大数据时代煤田勘探钻孔地质空间数据库设计与实现

李 斌，邓思思，蔡思婷，陈琳敏，崔春兰，罗 群

（1. 韩山师范学院，潮州 521041；2. 神华地质勘查有限责任公司，北京 102249；3. 中国石油大学（北京），北京 100049）

0 引言

经过几代人的努力，我国煤炭生产取得了辉煌的成就，各大煤田生产稳步持续推进，为国家能源供给做出了巨大贡献，积累了丰富的勘探开发经验，形成了中国特色的煤田地质勘查技术规范[1-3]。煤田开采前，煤矿开采区一般均经历了预查、普查、详查及勘探等多轮地质调查，基本摸清了开采区煤田地质特征[4-5]。煤田掘进时，技术人员需开展重点钻孔补勘及三维地震勘探，以便准确掌握地下煤层厚度、煤层间距、煤层顶板特征及煤质地化性质等时空分布规律，以确定煤层开采的具体方案细节及针对性设计灾害应急预案[6]。

在煤矿掘进生产中，因地质构造、沉积地层分布的复杂性，局部位置常发生特殊的地质构造现象，如断层、褶皱等[7-9]，技术人员不仅要分析近期的邻近钻孔地质资料，还需对历史钻孔地质资料进行重新梳理，以便对特殊地质构造现象进行科学解释并调整掘进方案，指导煤矿生产[10-11]。在收集、管理、分析历史地质资料中常遇到钻孔地质资料管理分散，收集、查询历史地质资料手续复杂、效率低下，资料准确性不够、资料完整性欠缺以及资料使用的灵活性约束严重等问题[12-13]。

目前，信息技术虽然已经广泛应用于煤田地质勘查及煤矿开采管理的各个领域并取得了显著的成效[14-15]，但在煤炭企业内部或相关单位之间一直存在数据共享程度低、数据传输过程滞后、数据挖掘程度浅等问题[16-17]。笔者曾在某地质勘查企业长期从事煤田地质勘查工作，实施煤田地质钻探任务及煤田地质储量核查工作。在煤田勘探施工中，发现历史钻在实地勘探中因植被茂密寻找困难或因煤田挖掘、工程改造、洪水、地层突水、地层裂隙坍塌、沙丘移动、地质构造等情况致使钻孔封孔标志遭到破坏、掩埋、位移或丢失等；在储量核查中，发现个别历史钻孔因定位仪器误差或人工错误出现坐标错误，无法得到准确的核查数据，使煤层、煤质及其顶底板对比困难极大。煤田地质钻孔数据的管理模式、数据共享程度远落后于石油、地矿行业，不能满足信息时代煤田勘探与开采的需求，特别是有关历史钻孔数据获取程序复杂，行业间钻孔数据的共享程度极低、重复利用率低，造成了国家资源的极大浪费，迫切需要从根本上改进地质钻孔数据的管理模式，最大限度地提高钻孔地质资料的使用效率。

全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是美国自20世纪70年代开始研制的科研成果，具有海、陆、空全方位实时三维导航的新一代卫星定位系统[18]。GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，目前，广泛应用于军事、民用交通（船舶、飞机、汽车等）导航、大地测量、野外考察探险、土地利用调查、公安刑事侦查、农牧业管理及灾害预测与防治[19-20]。1999年，国土资源部在三峡库区建立了库区地质灾害GPS基准网，对地质灾害、环境破坏进行实时监测，取得了良好效果[21]。但实时GPS监测技术成本高，设备维护技术复杂，地质勘探领域没有全面推广该技术。

近年来，GPS技术与现代通信技术相结合，使得测定地球表面三维坐标的方法从静态发展到动态，从数据滞后处理发展到实时定位与导航，极大地扩展了GPS应用的广度和深度，在技术精度、生产科研效率方面得到了实质性提高，显示出巨大的优越性[22-23]，而且随着该技术的成熟以及使用范围扩展，其技术成本呈直线下降的趋势[23-24]，突破了技术推广的瓶颈。GPS应用于数字化矿山生产系统建设，是现代化煤矿建设的必然趋势，具有广阔的市场前景，必将带来巨大的经济效益。

