煤矿三维地理信息系统

煤矿三维地理信息系统
1 概述
地理信息系统（GIS）是一种以采集、储存、管理、分析和描述 地
球表面与地理分布有关数据的空间信息系统。与一般信息系统的 差别
是，它采集的信息是按地理空间分布特征来反映地理实体结构 及其动
态变化规律的。从学科的角度，GIS是在地理学、地图学、测 量学和
计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的 学科体系；
从功能上，GIS具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、 处理、分
析、输出和应用等功能。
煤矿三维地理信息系统（煤矿三维GIS）是用于描述煤矿地质信
息、井下环境和设备的应用软件。煤矿三维地理信息系统能够有效 地
建立矿山空间数据库，实现矿山的全景显示、动态显示，真实、 直观、
准确、清晰地表现地层、断裂、矿体及围岩形态，表达钻孔、 矿井
（竖井、斜井）、巷道、探槽、采空区、采矿区、采矿工作面 形态，
表达各种机械设备的配备与运转状况，表达矿井风流状况、 瓦斯浓度、
地应力场等三维现象。煤矿三维地理信息系统可以有效 地利用现有资
料对未采区和采掘工作面前方、深部及外围的地质构 造、矿体变化、
矿床分带及其它开采条件进行预报预测。
2 国内现状
中国煤矿GIS 应用起步较晚，与国际水平相比有较大差距，煤矿
行业迫切需要一个适应于中国国情的专业化的矿山三维地理信息系
统。但由于到目前为止，现有的GIS系统都还只能实现空间数据的二
维或者2.5维的表达和处理，还没有真正的三维GIS系统，因此在具
有三维特性的矿山领域中的应用受到了很大的限制，国内还未见投
入工业化运行的矿山GIS系统。煤矿三维GIS是煤矿发展的迫切需要
和发展方向，三维GIS将成为煤矿生产规划和信息化管理不可缺少的
工具。
3 应用范围
3.1 矿山基础数据的图形化存储和展示
根据矿山数据的多源性、复杂性、时空性、关联性、动态性等
特点，建立矿山空间数据库，可以形象地显示地层、断裂、矿体及 围
岩形态，表达钻孔、矿井（竖井、斜井）、巷道、探槽、采空区、 采
矿区、采矿工作面形态，表达各种机械设备的配备与运转状况， 表达
矿井风流状况、瓦斯浓度、地应力场等三维现象。
3.2 矿山生产环境的风险评价
煤矿三维GIS可动态地进行生产环境的风险分析。采矿设备周围
的风险区域是动态的，例如：随着工作面的不断推进，上覆岩层的
破坏、断裂、垮落是一个动态发展的过程，同时矿山压力的重新分
配将会引发矿井水、瓦斯分布的变化等等。系统依据当前时刻虚拟
环境中所处的状态对回采工作的多个工序如割煤、支架前移等进行
风险评价。
3.3 事故模拟与调查分析
煤矿三维GIS可以快速有效地在再现事故发生的过程。因而事故
调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生过程，从而找出事故
发生的原因并采取预防措施，防止类似事故的再次发生。
3.4 生产过程的动态模拟与技术培训
煤矿三维GIS可以动态地显示出矿井作业环境，而且可以对生产
作业过程进行模拟。系统所建立的三维环境是最忙碌且事故频发的
工作面，其危害主要来自岩体冒落、突水。
4 系统的主要功能
4.1 图形功能
矿图自动生成：能自动生成地形地质图、钻孔综合柱状图、勘探
线剖面图、中段地质平面图、巷道轴测投影图等矿山生产图形。包 括
柱状类：钻孔柱状图、综合柱状图、煤层小柱状、煤岩层对比图； 剖
面类：地质剖面图、采区剖面图、巷道素描图；平面类：煤层底 板等
高线与储量计算图，各类等值线图，三下压煤图，水平切面图， 采掘
工程平面图，井上下对照图、通风系统图、排水系统图、井下 避灾线
路图、采区布置图、采掘衔接计划图、工作面循环图表等。
根据原国家煤炭工业部颁布的《煤矿地质测量图例》、《煤矿
