我国是多煤国家，煤矿地质条件比较复杂^[1-2]。随着煤炭资源大规模开采，煤矿地质灾害潜在隐患越来越多。近年发生的灾害事故，给国家和人民造成的生命财产损失巨大^[3]。随着国家煤矿行业快速发展和应急管理意识强化，煤矿安全生产状况有很大改观，安全生产总体情况持续好转，但形势依然严峻，各类生产安全事故仍时有发生^[4-5]。

煤矿灾害事故发生往往具有突发性、偶然性和复杂性等特点^[3-5]。灾害发生后，煤矿和井下灾害现场往往会失去联系，因此煤矿事故应急救援存在反应时间紧迫、决策信息模糊和灾变状态复杂等特点，及时有效地救援是防止发生二次事故、降低人员伤亡率的关键^[6]。

信息技术能对多源信息进行快速集成与处理，是有效救援的重要支持手段。在煤矿灾害事故应急救援信息技术研究方面，李奋强等^[7]实现了以三维井上下模型为基础的煤矿安全监测数据在线获取、显示和查询；吴兵等^[8]将网络地理信息系统引入矿山救援，完成的矿山应急救援管理指挥系统将实时监测数据用于分析决策；高洪波^[9]实现了面向煤矿事故应急指挥全过程设计的煤矿应急救援指挥信息系统，可以全面提升煤矿应急救援能力；张伟杰^[10]对王庄煤矿的安全生产系统进行了整合，开发完成了王庄煤矿应急管理系统，实现了煤矿事故监测预警、救援、评估的全流程信息化管理决策和指挥等。前人的研究取得了重要成果，但多数研究都侧重于救援指挥，或单纯实现井上下三维模型，对地质应急救援相关的信息集成与处理研究较少。实际上煤矿灾害事故的发生一般都和地质因素有关系，救援、决策和指挥也离不开地质数据支持和地质技术参与。近年来。很多专家学者也提出了将煤矿应急救援作为煤炭精准开采与地质保障技术方面的研究内容之一^[11-12]。为此，以煤矿安全生产实际为背景，以具备地质、钻探技术为一体的地质勘查单位为依托，在功能需求分析基础上，设计了系统功能，提出了系统建设的关键技术和实现方法，开发建设了符合煤矿地质应急救援实际需求的信息系统，并以宁南煤田某煤矿为示范进行应用，验证了系统功能的合理性，该系统对煤矿安全生产和应急救援意义重大。

1.   系统分析

1.1   功能需求分析

煤矿灾害事故发生后，进行有效救援是降低人员伤亡率的关键，确定事故原因是有效救援的基础。涉及地质灾害时，事故原因分析更为复杂和紧迫。井上下三维（地质）模型是立体、生动展示地质、煤层特征和采掘、安全系统布置的重要方式，能进行多源数据的汇集与处理，快速调取、查看地质资料^[13]，为地质灾害事故分析和救援提供有效支持。

有人员被困的灾害事故中，事故应急救援分析是对科学救援进行辅助决策的重要方式，其中事故模拟可判断事故的影响范围；逃生路线分析对人员施救提供重要参考，是减少生命财产安全的重要方法^[14]；生命救援钻孔是人员被困井下时重要应急救援方案之一^[15-16]，救援钻孔分析通过提供钻孔预想柱状和基本参数，对制定钻探方案和快速打通生命救援钻孔尤为重要。

高效运转的煤矿地质应急救援指挥系统是提高科学救援效率的重要方式之一。在煤矿事故发生后，地质单位往往以地质、物探、钻探、测绘、水文等专业的人力物力有序快速投入救援工作。确保救援人员快速响应的方式是在科学合理的应急响应预案基础上，通过信息系统实现一键自动响应和执行。

综上所述，地质应急救援系统应具备矿井三维分析、应急救援分析、应急救援指挥等核心功能，和地质数据管理、用户权限管理等基础功能。

1.2   救援业务流程分析

煤矿地质应急救援响应流程与信息处理过程示意图如图1。

图  1  煤矿地质应急救援响应流程与信息处理过程示意图

Figure  1.  Schematic diagram of coal mine geological emergency rescue response process and information processing process

下载: 全尺寸图片 幻灯片

地质应急救援在煤矿应急救援工作中属于专业应急救援，仅参与煤矿事故应急救援的部分工作，响应级别应该按照上级响应级别执行。但根据地质救援的专业特点，可将应急响应分为地质技术支持和钻探工程救援2种响应形式。地质技术支持通过地质、物探、测绘等专业人员和装备投入，以技术服务为主的救援工作；钻探工程响应通过投入地质、钻探等专业人员和装备进行救援工作，主要实施钻探工程，以打通生命救援通道为目标。