煤田地质钻孔施工结束后，在封孔标志内植入太阳能电子跟踪芯片。太阳能电子跟踪芯片通过GPS定位将坐标位置发送至钻孔空间数据库系统，实现钻孔地质数据实时定位并传输钻孔定位动态信息。管理人员通过钻孔空间数据库系统及时跟踪并掌握钻孔情况，一旦发现钻孔标志丢失、移动、破坏或坐标出错、误差较大等情况，及时实地了解情况并做出处理，提前向有关部门或技术人员预报地质灾害，以准备安全应急措施或向科研人员提供地质构造运动的间接证据。钻孔空间数据库系统将每个钻孔的煤层综合成果、煤质地化分析结果集中统一管理，形成钻孔网络空间数据库，且以互联网方式发布并空间展示钻孔地质信息，向注册用户推送网络域名（网址）、钻孔坐标，并提供手机导航服务功能。同时，每个钻孔标志外侧张贴识别二维码，用户扫描二维码后及时获得特定钻孔的地质数据信息。该管理模式为煤田勘探开采、开发提供便捷的钻孔地质资料获取途径，也为我国整合钻孔地质数据、共享地学科研成果、推进地质勘探现代化提供创新型的解决思路。

1 钻孔空间数据库设计

钻孔空间数据库由空间数据表和属性数据表组成。其中，单孔施工数据表存放了具有空间特征的坐标信息，可在地图上投影表达空间位置及相关信息，为空间数据表；其他几个数据表（单孔煤层数据表、煤层数据表、单孔煤质数据表、单孔力学数据表）均为属性数据表，属性数据表与空间数据表通过相同关键字段（钻孔编号）的主外键关系建立了逻辑连接，从而使属性数据表也间接获得了空间信息特征，也可在GIS地图上表达各种属性数据信息。数据表之间的具体关系为单孔煤层数据表、单孔煤质数据表、单孔力学数据表与单孔施工数据表之间通过钻孔编号字段建立多对一的主外键逻辑关系，单孔煤层数据表、单孔煤质数据表、单孔力学数据表与煤层数据表之间通过煤层编号字段建立多对一的主外键逻辑关系。其中，煤层数据表为各表间的共用信息表，主要记录钻孔中共有的煤层信息，如煤层编号、煤层组合、煤层所在矿区及地区特征。各数据表之间的空间查询、展示、共享、更新等可通过数据表的连接关系进行，如图1所示。

图1 综合性钻孔数据库关系

当钻孔施工、地质评价结束后，按照数据库中各数据表的结构，录入相应的基础数据，则形成了钻孔空间数据库，并以WebGIS方式进行网络地图空间发布，并向地图导航商业服务公司（如百度导航、高德导航）购置导航服务，提供手机导航功能，对授权用户全方位开放信息共享通道，以获取任意钻孔的单孔煤层数据表、单孔煤质数据表、单孔力学数据表及单孔施工数据表的所有信息。并可通过钻孔坐标投影到地形图，进行空间分析，如分析钻孔某一煤层的厚度空间展布规律，煤层顶板的厚度、力学性质空间展布规律，煤层间距空间展布规律，单层煤层的煤质（如灰分、挥发分、发热量、含硫量、燃点等）空间分布规律，指导煤田勘探与生产。

2 GPS芯片植入与定位

目前，煤田地质钻孔施工结束后，均采用水泥制作长方体钻孔标志，刻画文字标记，以记录钻孔编号及施工单位。但因环境保护要求，钻孔标志均规格较小，其长度和高度一般不超过20cm，宽度不超过5cm，钻孔周边要求复垦种植树木或农作物，通过卫星遥感方式几乎难以识别钻孔标志物体，人工实地寻找钻孔位置的难度很大。但在封孔标志中植入GPS跟踪器及外部的玻璃保护装置，实时发送钻孔坐标位置至钻孔空间数据库系统，使钻孔实时跟踪简单易行。

