基于MATLAB的開采沉陷預(yù)計實驗教學(xué)系統(tǒng)

查劍鋒，張豪杰，趙　軍，吳承紅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2．國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

基于MATLAB的開采沉陷預(yù)計實驗教學(xué)系統(tǒng)

查劍鋒1，2，張豪杰1，2，趙軍1，2，吳承紅1，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2．國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

摘要：虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是開采沉陷學(xué)教學(xué)的重要輔助手段，尤其是開采沉陷預(yù)計、巖層移動及控制等抽象、復(fù)雜的知識點教學(xué)。本文以MATLAB為開發(fā)平臺，設(shè)計并實現(xiàn)了開采沉陷預(yù)計實驗教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用GUIDE制作圖形用戶界面，實現(xiàn)了對開采沉陷預(yù)計主要教學(xué)內(nèi)容的動態(tài)仿真。系統(tǒng)界面友好，操作簡便，將其用于輔助課堂教學(xué)，有助于加深學(xué)生對開采沉陷預(yù)計內(nèi)容的理解，同時能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：開采沉陷；MATLAB；圖形用戶界面；概率積分法

開采沉陷預(yù)計是開采沉陷學(xué)科的核心內(nèi)容之一，是開采沉陷地表及巖層移動規(guī)律研究在工程實踐中的具體應(yīng)用。開采沉陷預(yù)計是開采沉陷學(xué)服務(wù)礦區(qū)的主要方面，預(yù)計結(jié)果可以為工作面開采方案設(shè)計、開采損害鑒定、地表沉陷控制方案設(shè)計等工作提供指導(dǎo)。利用預(yù)計結(jié)果可以定量地研究受開采影響的巖層、地表移動在時間上和空間上的分布規(guī)律，進(jìn)一步加深對開采沉陷基本規(guī)律的認(rèn)識。開采沉陷預(yù)計具有理論性強(qiáng)、學(xué)生理解困難、公式推導(dǎo)復(fù)雜等特點。

開采沉陷預(yù)計方法主要有基于實測資料的經(jīng)驗方法、理論模擬法和影響函數(shù)法等，目前在我國應(yīng)用廣泛且較為成熟的是概率積分法[1-2]。概率積分法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，其基本原理比較抽象；預(yù)計過程包含大量的公式推導(dǎo)，內(nèi)容枯燥無味且學(xué)生理解困難；同時概率積分法預(yù)計采用的預(yù)計參數(shù)很多，這些參數(shù)的幾何意義和物理意義難以理解；這些都給開采沉陷學(xué)教學(xué)帶來極大的困難，因此有必要開發(fā)一個交互式軟件輔助教學(xué)，提高教學(xué)效果。

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，具有非常強(qiáng)大的計算功能、數(shù)據(jù)分析和可視化功能，已成為世界上應(yīng)用最廣泛的科學(xué)計算軟件之一[3-4]。MATLAB具有豐富的內(nèi)置函數(shù)和圖形顯示功能，大大提高了編程效率和可視化效果。它還具有強(qiáng)大的圖形用戶界面(GUI)生成能力，用戶可以根據(jù)需要設(shè)計自己的圖形界面[5]。MATLAB在開采沉陷預(yù)計及其可視化表達(dá)方面有其特定的優(yōu)勢[6-7]。

為此，本文以MATLAB作為開發(fā)平臺設(shè)計并實現(xiàn)了開采沉陷預(yù)計實驗教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了隨機(jī)介質(zhì)理論原理演示、概率積分法預(yù)計基本原理演示、沉陷預(yù)計及預(yù)計結(jié)果可視化、地質(zhì)采礦因素地表沉陷的影響規(guī)律分析等功能。該系統(tǒng)采用圖形交互的界面，操作簡便，形象直觀，用于輔助理論教學(xué)，能夠有效地提高教學(xué)效果。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計之前，首先要確定整個實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計本系統(tǒng)的主要目標(biāo)是為開采沉陷預(yù)計教學(xué)提供一個交互式的圖形用戶界面，對開采沉陷預(yù)計課程中的重要內(nèi)容進(jìn)行動態(tài)仿真，以幫助學(xué)生深刻理解這部分內(nèi)容。根據(jù)這一要求，并結(jié)合本校所用的“礦山開采沉陷學(xué)”教材，確定整個實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該試驗系統(tǒng)主要由隨機(jī)介質(zhì)理論原理演示、概率積分法預(yù)計基本原理演示、地表沉陷預(yù)計及預(yù)計結(jié)果可視化等5個模塊構(gòu)成，基本上覆蓋了開采沉陷預(yù)計部分的主要教學(xué)內(nèi)容。系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)展性，與開采沉陷預(yù)計相關(guān)的其他課程內(nèi)容可在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)各個模塊的主要功能如下所示。