测量规程》、《煤田地质标准图例》等规范，主要包括井巷工程、 边
界、地层、岩石、地质勘探、地质构造、水文地质、储量圈定等 煤矿
专业符号，能够绘制绘制如下图纸：地形地质图；综合地质图； 矿床
地质横、纵剖面图；矿体投影图；开采阶段地质平面图；开采 平盘地
质平面图；品位分布图；矿体顶（底）板等高线图；矿石品
位等值线图；矿体等厚图；矿床立体图等；通过对井下巷道测量、 回
采面测量等数据绘制煤矿井上下对照图；绘制巷道布置图、采掘 工程
平面图；绘制用于煤矿安全生产的各种图件，如：通风系统图、 井下
运输系统图、井下通信系统图及各种管路系统图。
4.2 图形处理功能
回采工作面图形直接从煤层三维图上截取，生成的回采工作面立
体图在层位和倾斜度上符合煤层的变化情况，在三维煤层体视图中 不
仅可以直接观察到回采工作面的采空区，而且随回采工作面的推 进，
系统能自动根据煤层的厚度和倾角的变化进行工作面储量与回 收率的
计算。根据导线方位、长度和坡度，自动生成三维工程导线 图，并输
出各点三维坐标；使用鼠标即可完成导线闭合；系统与 CAD图形格
式相兼容，可以直接导入CAD平面图形，通过添加工程 导线变坡点
的标高和工程断面参数生成三维立体图和任意方位视图， 也可以转换
成二维双线图，因而可以充分发挥企业现有资源。
可以在三维立体图上进行任意剖切和制作有厚度的剖切体；可沿
工程导线漫游，查看工程内部的三维结构和设备布置状况；在有井
下实地录像资料时，点击三维图形工程，可以自动播发被选工程的
实况录像，便于了解井下实际情况和进行技术方案讨论。根据矿井
生产系统的现状，可以快速生成通风系统、安全避灾线路、运输系
统、排水系统、供电系统的三维线路图，标有线路运行方向，实现
三维动画显示。
4.3 三维建模功能
系统具有色彩处理、光线处理、纹理映射、动画、雾化效果、透
明处理、虚拟现实（VR）等功能，能够对任意块体进行剖分与建模。

系统能够实现涉及矿山生产各类三维目标的创建、更新、编辑、
检查等功能，完成建模基础数据更新后的岩层、煤层、断层等各类
地质目标和巷道工程、辅助管线等矿山生产目标的建模；对任意块
体进行剖分与建模；能够实现包括地形、地面建筑、地面水体、道
路、钻孔、地下巷道、地下硐室、采场、岩体、断层、矿体等对象
的三维建模，并可进行叠加合成处理，形成井上下三维空间模型；
能够检索查询三维体的属性；任意切割三维体生成不同用途的剖面
图。
具有强大的三维可视化功能，完成对三维空间模型的渲染、旋转、
移动和缩放，方便用户直观操作三维体，进行空间设计与分析。
4.4 应用模块
系统从应用上可分为采掘与工程设计、通风安全、计划与报告、
设备管理、灾害救援、生产系统模拟等应用模块。三维信息管理软
件涵盖了矿产资源勘探、开发和生产管理的各个阶段，包括：三维
地质建模；采矿工艺流程设计；采矿生产管理；各种地质图、专题
图制作；地质储量评估；钻孔数据管理；生产进度管理等。
5 系统延展性
煤矿三维GIS是将煤矿中的固有信息（即与空间位置直接有关的
相固定的信息，如地面地形、井下地质、开采方案、已完成的井下
工程等) 数字化的有力工具，用这个工具可以按三维坐标组织起来 一
个数字矿山，全面、详尽地展示矿山及矿体，并在此基础上再嵌 入所
有相关信息(即空间位置间接有关的相对变动的信息，如储量、 安全、
机电、人事、生产、技术、营销等)。通过数字化和三维建模， 实现矿
山地上地下所有对象的可视化透明管理；可通过采掘过程的 仿真模拟，
实现各种灾害的超前预警，避免灾害的发生，实现煤矿 安全生产的目
的；在煤矿三维GIS开发的应用软件可以实现企业资源 的最佳利用，
降低生产经营成本，达到高产高效；最终实现采矿过 程的可视化、自
动化、智能化。因此，煤矿三维GIS的应用在灾害预 警、节能减耗、
资源优化利用、煤矿环境的保护方面具有重大意义。