山東煤礦勘查管理系統(tǒng)的功能與應(yīng)用

王 娜

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100)

現(xiàn)代信息技術(shù)為中外采礦行業(yè)帶來了深刻影響。國際上，加拿大于20世紀90年代起，研究遙控采礦技術(shù)，并進行試用，效果良好。已制訂出一項擬在2050年實現(xiàn)的規(guī)劃：通過衛(wèi)星操縱礦山設(shè)備，實現(xiàn)對北部地區(qū)一無人礦井機械自動破碎和自動切割采礦。芬蘭于1992年宣布了涉及礦山信息網(wǎng)建設(shè)、采礦實時過程控制、資源實時管理、自動控制和新機械應(yīng)用等智能采礦技術(shù)方案[2]。我國礦產(chǎn)資源領(lǐng)域總體信息化水平不夠高。近年來，領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)代信息化發(fā)展呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢。國家計委、信息產(chǎn)業(yè)部于1999年印發(fā)《“十五”期間國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃思路》，明確提出要利用信息技術(shù)改造提升能源、礦山等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。黨的十六大報告也指出：堅持以信息化帶動工業(yè)化，以信息化促進工業(yè)化。2004年4月中國科協(xié)青年科學(xué)家論壇第86次活動以“數(shù)字礦山戰(zhàn)略與未來發(fā)展”為主題[3，4]。我國科研單位也紛紛開展了礦產(chǎn)資源領(lǐng)域信息化系統(tǒng)建設(shè)工作，如礦山地理信息系統(tǒng)(MGIS)、三維地學(xué)模擬(3DGM)，礦山虛擬現(xiàn)實(MYR)等?？傮w來看，研發(fā)成果局限性明顯[5]。

目前煤炭資源勘查數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)相對落后，大量煤礦地質(zhì)項目資料仍以紙質(zhì)圖紙、文檔、光盤或簡單的電子圖件保存，不利于成果的長期保存和數(shù)據(jù)庫式管理。對煤炭資源開發(fā)利用的整體設(shè)計，大多基于計算機自動模擬，其計算邏輯存在一定的局限性。同時，復(fù)雜的地質(zhì)條件完全模擬難度極大，在指導(dǎo)生產(chǎn)過程中，會造成信息數(shù)據(jù)丟失，降低決策結(jié)論科學(xué)性。因此，對煤礦勘查管理系統(tǒng)建設(shè)，不僅提高了煤礦勘查各個階段的數(shù)據(jù)管理、圖件繪制、煤礦建模與資源計算的工作效率，而且對于我國煤炭地質(zhì)行業(yè)的發(fā)展及社會經(jīng)濟發(fā)展都有不可估量的作用[1，2]。

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨和“智慧山東”建設(shè)的推進，加快地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)，利用信息化手段創(chuàng)建地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)工作基礎(chǔ)研究和綜合開發(fā)平臺，開展地礦工作智慧化管理，不斷提升地質(zhì)工作信息化、現(xiàn)代化水平，積極構(gòu)建“智慧地礦”，能夠更好地服務(wù)山東省經(jīng)濟社會發(fā)展。為此山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局研制開發(fā)了煤礦勘查管理系統(tǒng)軟件，山東省魯南地質(zhì)工程勘察院以山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局資料室收集的三十個煤礦勘查項目作為軟件研究利用對象，通過煤礦勘查管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)勘查數(shù)據(jù)的一體化數(shù)據(jù)庫式管理，將勘探工程數(shù)據(jù)(取樣、煤質(zhì)、勘探工程)、鉆孔柱狀圖、剖面圖、地形(煤層)等高線圖、三維地質(zhì)模型及可視化等多專題數(shù)據(jù)進行無縫連接與整合，基于煤層、構(gòu)造、剖面巖石輪廓界線多源數(shù)據(jù)創(chuàng)建煤炭地質(zhì)勘查區(qū)三維區(qū)域地質(zhì)模型。

1 系統(tǒng)介紹

煤礦勘查管理系統(tǒng)以GIS為信息處理中心和主控平臺，以GPS技術(shù)和專業(yè)信息獲取技術(shù)為手段，運用采集、存儲、管理、分析和評價等方式，對煤礦勘查區(qū)與空間地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)。通過煤礦勘查管理系統(tǒng)的功能模塊，開展對煤炭資源信息的綜合分析、管理、處理和應(yīng)用[6，7]。