煤矿事故地质应急救援过程按业务流程可分为响应启动、响应类型确定、响应调整、救援行动、响应结束和响应评估6个过程^[17-18]；在地质应急响应信息处理流程上，主要分为信息接受、信息审核、信息报告、信息结报4个过程。

在煤矿地质应急救援中，图1中的流程为地质应急救援响应一般流程，通过信息系统可以实现该响应流程的自动执行。而实际地在救援实施过程中，地质信息系统主要用于地质数据的调取查看、事故模拟、应急救援进度分析等地质技术支持，还可以在随时随地通过终端在系统上进行多方交流分析，记录救援过程，实现救援全程追溯和复盘研究。

2.   煤矿地质应急救援信息系统

2.1   系统架构

信息系统是在软硬件等基础设施的支持下，以地质、采掘等数据为基础，通过应用系统实现信息化服务。煤矿地质应急救援信息系统总体结构图如图2。

图  2  煤矿地质应急救援信息系统总体结构图

Figure  2.  Overall structure diagram of coal mine geological emergency rescue information system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

煤矿地质应急救援信息系统总体分为基础设施层、数据中心层、应用系统层和信息服务层4层。基础设施层是系统建设和运行分析的基础，包括软硬件系统、网络通信系统、存储计算系统等；数据中心层是系统的数据管理与输入输出交换中心，以矿区信息、安全监测、地质采掘等构建的数据库为基础，利用成熟的数据库管理软件和GIS平台，实现数据管理、信息服务等基础功能，为应用系统提供数据支撑；应用系统层是系统应用的核心，包括矿井三维分析、应急救援分析、应急救援指挥、数据库管理、地测图形管理和系统管理6个子系统，该层是开放式结构，可添加其他应用系统；信息服务层通过建立管理服务平台，提供数据浏览、信息查询、Web信息发布等各项功能。

系统采用B/S架构和C/S架构相结合的模式，可确保系统易扩展和易维护^[19-20]。应用端基于B/S架构，采用前后端分离开发模式；服务端管理采用C/S架构。

2.2   系统功能及开发技术

煤矿地质应急救援信息系统功能结构示意图如图3。

图  3  煤矿地质应急救援信息系统功能结构示意图

Figure  3.  Functional structure diagram of coal mine geological emergency rescue information system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

系统从功能上划分为由6个子系统的18项功能模块组成；从系统构成上划分，由2个相对独立的软件系统组成，即基于C/S架构的煤矿地质应急救援建模平台和基于B/S架构的煤矿地质应急救援信息系统组成。

基于C/S架构的煤矿地质应急救援建模平台主要用于三维地质模型建立，具备从服务器远程加载地质数据的功能。

基于B/S架构的煤矿地质应急救援信息系统支持通过网络随时随地访问服务器上的各类数据，能实现井上下三维模型上传、查看和更新，能进行模型剖切等三维分析功能，能在三维模型上进行事故模拟、逃生路线分析、安全监测数据查看回放，能通过三维模型、地质数据等进行救援钻探方案分析，提供救生钻孔预想柱状和基本参数；实现应急救援自动化指挥功能，通过语音、短信等形式通知救援人员。参与救援各方均可通Web端实现救援信息查看、上传和共享救援资料，追溯救援过程。

系统采用前后端分离的开发模式，前后端分别独立部署，基于微服务架构，前端以调用微服API的形式构建^[21-22]。前端页面开发选择基于Vue.js的开发框架^[23]，采用JavaScript和Html脚本语言，实现前后端完全解耦，专注于用户交互的设计；后端选择基于Spring Cloud的开发构架，开发语言为Java语言。系统数据建设采用成熟的关系型数据库Sql server 2014。

3.   系统关键技术

目前，信息技术的发展已经非常成熟，在地质领域也得到了快速发展^[24]。地质应急救援信息系统建设的关键技术有3个方面：①基于多源数据的融合处理技术；②数据库建库技术；③基于Web端的三维模型发布与应用技术。

3.1   多源数据融合处理技术

三维地质模型的建立必须以海量三维地学数据为基础，这些地学数据具有多源、多态、多类^[25]，具体体现主要是数据文件格式多源和坐标系统多源。

建立井上下三维模型，至少包含地质勘查成果和矿井建设采掘相关图件和数据，其中地质勘查成果包括地形地质、剖面、底板等高线等图件和钻探、测井数据资料^[26]，矿井建设采掘资料包括井上下对照图、采掘工程布置图、安全系统布置图、巷道导线点测量等图件和数据。这些图件和数据来自不同的生产单位，数据格式不尽相同。为能进行快速高效建模，需要煤矿地质应急救援建模平台兼容多种数据文件格式，开发与Mapgis、Autocad、ArcGis、3DMine、Smart3D、BIM等主流软件兼容的数据接口，实现对各类数据文件导入导出，确保格式完全兼容^[27]，实现不同软件之间的格式融合。

