第1章 引言
掘衔接对矿井连续性生产影响不大，因此相对来说，国外对于矿井采掘衔接的要求较低，相关研究不多。最早进行研究的是美国的宾夕法尼亚大学研制的煤矿井下生产计算机模拟系统，系统侧重于煤矿生产衔接的计算机模拟，现场实用性较低。前苏联根据统筹规划模型、动态规划模型进行深入研究，并编制了采掘生产衔接软件。在此方面研究较多，成果较显著的是德国，波鸿矿业专科学校的玛伦霍尔茨教授从上世纪七十年代末开始矿井生产计划的研究工作，并开发了煤矿生产、经营的计算机模拟软件，用来指导矿井的生产活动，同时也可以检验、评价矿井的采掘衔接计划，是较好的采掘衔接几何辅助软件。西柏林大学和莱因州矿业技术公司联合开发了煤矿生产计划计算机模型，通过在一个新矿井和三个老矿井中的应用，显示了这个模型是生产计划人员强有力的辅助工具。南非的ANGWAMERICAN公司开发的矿山计划管理与设备管理信息系统是世界上较著名的一个矿山生产及设备计划管理系统。此外，美、英、澳等国家也结合其各自矿山的特点，开发了相应的矿山生产计划管理系统。近年来，他们又综合应用人工智能技术、优化算法和模拟法试图有效地解决矿山生产计划的优化编制问题[1]。
随着矿井生产效率的不断提高，采掘衔接作为矿井生产管理工作的重要环节逐步受到煤炭行业的重视。自上世纪60年代起，随着运筹学、系统工程理论和电子计算机技术引入我国采矿业，矿井采掘衔接的研究得到了很快发展，出现了许多新方法。特别是近年来，国内煤矿采掘衔接研究取得了一定成果，具有代表性的有[5-10]：
（1）山东科技大学蒋国安教授提出了采掘衔接智能编制方法，此方法采用时间序列分析法和贝叶斯预测方法预测衔接时间，马尔可夫决策规划法预测衔接成本，进行采掘衔接计划的编制与检验。计划编制过程中强调其智能性，使用了多种数学方法对相关过程进行模拟安排，系统设计了知识库，其中存储了自动编制计划需要的事实、规则和概念，包括模型的知识、采掘关系控制的经验性知识和相关的元知识等。
（2）北京科技大学资源工程学院李仲学教授根据煤矿生产的实际需求编制了地下煤矿采掘计划计算机辅助管理学系统。
（3）中国矿业大学王玉浚教授和彭建良博士在上世纪九十年代末编制了缓倾斜煤层矿井的采区和工作面衔接的通用模型与程序，对工作面产量进行了计算机模拟，并利用模糊数学理论对工作面衔接的地质条件进行了综合分析。
（4）西安科技学院的张金锁博士与唐祖章教授利用计算机动画与仿真技术，
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并结合优化原理，模拟采掘衔接计划。
目前，在我国矿山制图中，大多仍借助于AutoCAD的开发和编辑环境。由于AutoCAD主要适用于机械制图领域，故在图形数据库文件结构、空间信息的操作和界面的设计方面都有很多不适合矿山制图之处。AutoCAD是一种计算机辅助设计系统，与地理信息系统有着很大的区别，无法大量存储各种矿山属性信息。同时，因图形间无法建立拓扑关系，给矿山日常信息的查询和处理带来了很大的不便。同时，在部分矿山地质部门，一些地理信息系统软件也应用到矿图设计领域，如MAPGIS、MAP/INFO、ARC/INFO等，由于这些软件主要为通用地理信息系统软件，设计时并未或未充分考虑矿山空间信息的特点，因此，不能充分满足矿山管理信息系统的需要[11][12]。
在国内，与地面数字化成图相比煤矿井下矿图绘制系统的研究还相对比较落后，至今为止出现的具有初步自动成图功能的代表性软件主要有：北京龙软科技发展有限公司开发的《地测空间管理信息系统》LRGIS3.0、煤炭科学研究总院唐山分院研制的《煤矿测量多图种综合绘图系统》，西安集灵公司开发的《煤矿地测信息系统》[13]等。
1.2.2 存在的问题