1)隨機(jī)介質(zhì)理論原理演示。作為隨機(jī)介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)理論模型認(rèn)為，介質(zhì)是由類似于砂?；蛳鄬碚f很小的巖塊這樣的介質(zhì)顆粒組成，顆粒之間完全失去聯(lián)系，可以相對運動。該模塊主要功能就是對這一理論模型進(jìn)行演示。

2)概率積分法預(yù)計基本原理演示。對半無限開采地表移動盆地主斷面變形預(yù)計方法和有限開采地表移動盆地主斷面變形預(yù)計的疊加原理法分別進(jìn)行演示，以加深學(xué)生對概率積分法預(yù)計基本原理的理解。

3)地表沉陷預(yù)計及預(yù)計結(jié)果可視化。利用概率積分法，預(yù)計主斷面、地表任意點的下沉和變形值，實現(xiàn)走向和傾向主斷面下沉及變形圖的自動繪制及輸出，任意點下沉盆地三維效果圖、二維等值線圖的自動繪制和輸出。

4)地質(zhì)采礦因素對地表沉陷的影響規(guī)律。改變某個地質(zhì)采礦因素，查看相應(yīng)地表移動與變形預(yù)計結(jié)果的變化，分析該地質(zhì)采礦因素對預(yù)計地表下沉的影響規(guī)律。

5)概率積分法參數(shù)對預(yù)計結(jié)果影響規(guī)律分析。以圖文并茂的方式對概率積分法基本參數(shù)的含義進(jìn)行解析，并分析各參數(shù)對地表沉陷預(yù)計結(jié)果的影響規(guī)律。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

交互式實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的主要方面包括基本程序的編寫、GUI界面設(shè)計、界面動態(tài)功能的實現(xiàn)和系統(tǒng)的調(diào)試和完善等。

1)基本程序的編寫?；境绦虻木帉懯侵父怕史e分法變形預(yù)計公式的編寫和預(yù)計結(jié)果的可視化等。該過程的關(guān)鍵技術(shù)在于如何將復(fù)雜的計算公式用m語言轉(zhuǎn)換為函數(shù)、預(yù)計區(qū)域網(wǎng)格的自動剖分以及二維和三維變形圖的繪制與輸出等。概率積分法中用到了高斯誤差函數(shù)erf(x)，而MATLAB中包含了對該函數(shù)進(jìn)行計算的方法，因此大大減少了程序的編寫難度。對于預(yù)計區(qū)域的網(wǎng)格剖分，系統(tǒng)使用MATLAB中的meshgrid命令來實現(xiàn)，該命令將給定區(qū)域按照一定的方式劃分為平面網(wǎng)格，利用該網(wǎng)格來繪制二維等值線圖或三維曲面圖；此外，系統(tǒng)利用MATLAB強(qiáng)大的繪圖功能實現(xiàn)了預(yù)計結(jié)果的可視化表達(dá)及圖形的自動繪制。

2)GUI界面設(shè)計。圖形用戶界面(GUI)是由菜單、工具欄、命令按鈕、控件等構(gòu)成的一個用戶界面，用戶通過一定的操作激活這些圖形對象，實現(xiàn)系統(tǒng)仿真、繪圖等[3]。GUI界面設(shè)計的關(guān)鍵是控件和菜單項的選擇及其屬性的設(shè)置。由于系統(tǒng)各模塊的功能需求不同，因此在設(shè)計系統(tǒng)的GUI界面之前，首先分析了各模塊功能需求，繪制了靜態(tài)界面草圖，然后依據(jù)該草圖完成了GUI界面設(shè)計。