以煤礦基礎(chǔ)地質(zhì)和礦產(chǎn)地信息為基礎(chǔ)，對全省普查、詳查、勘探等不同勘查階段的所有煤礦礦產(chǎn)勘查資料(包括新形成的資料)分礦床進行數(shù)據(jù)庫建設(shè)，包括礦床基礎(chǔ)地理地質(zhì)、物化探、礦山礦權(quán)地信息、儲量信息、礦產(chǎn)圖件、勘查資料、工程勘探等數(shù)據(jù)有機的結(jié)合起來，實現(xiàn)煤礦資源勘查信息的三維可視化查詢、集成管理和分析應(yīng)用。為專業(yè)人員提供專業(yè)的數(shù)據(jù)管理和分析系統(tǒng)，為領(lǐng)導(dǎo)決策人員提供快速的成果瀏覽，輔助找礦探礦、礦產(chǎn)資源經(jīng)濟評價及開采控制與規(guī)劃各方面的支持決策，促進煤礦礦產(chǎn)資源的發(fā)現(xiàn)、礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟評估及其合理開發(fā)利用，為煤礦礦產(chǎn)勘查規(guī)劃、礦產(chǎn)項目管理監(jiān)督、礦業(yè)權(quán)管理監(jiān)督等相關(guān)工作提供輔助支持[8]。煤礦勘查管理系統(tǒng)架構(gòu)圖(圖1)。

圖1 煤礦勘查管理系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig 1.Framework of Exploration Management System of Coal Mine

(1)煤礦勘查信息全方位獲取：實現(xiàn)對煤炭地質(zhì)勘查成果數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理地質(zhì)數(shù)據(jù)、分析評價數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)多層次數(shù)據(jù)的分類存儲與管理，實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的快速全方位獲取。主要涉及數(shù)據(jù)包括：區(qū)域地理和地質(zhì)信息獲取、煤炭地質(zhì)勘查區(qū)信息獲取、地質(zhì)勘探成果及礦點信息獲取、采樣點及化驗項目信息獲取[9]。

(2)煤礦勘查數(shù)據(jù)信息查詢：支持各種方式煤礦礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)的屬性查詢，主要包括勘查區(qū)、礦區(qū)、礦權(quán)、鉆孔、煤質(zhì)、環(huán)境、儲量等數(shù)據(jù)查詢。

(3)煤礦勘查綜合信息統(tǒng)計分析：系統(tǒng)提供勘查程度、勘查區(qū)資源量、區(qū)域煤類分布、區(qū)域規(guī)劃礦區(qū)分布等綜合信息的統(tǒng)計功能，查詢統(tǒng)計結(jié)果表達方式有三種：以圖表形式給出，生成直方圖、餅圖、柱狀圖等統(tǒng)計圖，圖表能自動嵌入到WORD文檔中并可進行編輯；附表以Excel格式輸出；生成統(tǒng)計標(biāo)注，在區(qū)域地質(zhì)圖中疊加顯示[10]。

(4)煤礦勘查成果資料信息挖掘：快速查詢檢索各種煤礦勘查成果資料，快速挖掘包括專業(yè)圖件或者電子文檔等多種數(shù)據(jù)。主要包括：煤礦勘查資料挖掘、綜合評價分析成果信息挖掘、煤礦礦區(qū)儲量資料挖掘。

(5)煤礦礦產(chǎn)勘查儲量資源估算：儲量估算圖是地質(zhì)專業(yè)人員根據(jù)煤層形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、煤類分布等約束信息，進行儲量塊段劃分并進行資源/儲量估算。根據(jù)地質(zhì)塊段法原理，產(chǎn)生“若干個不同厚度的理想板塊體”的條件。提供通過鼠標(biāo)勾線方式，將一個礦體劃分為若干個塊段，通過每個塊段面積與塊段范圍內(nèi)勘探工程上煤層平均厚度計算各個塊段的資源量，并可設(shè)置注記將其標(biāo)識在礦體圖上。根據(jù)勘查工程數(shù)據(jù)、資源儲量估算、儲量核查結(jié)果自動生成指定格式的報表，包括：每個煤層礦體儲量匯總表和儲量總體信息表。