目前，我国很多矿井都很重视矿井采掘计划的编制工作，把它作为矿井管理工作的重要组成部分。但是，在对待采掘计划的编制上仍存在若干问题[14]：
（1）由于各国矿山实际条件各不相同，虽然有些软件在其它国内比较先进，能为矿山生产带来便利，但不能形成国际通用的软件包，所以不可能直接应用于我国的煤矿生产。
（2） 当前，在编制矿井采掘计划时，多数矿井仍采用人工排队法。这种方法简单易行，综合反映了计划工作人员的聪明才智和实际经验，但往往具有盲目性。用这这种方法编制出来的计划仅考虑满足回采工作面之间的正常接替，是否反映了最佳方案就不得而知了。
（3）系统分析方法引入采矿工程，使得采掘计划的编制出现了新方法。如动态规划法、关键线路法等。动态规划法不仅可以计算出具体矿井条件的最佳生产周期和该生产周期内应准备的煤量，而且还能解算出矿井采区间最优接替顺序。动态规划法解算上述命题的主要原则是保证生产费用最少，这当然符合人们的愿
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第1章 引言
望。但是，由于矿井生产的复杂性，影响矿井生产费用的因素繁多，随之带来两个问题：首先，计算费用时某些参数指标难以选取，不同矿井中，参数指标差别很大；其次，繁多的影响因素是问题趋于复杂化，而且难以考虑周全。这些问题的出现，造成了计算结果的可信度差，使矿井生产管理工作者难以接受，艰深的理论和复杂的计算也不易被矿井生产管理者所掌握，因而其应用范围就受到限制。
（4）国内各系统的数据主要来源于图形的数字化，即系统中的点、线、面等图形数据主要来源于底图的数字化。由于没有地测数据作基础，所以根据原始地质数据自动生成相关采掘计划的功能很弱，甚至没有，导致规划出的计划方案准确率和实用性不可能太高。
（5）各个系统大多对煤矿采掘衔接系统进行整体设计，总体上模拟衔接计划，这种方式立足于计算机自动模拟和决策，不能对各种情况进行充分考虑，必然造成信息的丢失和决策结论准确率的下降。
总之，国内外的煤矿生产软件很难满足现在矿山生产的实际需要，特别是在当前对地测基础数据要求较高的条件下。所以在计算机应用越来越广泛的矿山界，一套符合实际需求的现代化采掘衔接软件亟待研究开发。
此外，计算机辅助设计系统（AutoCAD等）与地理信息系统（MAPGIS、MAP/INFO、ARC/INFO等）等在矿图绘制中都有不同程度的应用，但由于各自的特点使得在矿图绘制中又有各自的缺点和不足[15]。
以AutoCAD等为代表的计算机辅助设计系统开发应用起步较早，具有较为强大的图形编辑与输出功能，因此部分矿山采用该软件进行矿山图形的绘制。由于矿图主要涉及的是地理空间实体，为矿山开采等服务，要求处理复杂的图形信息和属性数据，这种空间信息也是动态变化的。数字化矿山，建设矿山地理信息系统是矿山信息化建设的主要内容，当大量AutoCAD格式的数字矿图作为矿山地理信息系统基础数据源时，必然要耗费大量的工作量进行格式的转换和信息（主要为属性信息）的补充，这将严重影响到当前我国数字化矿山的进程。
通用地理信息系统（MAPGIS等）虽然具有较为强大的通用图形数据编辑和较为完善的空间信息管理方案，但由于没有建立矿山特有的数据模型与数据结构，并不能完全适合矿图设计的需要，另外行业上的差别，也使得它所提供的一些系统功能不能完全适用，同时缺乏专业处理的能力，比如矿井地质剖面图、煤层底板等高线图等的自动生成。如对地理信息系统进行二次开发则不具有系统的版权，且受到其版本的限制，而且由地理信息系统软件自身提供的二次开发语言，运行
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效率低，同时计算模块和地理信息系统通过数据文件进行通信，也容易出现致命错误[11]。