3)界面動態(tài)功能的實現(xiàn)。交互式實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是界面動態(tài)功能的實現(xiàn)。在完成GUI界面設(shè)計后，對界面上的每一個控件和菜單選擇一種回調(diào)方式，編寫相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，實現(xiàn)了界面的動態(tài)仿真功能。

4)系統(tǒng)調(diào)試與完善。系統(tǒng)利用MATLAB軟件的調(diào)試功能，發(fā)現(xiàn)了程序中的錯誤和不完善的地方，并加以修改和完善，最終完成了系統(tǒng)的設(shè)計。

系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線圖

3系統(tǒng)具體實現(xiàn)

3.1隨機(jī)介質(zhì)理論模型原理演示

概率積分法的理論基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，理解和掌握該理論是學(xué)生學(xué)習(xí)開采沉陷預(yù)計方法的基礎(chǔ)。隨機(jī)介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)理論模型表述如下：將介質(zhì)顆粒假設(shè)為大小相同、質(zhì)量均一的小球，并裝在大小相同的方格內(nèi)，第一層小球被移走時，由于重力作用，上一層的兩個相鄰方格內(nèi)的小球之中的一個將滾入此方格。假設(shè)兩個相鄰方格內(nèi)的小球滾入此方格的概率是相等的，都為1/2。根據(jù)概率相乘和相加定理，即可得到移除第一分層小球后，上方每一分層中各小球落入下一分層的概率。如果在第一分層的小格處放出數(shù)量相當(dāng)多的、其總體積為單位體積的小球，則位于最上方分層的概率分布曲線趨近于一條正態(tài)分布概率密度曲線[1]。

圖3給出了該模塊的用戶圖形界面，該界面主要由模型選擇組合框、圖形顯示區(qū)域、模型原理說明及按鈕控件等組成。模型選擇組合框有兩個單選按鈕，可以用來選擇原始隨機(jī)介質(zhì)模型和移走第一分層小球后的模型；圖形顯示區(qū)域用來顯示隨機(jī)介質(zhì)模型和移走第一分層小球后最上方分層小球下落的概率分布曲線。圖4為移走第一分層小球后，隨機(jī)介質(zhì)模型的變化圖。從圖中可以直觀地看出一個方格內(nèi)的小球被移走后，上一層的兩個相鄰方格內(nèi)的小球中的一個將滾入此方格，且哪一個小球滾入此方格是隨機(jī)的。

3.2概率積分法預(yù)計基本原理演示

半無限開采和有限開采地表移動盆地主斷面變形預(yù)計方法是概率積分法預(yù)計的基礎(chǔ)，而學(xué)生對其基本計算原理理解困難，該模塊即對這兩種采礦條件下預(yù)計的基本原理進(jìn)行演示，以加深學(xué)生對概率積分法預(yù)計基本原理的理解。

本模塊的界面如圖5所示，主要由采礦條件選擇框、圖形顯示區(qū)域及兩個按鈕構(gòu)成。其中，采礦條件選擇框有兩個單選按鈕：半無限開采和有限開采，系統(tǒng)分別對這兩種情況下地表移動盆地主斷面下沉曲線形態(tài)進(jìn)行演示。從圖5可以看出，有限開采地表主斷面下沉等效于兩個半無限開采下沉曲線的疊加。

圖3　隨機(jī)介質(zhì)理論模型原理演示界面圖

圖4　移走第一分層小球后模型變化演示圖

圖5　概率積分法預(yù)計基本原理演示界面圖

3.3地表沉陷預(yù)計及預(yù)計結(jié)果可視化

本模塊的主要目的是讓學(xué)生了解開采沉陷預(yù)計需要確定的基本參數(shù)，并對開采沉陷地表的主斷面變形曲線及移動盆地的形態(tài)有一個直觀的認(rèn)識，加深對開采沉陷分布規(guī)律的理解。