实际上，地质勘查工作是在三维空间内进行，产生的地质数据也应该具备三维信息，但制图都是在二维空间内完成，产生的各类图件一般仅具备二维空间信息，坐标为图上坐标，与空间坐标一般也不对应，所以多源坐标系统融合是井上下三维建模的重要内容。系统多源数据融合处理流程示意图如图4。

图  4  系统多源数据融合处理流程示意图

Figure  4.  Schematic diagram of system multi-source data fusion processing flow

下载: 全尺寸图片 幻灯片

其中坐标系统融合主要包含3个方面：

1）平面图（或离散数据）转到目标三维空间坐标。即利用图上坐标和实际坐标之间的关系，进行平面坐标变换或者利用专用工具进行坐标转换。

2）剖面图（或离散数据）到目标三维空间坐标。利用剖面里程、标高（深度）与实际位置坐标之间的关系，将二维坐标变换到三维坐标空间内。

3）钻孔柱状转到目标三维空间坐标。利用钻孔孔口三维坐标转换为目标三维空间坐标后，与钻孔测斜数据获得的钻孔路径数据，共同计算钻孔三维轨迹坐标。

为方便使用，目标三维空间坐标一般为2000国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000，简称CGCS2000）^[28-29]。多源数据融合完成后，数据格式、坐标系统才能统一到同一套系统，这也是三维建模的基础。

3.2   数据库建库技术

数据库是系统运行的核心和基础，是将零散数据进行集中管理和标准化管理的重要方式。数据库对数据管理的方式主要有2种：①基于结构化数据的数据库：主要管理钻孔数据、物探数据、测量数据等离散化地质勘查数据和巷道数据、工作面、井下安全监测等离散化安全采掘数据；②基于文件管理的数据库：主要包括报告、图件等各类文件资料，文件的路径等属性数据在结构化数据库中管理。数据库建库数据源与处理流程示意图如图5。

图  5  数据库建库数据源与处理流程示意图

Figure  5.  Schematic diagram of data source and processing flow for database construction

下载: 全尺寸图片 幻灯片

数据来源主要分为4个方面：①以煤矿或井田为单位的地质勘查成果；②以煤矿为单位的采掘工程数据；③煤矿井下安全监测数据；④区域性基础地理数据库，包括数字地图、矿权等资料。

原始资料类型主要分3类：离散的结构化数据、离散的非结构化数据、报告图件等文件。对于离散的结构化和非结构化数据，经过数据标准化和格式转换后，直接入结构化数据库；对于报告、图件等文件，经过数字化信息提取后，数字化信息录入数据库；非数字化信息由文件数据库管理，结构化数据库中管理文件路径等属性信息。

3.3   基于Web端的三维模型发布与应用

能随时随地的查看、浏览、分析待救援煤矿的三维模型，最便捷的方式是在Web端提供模型的发布及分析功能。但是高精度的地质体模型体量巨大，在Web端渲染巨大三维模型是系统建设的关键技术。3DTiles数据格式可以将大数据量的三维模型以分块、分层的形式组织起来，可以大量减轻浏览器和GPU的负担，是一个优秀的、格式公开的数据格式。通过实现模型的按需加载和渲染，实现在三维场景中的模型流畅使用^[30-31]。

在煤矿地质应急救援中，井上下三维（地质）模型建立与分析应用是相对独立的，且为单向流程，因此在桌面端进行井上下三维模型建立时，采用主流三维建模软件（如3DMine）兼容格式；在Web端进行模型发布与分析应用时，采用3DTiles格式。模型格式转换在模型上传发布过程中进行，Web端模型发布流程示意图如图6。

图  6  Web端模型发布流程示意图

Figure  6.  Schematic diagram of Web end model publishing process

下载: 全尺寸图片 幻灯片

基于Web端的应急救援分析是地质应急救援信息系统的核心内容之一，也是系统应用的关键技术。基于Web端的应急救援分析是在模型发布基础上进行的，主要包含灾害事故模拟、应急救援钻孔规划、逃生路线分析、安全监测数据显示回放等内容，各项内容对模型处理方法和技术流程基本相同。以应急救援钻孔分析规划为例进行说明，应急救援钻孔分析规划流程示意图如图7。

图  7  应急救援钻孔分析规划过程示意图

Figure  7.  Schematic diagram of emergency rescue drilling analysis and planning process

下载: 全尺寸图片 幻灯片

根据井下事故情况，在模型上通过鼠标选择救援钻孔拟终孔位置，根据地表情况选择拟开孔位置（直孔可不选择），在服务器后端依据钻孔拟开/终孔坐标计算钻孔基本参数；利用钻孔路径与三维地质模型中地层界面交汇点获得救援钻孔钻遇地层及地层厚度，即为钻孔预想柱状。计算结果以图文形式展示，其中图形结果以3DTiles格式显示在地质模型上，文字结果以表格形式展示。