另一方面，一些专业性的系统和软件虽然对矿井地质制图的研究取得了一定的成果，初步实现了矿图的自动或半自动生成，而且针对性和专业性较强，对制图人员来说，减轻了劳动强度，提高了工作效率。但随着计算机以及矿山地理信息系统（MGIS）理论和技术的不断发展，现有的软件和系统已经越来越难以满足矿山制图的需求，具体体现在：
(1) 面向对象的概念不足，软件维护困难
目前的系统程序设计思路是结构化设计，而不是更为先进的面向对象设计。为了满足煤矿信息化的日益提高，需要对制图软件进行不断的更新，则造成维护的成本与难度相当大，而且软件的稳定性和可扩展性也很差。
(2) 二次开发困难
目前，地理信息系统软件二次开发的主流方式是控件（ActiveX）技术和组件（COM）技术，它们能够有效的减轻二次开发的工作量与难度，而目前煤矿制图系统主要是利用函数库进行开发，对开发人员要求很高。
(3) 空间数据管理能力欠缺
煤矿地质空间数据的特点是数据量大且记录是变长的，因此需要借助空间数据库系统才能进行高效的管理。而目前的煤矿制图系统对数据的管理主要是以文件的形式，难以有效地实现海量空间数据的存储、管理、分析和共享。
(4) 自动化和通用性不好
由于地质数据的特殊性和复杂性，地质制图并没有达到完全自动化的程度，其后续交互式编辑不能使用户完全满意，还有待于继续提高其性能。而且，当运用到地层条件差别很大的其它煤矿中时，对系统的改动较大，造成系统维护代价增高。
1.3 论文的研究内容及意义
1.3.1 论文的研究内容
矿井采掘衔接系统中最为重要的就是图形的形成，矿山制图系统不仅是为矿山开采提供基本矿图，同时也是矿山地理信息系统中矿山数据采集、存储、分发
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的重要组成部分。所以，矿图绘制系统的设计首先应该是基于GIS技术，其次还要考虑矿山空间信息的特点以建立专用于矿山制图的数据模型和数据结构。
因此，我们从我国煤矿空间信息化的实际需求出发，针对目前国内外现有矿图绘制系统和软件的缺陷和不足，采用最新的计算机和GIS理论和技术，提出了矿井制图系统的新架构，并结合空间数据库技术，对海量地质空间数据进行有效的管理，从而更好地服务于煤矿的空间信息化建设。本论文的研究内容主要包括以下几点：
（1）面向对象的内存管理研究与实现
以对象的形式管理内存，是本研究的关键技术之一，它利用虚拟内存技术、内存映射技术等，实现系统自己对内存的分配、读写，可以充分考虑到煤矿空间数据本身的特点大小等。并在此基础上实现系统进程之间数据共享。
（2）煤矿图形文档的设计与管理
以面向对象的内存管理为基础，优化图形文档的结构，增强版本间的兼容性，并给出详细设计与实现。
（3）基于GIS的采掘衔接决策支持系统的整体设计
首先分析并确定了系统开发方法的选择，阐述了系统分析的方法和设计思路，在此基础上给出了系统总体设计的目标及其功能结构设计，其中详细阐述了煤矿空间数据存储模型，包括空间数据库型、纯文件型和混合型。
（4）采掘衔接模拟过程的控制方式和模拟模型
介绍了几种常见的模拟方法，通过比较分析，并结合矿井采掘衔接的特定性，给出了适合此种情况下的模拟方法，进而在对采掘系统进行充分分析的基础上，确立了模拟模型，并给出详细的采掘衔接模拟模型结构图
（5）进一步阐述了时间序列预测模型在采掘衔接中的应用，并给出矿井采掘关系检验的具体过程。
1.3.2 论文的意义
矿井采掘衔接工作的效率直接影响到其生产安全和生产效益，对矿井生产计划的完成将产生很大的影响。地理信息系统的产生和发展为提高矿井生产衔接效率提供了可能，它与煤矿现场的结合必将服务于煤炭行业，并为煤炭企业安全生产起到积极作用。
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