基于Active X Automation的三維可視開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)*

顧 偉 譚志祥 鄧喀中

(1.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院)

煤炭資源是我國(guó)的主要能源，占一次性能源消耗的75%左右。煤炭資源的大量開(kāi)發(fā)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。礦山開(kāi)采導(dǎo)致的覆巖地表移動(dòng)對(duì)礦山開(kāi)采安全、環(huán)境與地面建筑物有很大的影響。對(duì)一個(gè)有計(jì)劃的開(kāi)采地表沉陷進(jìn)行準(zhǔn)確的定量計(jì)算對(duì)保護(hù)地表建筑物安全和保護(hù)環(huán)境具有重要的意義［1］。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)軟件大多采用VB、C++、MATLAB等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言或二次開(kāi)發(fā)編寫(xiě)完成［2-5］，大多數(shù)軟件在沉陷預(yù)測(cè)的可視化表達(dá)方面表現(xiàn)不足。

Visual Basic(簡(jiǎn)稱VB)是用于開(kāi)發(fā)和創(chuàng)建Windows操作平臺(tái)下具有圖形用戶界面的應(yīng)用程序的強(qiáng)有力的工具之一［6］。VB采用面向?qū)ο?、事件?qū)動(dòng)的編程機(jī)制，提供了一種“所見(jiàn)即所得”的可視化程序設(shè)計(jì)方法，為應(yīng)用程序的界面設(shè)計(jì)提供了最迅速便捷的途徑。使開(kāi)發(fā)圖形用戶界面GUI(Graphic User Interface)程序變得簡(jiǎn)單易懂，利用這種方法不用編寫(xiě)大量代碼就可以開(kāi)發(fā)比較專業(yè)的圖形用戶界面程序。SURFER是美國(guó)Golden Software公司開(kāi)發(fā)的一款科學(xué)類繪圖軟件［7］。SURFER軟件可以實(shí)現(xiàn)基面圖、等值線圖、三維表面圖等圖形的繪制和編輯。軟件自身提供了11種數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法和位圖、AUTOCAD、GIS等軟件文件的輸入輸出接口，極大地方便了文件和數(shù)據(jù)的交流和交換。另外，軟件還提供強(qiáng)大的腳本編輯引擎，可自主開(kāi)發(fā)繪制格式化圖形，自動(dòng)化功能得到極大加強(qiáng)［7］。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)系統(tǒng)在可視化表達(dá)方面的缺陷。本研究利用SURFER軟件的Active X Automation技術(shù)將開(kāi)采沉陷的數(shù)據(jù)處理、結(jié)果表達(dá)結(jié)合起來(lái)，采用VB6.0軟件開(kāi)發(fā)了基于概率積分法的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)采沉陷的預(yù)計(jì)計(jì)算及結(jié)果分析的可視化表達(dá)。

1 概率積分法基本原理

概率積分法是基于隨機(jī)介質(zhì)理論的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)方法，是我國(guó)目前應(yīng)用最為廣泛、較為成熟的預(yù)計(jì)方法，也是“規(guī)程”規(guī)定的預(yù)計(jì)方法之一［1，8］。隨機(jī)介質(zhì)理論認(rèn)為，介質(zhì)是由類似于砂?；蛳鄬?duì)來(lái)說(shuō)很小的巖塊這樣的介質(zhì)顆粒組成。顆粒之間完全沒(méi)有聯(lián)系，可以自由相對(duì)運(yùn)動(dòng)。顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)用顆粒的隨機(jī)移動(dòng)來(lái)表征，大量的顆粒介質(zhì)的移動(dòng)可以看作是隨機(jī)過(guò)程［1］?；谏鲜隼碚?，可以得到概率積分法計(jì)算地表任意點(diǎn)移動(dòng)變形值的數(shù)學(xué)模型如下:

式中，W0為最大下沉值;W0=mq cosα，α為煤層傾角，q為下沉系數(shù)，m為采厚;b為水平移動(dòng)系數(shù);r為主要影響半徑，r=H/tanβ，tanβ為開(kāi)采影響傳播角;H為工作面采深;φ為從x軸的正向逆時(shí)針計(jì)算到指定方向的角值;W，i，K，U，ε分別為地表移動(dòng)的下沉，傾斜，曲率，水平移動(dòng)和水平變形。

另外需要說(shuō)明的是式中D為計(jì)算開(kāi)采區(qū)域，即考慮拐點(diǎn)偏移距后的開(kāi)采區(qū)域，在開(kāi)采平面上一般呈現(xiàn)為多邊形。對(duì)計(jì)算開(kāi)采區(qū)域D，可以采用分割多邊形的方法計(jì)算，假設(shè)將開(kāi)采區(qū)域D分割為n個(gè)任意小的矩形，采用疊加的方法處理后，式(1)可以采用式(6)計(jì)算:

式中，Si為第i個(gè)矩形的面積。

同理，可實(shí)現(xiàn)任意多邊形開(kāi)采地表傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形的計(jì)算。

2 開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要算法

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要功能

基于概率積分法所開(kāi)發(fā)的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多工作面開(kāi)采地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)、計(jì)算結(jié)果的可視化表達(dá)、移動(dòng)變形分析等功能。按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)系統(tǒng)分為多個(gè)模塊，分別編寫(xiě)程序進(jìn)行計(jì)算和處理。程序如圖1所示。

圖1 開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)程序流程

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能:

(1)主斷面的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)?？蓪⒂?jì)算數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入EXCEL實(shí)現(xiàn)主斷面上移動(dòng)變形曲線的自動(dòng)繪制。

(2)多個(gè)任意形狀工作面的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)計(jì)算。對(duì)1個(gè)或者多個(gè)任意形狀工作面開(kāi)采引起的地表的下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形進(jìn)行定量的預(yù)計(jì)?？缮山涌跀?shù)據(jù)文件，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)與SURFER、AUTOCAD、ARCGIS等先進(jìn)分析軟件結(jié)合進(jìn)行后處理。

2.2 主要計(jì)算方法

2.2.1 定積分的數(shù)值解法

如此逐次計(jì)算，當(dāng)T2k和T2k－1的差值較小，滿足計(jì)算的精度時(shí)退出。

這樣區(qū)間逐次對(duì)分時(shí)只需計(jì)算新增加的函數(shù)值，避免了老分點(diǎn)上函數(shù)值的重復(fù)計(jì)算，可以使計(jì)算量節(jié)省將近一半。Romberg方法是一種比較高效的數(shù)值積分計(jì)算方法［10］。

2.2.2 坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

實(shí)際采用的大地坐標(biāo)系或者獨(dú)立坐標(biāo)系采用的是左手坐標(biāo)系即滿足X軸順時(shí)針轉(zhuǎn)90°為Y軸的坐標(biāo)系。而概率積分法計(jì)算坐標(biāo)系是工作面下山和左邊界為原點(diǎn)的右手坐標(biāo)系。所以在計(jì)算過(guò)程中要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。程序中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用3個(gè)已知值:工作面左下山角點(diǎn)坐標(biāo)(X0，Y0)和走向方位角α值來(lái)轉(zhuǎn)換到概率積分法的計(jì)算坐標(biāo)系。對(duì)大地坐標(biāo)系中坐標(biāo)為(X，Y)轉(zhuǎn)換到計(jì)算坐標(biāo)系中為(Xj，Yj)，如圖2所示，可按照式(9)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

3 預(yù)計(jì)結(jié)果可視化方法

3.1 SURFER Active X Automation技術(shù)簡(jiǎn)介

Active X Automation技術(shù)是微軟提供的API和一組規(guī)范，具有組件對(duì)象模型(COM)的特征。SURFER中的Active X Automation所提供的變成接口，使用戶可以很容易地運(yùn)用各種高級(jí)編程語(yǔ)言(如VB，Delphi，C++等)來(lái)定制SURFER［7，11］，進(jìn)而方便快速的繪制等值線圖、黏貼圖、影像圖、矢量圖等圖件，也可以對(duì)圖件進(jìn)行趨勢(shì)面分析、體積和面積計(jì)算、坡度分析、剖面分析等三維空間分析。SURFER提供了60余種不同種類的Active對(duì)象供外部應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用［12］，通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言定制基本可以完成SURFER的所有功能。

使用VB語(yǔ)言連接SURFER ACTIVE對(duì)象的主要程序:

建立VB程序與SURFER對(duì)象連接后就可以通過(guò)VB編程操縱SURFER完成各種復(fù)雜的計(jì)算功能。

3.2 采用SURFER進(jìn)行開(kāi)采沉陷分析的流程

根據(jù)開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)模塊計(jì)算得到的地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)和SURFER內(nèi)置函數(shù)可以完成各種圖件的制作、數(shù)據(jù)的分析等工作。具體步驟如下。

(1)首先采用系統(tǒng)的開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)模塊進(jìn)行工作面開(kāi)采后的地表沉陷預(yù)測(cè)計(jì)算，得到三維地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)，包括點(diǎn)位坐標(biāo)和各種變形值的大小。