本模塊主要通過調(diào)用菜單項實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。界面包括四個菜單項：參數(shù)輸入、走向主斷面預(yù)計、傾向主斷面預(yù)計和地表任意點變形預(yù)計，各主菜單下包含相應(yīng)的子菜單。要進(jìn)行開采沉陷預(yù)計，學(xué)生首先需要輸入預(yù)計參數(shù)，點擊參數(shù)輸入菜單，系統(tǒng)將調(diào)出參數(shù)輸入界面，在該界面中按照參數(shù)名稱輸入相應(yīng)參數(shù)的值即可。參數(shù)輸入完成后，學(xué)生可計算并查看預(yù)計結(jié)果。地表移動和變形的形式主要有五種：下沉、水平移動、傾斜、水平變形和曲率。在走向主斷面預(yù)計、傾向主斷面預(yù)計和任意點預(yù)計三個主菜單中分別包含以上五種變形形式，學(xué)生可根據(jù)需要查看變形曲線或曲面。在進(jìn)行任意點預(yù)計時，學(xué)生需要輸入預(yù)計方向，任意點預(yù)計結(jié)果圖形包括移動盆地三維曲面圖和二維等值線圖。其中，地表任意點下沉三維曲面圖如圖6所示。

圖6　地表任意點下沉三維曲面圖

3.4地質(zhì)采礦因素對地表沉陷的影響規(guī)律分析

開采沉陷分布規(guī)律取決于地質(zhì)和采礦因素的綜合影響，為加深學(xué)生對開采沉陷規(guī)律的理解，需要研究各個地質(zhì)和采礦因素對地表沉陷的影響規(guī)律。本模塊設(shè)計分析覆巖巖性、采深、采厚、工作面尺寸和頂板管理方法五個因素對地表沉陷的影響規(guī)律。該模塊的界面如圖7所示，主要由覆巖巖性和頂板管理方法選擇框，采深、采厚、工作面尺寸輸入?yún)^(qū)域，圖形顯示區(qū)域和三個按鈕構(gòu)成。實驗過程中除上述五個地質(zhì)采礦因素外的其它參數(shù)值均已固定且保持不變。開始實驗時首先選擇初始地質(zhì)采礦條件，輸入采深、采厚等參數(shù)，點擊“確定”按鈕，系統(tǒng)將在第一個圖形顯示區(qū)域繪制地表移動盆地走向主斷面下沉曲線；然后改變某個地質(zhì)采礦因素，點擊“對比”按鈕，系統(tǒng)將在第二個圖形顯示區(qū)繪制改變參數(shù)后的主斷面下沉曲線。學(xué)生也可以同時改變多個地質(zhì)采礦因素，分析變化前后下沉曲線的特點。

圖7　地質(zhì)采礦因素對地表沉陷的影響規(guī)律分析

圖7中所示為工作面走向長度改變前后地表走向主斷面下沉曲線的變化。其中，第一次工作面長度為250m，第二次為400m，其他參數(shù)保持不變。從結(jié)果可以看出，工作面走向長度為250m時為非充分采動狀態(tài)，增加為400m時已達(dá)到充分采動。

3.5概率積分法參數(shù)對預(yù)計結(jié)果的影響規(guī)律分析

概率積分法基本參數(shù)包括下沉系數(shù)，水平移動系數(shù)，主要影響角正切，拐點偏移距和開采影響傳播角。預(yù)計參數(shù)的選取對預(yù)計結(jié)果有重要影響，為了讓學(xué)生深刻理解五個基本參數(shù)的概念及每個參數(shù)對預(yù)計結(jié)果的影響規(guī)律，需要設(shè)計相關(guān)實驗輔助教學(xué)。