(6)煤礦勘查報告成果圖件輔助繪制：提供地質(zhì)礦產(chǎn)成果圖件的生成與編輯、基于模板定制的鉆孔柱狀生成與編輯、基于地質(zhì)規(guī)則庫的鉆孔剖面圖快速生成等功能[11]?？蛇M行區(qū)域工程布置圖輔助繪制、單孔柱狀圖輔助繪制、對比圖輔助繪制、剖面圖輔助繪制、煤層底板等高線生成、煤質(zhì)元素平面等值線圖生成、煤巖層可選性曲線圖繪制。

(7)煤礦礦區(qū)三維可視化表達和分析：系統(tǒng)可進行煤礦礦區(qū)三維可視化表達，即數(shù)字地面模型構(gòu)建、鉆孔三維建模、三維地層(煤層)建模、采空區(qū)三維建模、三維標(biāo)注；可進行煤礦礦區(qū)三維可視化分析，包括三維查詢及交互定位、三維模型爆破、三維模型拖拽及剝離揭層、三維剖切、體積量算、面積量算、屬性統(tǒng)計、煤礦勘查成果數(shù)據(jù)管理與分析；可進行煤礦勘查成果數(shù)據(jù)管理、煤礦勘查成果數(shù)據(jù)檢索、煤礦勘查成果數(shù)據(jù)編輯、煤礦勘查成果數(shù)據(jù)評價分析、煤礦勘查成果圖件整飾、煤礦勘查成果數(shù)據(jù)輸出等。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

在項目原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過提取、加工、信息化處理建成礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)，如地形地質(zhì)圖、鉆孔柱狀圖、鉆孔數(shù)據(jù)等資料，經(jīng)過數(shù)據(jù)加工處理后，可以作為信息系統(tǒng)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)使用；鉆孔數(shù)據(jù)、鉆孔柱狀圖、地形地質(zhì)圖等圖件資料，經(jīng)過圖件信息提取，將提取的信息錄入到信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，作為圖件繪制、三維可視化等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料；各種報告、檢查驗收等資料均可納入煤田地質(zhì)勘查管理系統(tǒng)，進行統(tǒng)籌管理，方便查詢、檢索等應(yīng)用。

2.1 數(shù)據(jù)處理

(1)鉆孔封孔信息編錄：輔助勘查/預(yù)煤及封孔信息錄入，選擇鉆孔封孔信息選項卡，添加需要錄入的鉆孔編號，記錄類型，填寫封孔相關(guān)信息。

(2)鉆探分層信息獲?。和ㄟ^一鍵導(dǎo)入成功導(dǎo)入“鉆孔巖芯鑒定表”和“鉆探煤層結(jié)構(gòu)表后”，需要將二者的數(shù)據(jù)綜合處理后得到鉆孔的鉆探分層結(jié)構(gòu)。

(3)地層時代更新：對巖芯鑒定表、鉆探分層、測井分層、鉆孔采用分層信息的地層時代信息更新。

(4)測井煤層號編輯：對測井分層按照巖性描述約束，將符合最小煤層、最大夾矸的煤層進行組合，并編輯煤層號。

(5)鉆孔煤層采用設(shè)置：對煤層采用的數(shù)據(jù)來源進行設(shè)置。

(6)鉆孔歪斜換算：換算鉆孔煤層標(biāo)志層的真實底板標(biāo)高以及各層的真厚度、實際厚度、勘查線剖面投影。

(7)鉆孔形態(tài)矯正：選擇矯正數(shù)據(jù)可對不同的數(shù)據(jù)表進行矯正。

(8)煤或標(biāo)志層真厚度計算：設(shè)置好角度，即可計算得出歪斜校正數(shù)據(jù)。

(9)勘探線剖面投影計算：設(shè)置計算需要的勘查線剖面投影角度，即可計算得出孔斜。

2.2 圖件繪制

(1)柱狀圖成圖：選擇一個鉆孔，根據(jù)預(yù)先制作好模板，系統(tǒng)自動生成鉆孔柱狀圖?？蓪崿F(xiàn)模板定制功能，由用戶編輯定制模板，滿足各種輸出要求。可靈活進行柱狀圖頁面排版操作，如：增刪圖道，組合圖道，調(diào)整圖道順序，調(diào)整列寬度、調(diào)整圖頭高度、編輯表頭/表尾表格、當(dāng)前圖格式保存為模板，柱狀圖數(shù)據(jù)的修改與編輯等。

