)行保護(hù)。GPS跟蹤器太陽(yáng)能充電技術(shù)成熟，安裝、更換維護(hù)操作便捷，完全可以用于長(zhǎng)期的煤田地質(zhì)鉆孔監(jiān)控跟蹤服務(wù)。在煤田地質(zhì)鉆孔封孔標(biāo)志中植入太陽(yáng)能GPS芯片能夠及時(shí)定位跟蹤鉆孔的狀態(tài)，提高煤田地質(zhì)鉆孔智能化管理水平。

3 數(shù)據(jù)獲取方式

3.1 鉆孔位置信息傳輸

鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信端口接收GPS無線發(fā)送的鉆孔位置，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)煤田地質(zhì)鉆孔位置實(shí)時(shí)空間數(shù)據(jù)與靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)無縫對(duì)接，以感知煤田地質(zhì)鉆孔現(xiàn)狀，并將鉆孔位置信息發(fā)送至地圖導(dǎo)航商業(yè)服務(wù)公司（如百度地圖、高德地圖）提供的服務(wù)平臺(tái)，完成鉆孔坐標(biāo)位置定位。

3.2 鉆孔數(shù)據(jù)獲取方式

鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的推送助手負(fù)責(zé)向用戶手機(jī)端發(fā)送鉆孔地圖導(dǎo)航APP及鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)地址，通過服務(wù)賬號(hào)方式對(duì)外開放。用戶可以隨時(shí)隨地了解勘探區(qū)所有煤田地質(zhì)鉆孔的地質(zhì)信息及鉆孔封孔標(biāo)志的位移動(dòng)態(tài)，并通過地圖導(dǎo)航方式實(shí)地跟蹤調(diào)查每個(gè)鉆孔，分析鉆孔位置標(biāo)志的變化，提前感知可能的地質(zhì)災(zāi)害或收集地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的間接證據(jù)。

實(shí)地鉆孔標(biāo)志處張貼二維碼標(biāo)志，二維碼后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)保存了該鉆孔施工組織設(shè)計(jì)、鉆探施工、采樣、鉆遇地層、煤層、煤層間距、煤質(zhì)化驗(yàn)及測(cè)井解釋等信息，用戶可通過手機(jī)二維碼掃描方式獲得特定鉆孔的煤田地質(zhì)相關(guān)信息，了解該鉆孔的施工情況、地質(zhì)特征及相關(guān)責(zé)任人。

3.3 鉆孔信息管理

鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理員可以對(duì)煤田地質(zhì)鉆孔信息進(jìn)行修改、刪除、維護(hù)，并為用戶賦予權(quán)限級(jí)別，按照普通用戶、專業(yè)用戶和高級(jí)用戶的級(jí)別分別設(shè)定不同的角色與權(quán)限。鉆孔信息管理員能及時(shí)了解鉆孔動(dòng)態(tài)，向管理部門或技術(shù)用戶預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)信息。

靈活便捷的煤田地質(zhì)鉆孔信息實(shí)時(shí)共享方式必將在煤田地質(zhì)勘查、開采中得到廣泛應(yīng)用與推廣，將消除鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)共享的鴻溝，全面提升地質(zhì)鉆孔資料管理能力和服務(wù)水平，為我國(guó)地球科學(xué)研究提供直接的基礎(chǔ)信息依據(jù)，也可為國(guó)民科普教育做出巨大貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）創(chuàng)建鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，對(duì)地質(zhì)鉆孔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理，對(duì)外實(shí)時(shí)發(fā)布地質(zhì)鉆孔基礎(chǔ)信息及鉆孔動(dòng)態(tài)，為用戶提供便捷、快速的數(shù)據(jù)共享通道，且為煤田勘探、開發(fā)提供地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警服務(wù)。

（2）在鉆孔標(biāo)志中植入太陽(yáng)能GPS跟蹤器，及時(shí)通過地圖導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)發(fā)布坐標(biāo)位置及地質(zhì)鉆孔空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)網(wǎng)址。用戶獲得鉆孔的坐標(biāo)位置，通過手機(jī)導(dǎo)航地圖找到地質(zhì)鉆孔的空間位置，并可登錄鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及時(shí)了解鉆孔的詳細(xì)地質(zhì)信息。本研究提高了鉆孔資源的信息共享服務(wù)效率，減少重復(fù)性資金投入，是一種管理方法的創(chuàng)新，可以全面推廣使用。

（3）普通用戶可以通過二維碼識(shí)別的方式實(shí)地獲取單個(gè)鉆孔資料信息，也可以手機(jī)APP方式或網(wǎng)頁(yè)登錄方式按照鉆孔地圖位置查找、借閱鉆孔地質(zhì)信息資料，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)鉆孔資料的交流與共享形式多樣、流程暢通、效率提高。高級(jí)用戶則可以WebGIS方式通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、更新、維護(hù)、查閱鉆孔資料，從而實(shí)現(xiàn)智能化煤田地質(zhì)鉆孔資料共享，全面推動(dòng)煤田地質(zhì)鉆孔信息化建設(shè)發(fā)展。