(2)連接SURFER，將所得數(shù)據(jù)送入SURFER內(nèi)核數(shù)據(jù)處理進(jìn)行數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化。

(3)采用SURFER的圖形制作表達(dá)功能制作各種圖件資料，并可以和工作面進(jìn)行疊加分析。

(4)采用數(shù)據(jù)SURFER的數(shù)據(jù)分析功能實(shí)現(xiàn)各種統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)的分析處理。

具體流程見(jiàn)圖3。

4 工程應(yīng)用

為測(cè)試程序在多工作面預(yù)計(jì)情況下的可靠性。采用程序?qū)ι綎|某煤礦六采區(qū)井下開(kāi)采地表移動(dòng)變形進(jìn)行了預(yù)計(jì)和分析。

4.1 采區(qū)情況

該礦六采區(qū)開(kāi)采煤層有2層:2煤和3煤，為近水平煤層，層間距20 m左右。2煤開(kāi)采厚度1.5 m，平均采深240 m左右，計(jì)劃布置20個(gè)工作面;3煤采用綜采放頂煤開(kāi)采，計(jì)劃布置20個(gè)工作面，平均采深260 m左右;2煤和3煤共計(jì)40個(gè)工作面。

圖3 采用SURFER進(jìn)行開(kāi)采沉陷數(shù)據(jù)處理的流程

為預(yù)計(jì)煤層開(kāi)采后對(duì)地表的影響情況，采用所編制的VB程序和SURFER軟件結(jié)合概率積分法對(duì)該采區(qū)2煤和3煤開(kāi)采后的地表移動(dòng)情況進(jìn)行了分析。

4.2 預(yù)計(jì)參數(shù)的選擇

根據(jù)該礦區(qū)實(shí)測(cè)資料，通過(guò)綜合分析，確定了預(yù)計(jì)中選擇的參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 預(yù)計(jì)中所使用的概率積分法參數(shù)

4.3 2煤和3煤共同影響下開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果

采用上述方法對(duì)該礦2號(hào)和3號(hào)煤層進(jìn)行開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)及圖形分析，得到了地表移動(dòng)變形的等值線和三維表面圖。由于篇幅所限，本文僅給出了下沉盆地的三維表面如圖4所示。

圖4 下沉盆地三維表面

預(yù)計(jì)所得到的結(jié)果符合煤礦開(kāi)采地表移動(dòng)的規(guī)律，說(shuō)明建立的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)程序是正確可靠的。系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種圖件的制作，極大地提高了工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

采用Active X技術(shù)將VB和SURFER緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析的可視化及圖件制作和數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)化。首先建立了基于概率積分法的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)程序，然后采用二次開(kāi)發(fā)操作SURFER內(nèi)核程序?qū)崿F(xiàn)了預(yù)測(cè)結(jié)果的可視化及分析的自動(dòng)化，極大地提高了開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析工作的效率。采用SURFER內(nèi)核程序進(jìn)行分析計(jì)算，可減少編程開(kāi)發(fā)工作量，對(duì)提高開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)分析的準(zhǔn)確性和實(shí)現(xiàn)沉陷預(yù)測(cè)分析的自動(dòng)化、可視化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ 何國(guó)清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開(kāi)采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)出版社，1991:166-168.

［2］ 吳 侃，周 鳴.礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999:1-3.

［3］ 朱慶偉，郭達(dá)志.煤礦區(qū)地表沉陷及其可視化新方法［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006(6):10-12.

［4］ 李培現(xiàn)，譚志祥，齊公玉，等.基于MATLAB的開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)［J］.中國(guó)礦業(yè)，2008(11):72-76.

［5］ 趙林林，佟光成，申靈玲.基于ArcObjects的地表沉陷信息可視化技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)礦業(yè)，2007(11):33-35.

［6］ 張 艷.Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001:2-3.

［7］ 王 建，白世彪，陳 曄.Surfer8地理信息制圖［M］.北京:中國(guó)地圖出版社，2004:1-2.

［8］ 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000:81-90.

［9］ 胡建華，陳興同，曹德欣.數(shù)值計(jì)算方法［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008:111-113.

［10］ Curtis FGerald，Patrick OWheatley.應(yīng)用數(shù)值分析［M］.呂淑娟，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:222-228.

［11］ 周 露，尹太舉，張 琪.Surfer Automation技術(shù)在長(zhǎng)井段油藏描述中的應(yīng)用［J］.物探化探計(jì)算技術(shù)，2010，32(1):104-108.

［12］ 馬玉峰，高春香.VB與SURFER聯(lián)合編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪制氣象要素圖形［J］.內(nèi)蒙古氣象，2010(2):38-39.