本模塊包含兩個子模塊：概率積分法參數(shù)的含義解析模塊和參數(shù)對預(yù)計結(jié)果的影響規(guī)律分析模塊。參數(shù)的含義解析如圖8所示，界面采用圖文交互的方式對各個參數(shù)的意義進(jìn)行解釋，加深學(xué)生對各參數(shù)意義的理解。界面由參數(shù)選擇框、圖形顯示框和參數(shù)定義文本框構(gòu)成，選擇某一個參數(shù)，系統(tǒng)將在圖形顯示框中顯示該參數(shù)的幾何意義解析圖形，同時在下方的文本框中顯示該參數(shù)的定義。圖9為參數(shù)對預(yù)計結(jié)果的影響分析模塊界面，由參數(shù)選擇下拉按鈕，參數(shù)值輸入框、圖形顯示區(qū)域等組成。學(xué)生在實驗時，首先在下拉按鈕中選擇一個參數(shù)，然后在參數(shù)輸入框中輸入三個不同的參數(shù)值，系統(tǒng)將在圖形顯示區(qū)繪制三條主斷面下沉曲線，分別對應(yīng)三個不同的參數(shù)值。如圖9所示，主要影響角正切分別為1.5、1.8和2.1時，主斷面下沉值的變化。從圖9中可以看出，隨著主要影響角正切的增大，最大下沉值增加，同時下沉影響范圍減小。

圖8　概率積分法參數(shù)含義解析

圖9　概率積分法參數(shù)對預(yù)計結(jié)果的影響規(guī)律分析

4結(jié)束語

開采沉陷預(yù)計是開采沉陷學(xué)科的核心內(nèi)容之一，是開采沉陷地表及巖層移動規(guī)律研究在工程實踐中的具體應(yīng)用。開采沉陷預(yù)計具有理論性強(qiáng)、學(xué)生理解困難、公式推導(dǎo)復(fù)雜等特點。如何幫助學(xué)生理解和掌握沉陷預(yù)計的基本原理和方法，是課程教學(xué)中所面臨的一個關(guān)鍵問題。為此，本文基于MATLAB平臺開發(fā)了開采沉陷預(yù)計實驗教學(xué)系統(tǒng)，對開采沉陷預(yù)計教學(xué)中的主要內(nèi)容進(jìn)行動態(tài)仿真。將其用于開采沉陷學(xué)課程的輔助教學(xué)，能夠給學(xué)生提供一個交互式、可視化的實驗環(huán)境，使學(xué)生在學(xué)習(xí)抽象的理論和推導(dǎo)復(fù)雜公式的同時，可以直觀地看到預(yù)計和分析結(jié)果，使學(xué)生更易于接受和理解，從而有效提高教學(xué)質(zhì)量和效果。

參考文獻(xiàn)

[1]何清，楊倫，凌賡娣.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[2]吳侃，周鳴.礦區(qū)沉陷預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[3]薛山.MATLAB基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[4]高會生，李新葉，胡智奇.MATLAB原理與工程應(yīng)用[J].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5]羅華飛.MATLAB GUI設(shè)計學(xué)習(xí)筆記[M].第2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[6]李培現(xiàn)，譚志祥，齊公玉，等.基于MATLAB的開采沉陷預(yù)計系統(tǒng)[J].中國礦業(yè)，2008，17(11)：72-76.

[7]柴華彬，毋保中，劉景艷.MATLAB在開采沉陷預(yù)計可視化中的應(yīng)用[J].焦作工學(xué)院學(xué)報，2004，23(1)：26-29.

Experiment teaching system of mining subsidence prediction based on MATLAB

ZHA Jian-feng1，2，ZHANG Hao-jie1，2，ZHAO Jun1，2，WU Cheng-hong1，2

(1.School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.NASG Key Lab for Land Environment and Disaster Monitoring，Xuzhou 221116，China)

Abstract:Virtual simulation teaching system is an important assistant instruction means for mining subsidence teaching，especially for abstract and complicated knowledge points such as mining subsidence prediction，strata movement and control.Based on MATLAB，a teaching experiments system of mining subsidence prediction is designed and implemented in this paper.The Graphical User Interface of the system is achieved using GUIDE and it has achieved dynamic simulation to the main teaching contents of mining subsidence prediction.The system has friendly interface and the operation is simple.Applying the system to assist classroom teaching is conducive to deepen students’ understanding of mining subsidence prediction，motivate the students to learn and improve the classroom teaching effect.

Key words：mining subsidence；MATLAB；graphical user interface；probability integral method

收稿日期：2015-12-04

作者簡介：查劍鋒(1982-)，男，安徽安慶人，博士，副教授，從事開采損害及防護(hù)方面的研究。E-mail：zha_jf@163.com。

中圖分類號：G424.21TD327

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)06-0164-05