柱狀圖中圖道可以通過拖動圖道頭的方法來調(diào)整圖道的順序，可合并圖道，組合圖道，調(diào)整圖道頭高度，調(diào)整圖道寬度，修改巖性描述、巖層傾角、鉆孔分層、鉆孔巖層等數(shù)據(jù)，保存后，重新導(dǎo)入數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)柱狀圖數(shù)據(jù)更新?？蓪︺@孔巖芯鑒定、煤層結(jié)構(gòu)、巖芯裝箱及處理、鉆孔標(biāo)準(zhǔn)分層進行修改。

地圖視圖中如果已經(jīng)打開一個柱狀圖，選擇設(shè)置多級比例尺，可定義需要進行多比例尺繪制的數(shù)據(jù)范圍，可實現(xiàn)柱狀圖更新繪制，在不同深度采用不同比例尺對柱狀圖進行顯示[12]。

實現(xiàn)柱狀圖中一般包含的附加信息，實現(xiàn)在地質(zhì)信息的頂端或低端，形成圖中的表頭或表尾。如圖簽、圖例、圖框。

打印與輸出：柱狀圖在本系統(tǒng)中有自定義的格式保存。

(2)通用對比圖：主要用于生成煤巖層對比圖和測井?dāng)?shù)據(jù)對比圖。選擇對比圖類型和分層數(shù)據(jù)種類，設(shè)置模版路徑和對比基線。A.通過移動圖元對鉆孔對齊位置和標(biāo)注位置進行調(diào)整；B.分層相交判斷；C.標(biāo)志層連線對依次點擊需要連接的標(biāo)志層，即可繪制出標(biāo)志層連線；D.分層結(jié)構(gòu)標(biāo)注和隱藏；E.修改分層名稱；F.可設(shè)置對比圖繪制起止深度，供進行圖面重新調(diào)整。成圖起止繪制有以下幾種方式：鼠標(biāo)裁剪、統(tǒng)改起深、單改起深、統(tǒng)改止深、單改止深；G.對比圖線路：鼠標(biāo)右鍵對比圖線路，設(shè)置顯示參數(shù)，即可生成對比圖線路。

對比圖左下方位置可顯示該對比圖的線路信息，可以使用“移動圖元”功能對該線路信息進行位置拖動與擺放。

(3)綜合柱狀圖：基于模板自動生成的，可以自定義柱狀圖模板；對于生成好的柱狀圖模板也可進行編輯；進行綜合柱狀圖繪制煤巖標(biāo)志層設(shè)置，然后進行鉆孔選擇并設(shè)置，完成后，系統(tǒng)將會把綜合柱狀圖繪制出來。

(4)實際材料布置圖：設(shè)置實際勘查線及鉆孔參數(shù)，包括實際勘查線、實際勘察線注記、實際鉆孔點、實際鉆孔點注記。對于勘查階段的成果數(shù)據(jù)，除了可以進行實際的勘查線及鉆孔連接外，還可根據(jù)勘查區(qū)約束要求，進行相應(yīng)方向虛擬剖面圖的繪制，以達到更加精確的控制平面圖形態(tài)以及三位模型準(zhǔn)確度的目的。

系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)入的鉆孔煤樣基本信息中的樣品類型，在鉆孔右側(cè)繪制煤樣信息表格，表示該鉆孔采取的煤樣類型。

(5)平面圖：可以建立各煤巖層頂?shù)装宓雀呔€圖并進行相應(yīng)整飾；在生成等值線圖時，可對該等值線的追蹤參數(shù)進行設(shè)置，可以通過調(diào)整等值步長與分層層數(shù)來控制等值線疏密程度與范圍；在網(wǎng)格化方法中，提供算法包括多層B樣條法網(wǎng)絡(luò)化、距離反比法、Kring泛克立格網(wǎng)格化方法；三角化方法中提供的算法有徑向基、Kring泛克立格、距離幕反比MQS、多層B樣條網(wǎng)格化等方法[13]。系統(tǒng)根據(jù)選擇的數(shù)據(jù)，約束條件，以及設(shè)置的等值線追蹤參數(shù)繪制出所選煤巖層等值線(圖2)。