GPS是一种具有全球性、连续性、实时性的精确定位系统[25]。随着科学技术的进步，芯片价格大幅降低，且太阳能充电技术逐步完善，GPS定位技术得到广泛推广，太阳能是一种重要的新型能源，国家正在全方位支持推广该项技术成果[26-27]。目前，普遍使用的太阳能GPS跟踪器配置了完好的透光、防水装置等，各组件封装出厂，安装简单，国内外生产厂家众多，均提供良好的售后服务[28]。GPS中太阳能电板是整个太阳能发电系统的核心，它的作用是将太阳能转化为电能，并对蓄电池充、放电进行保护。GPS跟踪器太阳能充电技术成熟，安装、更换维护操作便捷，完全可以用于长期的煤田地质钻孔监控跟踪服务。在煤田地质钻孔封孔标志中植入太阳能GPS芯片能够及时定位跟踪钻孔的状态，提高煤田地质钻孔智能化管理水平。

3 数据获取方式

3.1 钻孔位置信息传输

钻孔空间数据库系统通过网络通信端口接收GPS无线发送的钻孔位置，建立实时数据交换关系，实现煤田地质钻孔位置实时空间数据与静态属性数据无缝对接，以感知煤田地质钻孔现状，并将钻孔位置信息发送至地图导航商业服务公司（如百度地图、高德地图）提供的服务平台，完成钻孔坐标位置定位。

3.2 钻孔数据获取方式

钻孔空间数据库系统的推送助手负责向用户手机端发送钻孔地图导航APP及钻孔空间数据库系统网页地址，通过服务账号方式对外开放。用户可以随时随地了解勘探区所有煤田地质钻孔的地质信息及钻孔封孔标志的位移动态，并通过地图导航方式实地跟踪调查每个钻孔，分析钻孔位置标志的变化，提前感知可能的地质灾害或收集地质构造运动的间接证据。

实地钻孔标志处张贴二维码标志，二维码后台服务系统保存了该钻孔施工组织设计、钻探施工、采样、钻遇地层、煤层、煤层间距、煤质化验及测井解释等信息，用户可通过手机二维码扫描方式获得特定钻孔的煤田地质相关信息，了解该钻孔的施工情况、地质特征及相关责任人。

3.3 钻孔信息管理

钻孔空间数据库系统管理员可以对煤田地质钻孔信息进行修改、删除、维护，并为用户赋予权限级别，按照普通用户、专业用户和高级用户的级别分别设定不同的角色与权限。钻孔信息管理员能及时了解钻孔动态，向管理部门或技术用户预报地质灾害相关信息。

灵活便捷的煤田地质钻孔信息实时共享方式必将在煤田地质勘查、开采中得到广泛应用与推广，将消除钻孔地质数据共享的鸿沟，全面提升地质钻孔资料管理能力和服务水平，为我国地球科学研究提供直接的基础信息依据，也可为国民科普教育做出巨大贡献。

4 结论

（1）创建钻孔数据库管理系统，对地质钻孔基础数据进行科学管理，对外实时发布地质钻孔基础信息及钻孔动态，为用户提供便捷、快速的数据共享通道，且为煤田勘探、开发提供地质灾害预警服务。

（2）在钻孔标志中植入太阳能GPS跟踪器，及时通过地图导航服务系统发布坐标位置及地质钻孔空间数据库系统网址。用户获得钻孔的坐标位置，通过手机导航地图找到地质钻孔的空间位置，并可登录钻孔数据库管理系统及时了解钻孔的详细地质信息。本研究提高了钻孔资源的信息共享服务效率，减少重复性资金投入，是一种管理方法的创新，可以全面推广使用。

（3）普通用户可以通过二维码识别的方式实地获取单个钻孔资料信息，也可以手机APP方式或网页登录方式按照钻孔地图位置查找、借阅钻孔地质信息资料，实现地质钻孔资料的交流与共享形式多样、流程畅通、效率提高。高级用户则可以WebGIS方式通过网络数据库管理、更新、维护、查阅钻孔资料，从而实现智能化煤田地质钻孔资料共享，全面推动煤田地质钻孔信息化建设发展。