逃生路线分析是基于巷道连通性，以巷道中心线为基础计算其最短路径。水害模拟是基于井下空间进行模拟计算，空间大小通过巷道横截面积、标高和巷道长度进行计算。

基于Web端的应急救援分析过程中，还要考虑其他地质因素的影响，如在水害模拟中要考虑井下实际空间大小，爆炸模拟中要考虑爆炸当量的影响，这些因素直接关乎采取救援方案和救援效果，也是地质应急救援的重点研究内容^[32-33]。

4.   系统示范应用

以宁夏宁南煤田某煤矿为示范，建立了三维地质模型，进行了示范性应用，对系统功能设计的科学合理性和功能模块完备性进行了验证。

4.1   示范煤矿基本情况

示范煤矿位于宁夏宁南煤田，矿区被第四系黄土覆盖，无基岩出露。区内冲沟发育，最深可达200 m。沟谷两岸直立陡壁、纵横切割，地形复杂。区内无长年地表流水。

矿区地层由老至新依次为：奥陶系下统天景山组（O_1-2t）；石炭二叠系太原组（CPt）；三叠系上统上田组（T₃s）；侏罗系中统延安组（J₂y）、中统直罗组（J₂z）、上统安定组（J₃a）；白垩系下统宜君组（K₁y）；古近系渐新统清水营组（E₃q）和第四系（Q）。

矿区含煤地层为侏罗系中统延安组（J₂y），钻孔揭露最大厚度245.23 m，平均厚196.30 m。共含编号煤层14层，其中全区可采煤层2层，大部可采煤层2层，局部可采煤层3层，不可采煤层7层。煤系整体形态表现为轴部走向近南北，倾向东的单斜，地层倾角最大可达到45°。最上部煤层埋藏最浅240 m，最深730 m，平均深度500 m；最下部煤层埋藏最浅350 m，最深900 m，平均埋藏深度630 m。

4.2   系统示范应用情况

井下人员行动轨迹回放界面截图如图8，应急救援钻孔分析界面截图如图9，应急救援响应流程进度图如图10。

图  8  井下人员行动轨迹回放界面截图

Figure  8.  Screenshot of playback interface for movement trajectory of underground personnel

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  9  应急救援钻孔分析界面截图

Figure  9.  Screenshot of emergency rescue drilling analysis interface

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  10  应急救援响应流程进度图

Figure  10.  Emergency rescue response process progress chart

下载: 全尺寸图片 幻灯片

示范煤矿的三维地质模型是依据地质勘查成果和煤矿采掘资料，通过多源资料融合、数据标准化、建库等数据处理过程，在基于C/S端的三维地质建模平台上完成的。

由图8可以看出，井下人员被困时，查看和回放人员定位情况，追溯人员行动轨迹是应急救援的重要内容，系统实现了人员定位等安全监测数据的实时接入、离线导入和回放；系统通过计算获得救援钻孔预想柱状和坐标等开孔参数，为钻探实施提供依据（图9）；通过图10可了解地质应急救援响应预案执行进度，系统具备根据救援响应流程对救援人员拨打电话、发送短信，实时追溯救援流程响应情况。

5.   结　语

1）煤矿地质应急救援信息系统立足地质勘查单位在应急救援中的业务特点，采用信息技术手段助力煤矿应急救援工作，提高了地质应急救援能力，实现了及时、高效的救援工作，进一步体现了应急救援工作的意义。

2）建立的基于Web端的煤矿地质模型发布解决方案，将地质模型的浏览、分析工作从传统的桌面端软件迁移到Web网页端，方便用户通过网络随时随地查看地质模型，为地质应急救援多方联动奠定了基础。

3）依据地质勘查成果和采掘资料构建的井上下三维模型，采用三维空间地理信息分析处理等技术，模拟井下常见灾害情况，提供逃生路线分析、制定应急救援钻孔方案，为科学救援辅助决策提供了依据。

4）根据地质业务特点建立的应急响应流程，依此开发的应急救援指挥子系统，可快速查询区域内应急救援资源，对应急救援任务的创建、动态监管、执行过程、任务解除等关键环节进行全流程的管理跟踪，实现了自动化指挥，也为事后总结复盘提供了可追溯的数据资料。

5）系统建立的多源数据融合技术和数据库建库技术，为系统性进行地质、采掘等资料的快速处理和建库奠定了基础。在煤矿发生事故后，可快速建立相关数据库，进行应急救援分析，为发挥地质应急救援科学价值奠定了基础。

6）在应急救援分析过程中，还要考虑其他地质因素的影响，如在水害模拟中要考虑井下实际空间大小，爆炸模拟中还要考虑爆炸当量的影响，这些因素直接关乎采取救援方案和救援效果，也是地质应急救援进一步研究的重点内容。