圖2 平面圖Fig 2.Plane Map

2.3 儲量估算

繪制好煤層底板等高線圖后，可在對應(yīng)的煤層底板等高線基礎(chǔ)上進行煤層儲量塊段劃分與儲量計算。在進行儲量塊段劃分之前，可以先附加或者繪制一些塊段控制線，在連接塊段的時候，可以選擇這些附加或者繪制的控制線來連接塊段。

可以將平面圖成圖時附加的繪制要素添加成為塊段約束要素，如在附加繪制要素中附加的簡單要素內(nèi)，可以通過添加附加簡單要素類功能將其轉(zhuǎn)化為儲量約束要素。當(dāng)在附加繪制要素中添加了河流、采空區(qū)、先期開采地段線后，可將這些要素轉(zhuǎn)化為塊段約束要素用來進行塊段連接。還可手動在圖上進行控制線繪制。更新窗口后可看到生成了兩條閉合的控制線，里面一條時鼠標(biāo)選取點的連線，外面一條是外推后的控制線。可以刪除選擇控制線，將內(nèi)側(cè)的閉合控制線刪除，保留外推后的控制線即可。

添加繪制好塊段約束線后，可以用這些控制線，結(jié)合勘查線剖面線、礦區(qū)邊界線進行儲量塊段的劃分。塊段連接成功后，可對連接好的塊段計算儲量。

2.4 鉆孔三維建模

在三維渲染視圖中，選擇要建模的鉆孔，然后根據(jù)需要進行模型參數(shù)的設(shè)置，形成三維鉆孔模型[14]。圖3、圖4。

圖3 選擇鉆孔建立三維鉆孔模型Fig 3.3D Drilling Hole Model Set up of Selected Drilling Hole

圖4 鉆孔三維模型顯示Fig 4.Indication of Drilling Hole 3D Model

3 結(jié)論

煤礦勘查管理系統(tǒng)實現(xiàn)對煤炭地質(zhì)勘查成果數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理地質(zhì)數(shù)據(jù)、分析評價數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)多層次數(shù)據(jù)的分類存儲與管理，實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的快速全方位獲取[15]。通過對數(shù)據(jù)統(tǒng)計錄入，工作結(jié)果表明：

(1)提供地質(zhì)礦產(chǎn)成果圖件生成與編輯、基于模板定制的鉆孔柱狀生成與編輯、基于地質(zhì)規(guī)則庫的鉆孔剖面圖快速生成等功能。

(2)通過數(shù)據(jù)目錄按照成果數(shù)據(jù)類型、制作人、成果時間等成果圖件屬性進行煤礦勘查成果數(shù)據(jù)管理。

(3)煤礦勘查成果數(shù)據(jù)提供按專業(yè)類型、資料類型、關(guān)鍵字、時間順序、行政區(qū)域或指定范圍等單一條件或任意綜合上述多個條件對煤礦勘查成果數(shù)據(jù)進行快速檢索查詢。

(4)支持不同時期同類數(shù)據(jù)對比分析、同一時期相關(guān)數(shù)據(jù)疊加分析綜合評價等。

(5)對選取的成果數(shù)據(jù)和系統(tǒng)自動生成的專業(yè)圖件進行進一步圖件整飾，繪制地圖的圖框、比例尺、指北針、圖例等基本信息，形成嚴格符合規(guī)范的專業(yè)專題圖件。

(6)生成所有成果數(shù)據(jù)均支持導(dǎo)出矢量數(shù)據(jù)格式或圖片格式或者文檔格式。方便打印輸出。

由于空間構(gòu)造的復(fù)雜性、構(gòu)造之間拓撲關(guān)系的復(fù)雜性以及構(gòu)造體空間運算的復(fù)雜性，尚需開發(fā)人員在地質(zhì)、計算機、算法分析、軟件開發(fā)等進一步完善煤炭勘查數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，使之真正成為地質(zhì)技術(shù)人員的有力工具[16]，同時對于新開展的煤炭勘查項目所得出的勘查數(shù)據(jù)應(yīng)及時錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)的實時性。