人機(jī)交互垂線法優(yōu)化留設(shè)建筑群保護(hù)煤柱

田迎斌

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013; 3.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

目前，我國“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤在各個(gè)新老礦區(qū)普遍存在，其中又以建筑群下壓煤居多[1]。上述“三下”壓煤設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱留設(shè)采用的基本方法，即為《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱《開采規(guī)范》)推薦的垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標(biāo)高投影法。其中，建筑群保護(hù)煤柱留設(shè)方法采用的是垂線法[2-7]。但根據(jù)《開采規(guī)范》中推薦的垂線法留設(shè)建筑群保護(hù)煤柱，將會造成煤柱轉(zhuǎn)角處煤柱留設(shè)不合理，從而減少了煤礦的可采資源儲量，使原本能夠開采的煤炭資源成為呆滯資源，所以按常規(guī)垂線法所留設(shè)的保護(hù)煤柱是偏于保守的。垂線法是一種解析方法，該方法求的是與受護(hù)邊界相垂直的計(jì)算剖面上煤柱的平面投影計(jì)算長度[8]。通過研究其基本原理，實(shí)際上可以利用其垂線長度計(jì)算公式來計(jì)算某受護(hù)點(diǎn)在任意方向上的q(上山垂線長)或l(下山垂線長)之值，從而為煤柱合理精確留設(shè)提供理論依據(jù)。基于此設(shè)計(jì)思想，通過確定松散層受護(hù)邊界轉(zhuǎn)角處外側(cè)任意方向的煤柱計(jì)算長度，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)角處煤柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)垂線法基本作圖過程，采用CAD的VBA和AutoLisp二次開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互優(yōu)化留設(shè)建筑群保護(hù)煤柱，解決了常規(guī)手工計(jì)算、作圖復(fù)雜和效率低的難題。

1 垂線法留設(shè)建筑群保護(hù)煤柱基本步驟及問題分析

1.1 基本步驟

(1)建筑物保護(hù)等級劃分及維護(hù)帶寬度確定

《開采規(guī)范》第11條規(guī)定，按建筑物的重要性、用途以及受開采影響引起的不同后果，將礦區(qū)范圍內(nèi)的建筑物保護(hù)等級分為五級，分別為特級、Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級。

《開采規(guī)范》第13條規(guī)定，圍護(hù)帶寬度必須根據(jù)受護(hù)對象的保護(hù)等級確定，見表1。

表1 建筑物各保護(hù)等級的圍護(hù)帶寬度

(2)確定建筑群外輪廓邊界

在建筑群平面布置圖中確定建筑群最外輪廓特征點(diǎn)，并將所有特征點(diǎn)連接成線形成多邊形，以該多邊形作為建筑群外輪廓邊界。

(3)圍護(hù)帶邊界及松散層保護(hù)邊界確定

根據(jù)受護(hù)對象的保護(hù)等級，以建筑群外輪廓邊界向外側(cè)偏移相應(yīng)的圍護(hù)帶寬度，以偏移后的邊界作為圍護(hù)帶外邊界。

松散層厚度為h，移動角為φ，則松散層受護(hù)平面投影寬度s=hcotφ。松散層移動角一般按45°考慮，則s=h。以圍護(hù)帶外邊界向外偏移寬度s后，即可得松散層保護(hù)邊界。

(4)計(jì)算垂線長度

建筑群保護(hù)煤柱在煤層上山方向垂線長度q和下山方向垂線長度l按下式計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，h為松散層厚度，m；H為煤層到地表的埋藏深度，m；α為煤層傾角，°；θ為圍護(hù)帶邊界與煤層走向之間所夾的銳角，°；γ、β、δ分別為上山、下山和走向方向移動角，°；γ′、β′分別為上山、下山方向的斜交剖面移動角，°。

(5)確定保護(hù)煤柱邊界

分別以松散層保護(hù)邊界各拐點(diǎn)為基準(zhǔn)做垂線q或l，然后將各垂線端點(diǎn)相連成線，并將各線延伸相交，即可獲得建筑群的平面保護(hù)煤柱邊界線。

1.2 問題分析

通過實(shí)踐分析可知，在垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱過程中存在如下問題：

(1)步驟多，參數(shù)多，過程繁瑣，效率低，期間涉及到大量角度換算、計(jì)算和精確作圖等內(nèi)容，且相關(guān)計(jì)算和作圖不能有機(jī)結(jié)合。

(2)確定建筑群外輪廓邊界時(shí)如果出現(xiàn)較小角度的銳角轉(zhuǎn)角，則最后確定的保護(hù)煤柱線同樣將會現(xiàn)相同角度的轉(zhuǎn)角，這樣會造成留設(shè)煤柱范圍過大且不合理從而造成資源浪費(fèi)，不能實(shí)現(xiàn)開采資源的優(yōu)化，影響采區(qū)及工作面布置。

(3)國內(nèi)相關(guān)科技工作者在不同平臺下開發(fā)了一些自動繪制建筑群煤柱的相關(guān)軟件[9-14]。當(dāng)所確定的建筑群外輪廓邊界合適和建筑群下煤層賦存穩(wěn)定且傾角變化不大情況下，采用軟件自動繪制煤柱是可行的。但上述軟件同時(shí)存在以下不足：

一是其前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備比較繁瑣，大多需要從CAD圖紙中獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，涉及到不同軟件間數(shù)據(jù)的獲取和傳遞的問題。只有當(dāng)所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成才能夠繪制保護(hù)煤柱，而不能根據(jù)某點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)隨時(shí)繪制該點(diǎn)在任意方向上的保護(hù)煤柱尺寸。

二是當(dāng)建筑群下煤層賦存條件復(fù)雜，其走向和傾角變化較大的情況下，將會出現(xiàn)相鄰兩條煤柱線相交異?；虿荒芟嘟坏膯栴}。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)流程

現(xiàn)在計(jì)算機(jī)在輔助制圖方面得到了廣泛應(yīng)用，使人們基本上告別了純手工制圖方式。根據(jù)對垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱的基本步驟的分析，確定了采用人工與計(jì)算機(jī)交互的方式實(shí)現(xiàn)垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱。通過對垂線法相關(guān)計(jì)算公式的分析可知，共涉及到7個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)，分別為α、β、γ、δ、θ、H和h，其他參數(shù)或數(shù)據(jù)都可以由上述7個(gè)參數(shù)計(jì)算得到。上述基礎(chǔ)參數(shù)及涉及到的上下山邏輯判斷主要由人工輸入完成，而相關(guān)計(jì)算及繪圖由計(jì)算機(jī)完成。人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)垂線法優(yōu)化留設(shè)保護(hù)煤柱流程見如圖1所示。

2.2 參數(shù)確定應(yīng)注意的問題

垂線法留設(shè)建筑群保護(hù)煤柱相關(guān)計(jì)算參數(shù)應(yīng)根據(jù)礦井巖移參數(shù)、建筑群受護(hù)邊界走向、煤層賦存情況等選取。

圖1 人機(jī)交互留設(shè)建筑群保護(hù)煤柱流程圖

(1)參數(shù)β、γ、δ確定

β、γ、δ一般為相對固定參數(shù)，但對于大范圍建筑群而言，有時(shí)建筑群會跨不同礦井或不同采區(qū)。如果建筑群范圍較大從而跨越不同礦井和采區(qū)范圍，則在確定垂線q或l時(shí)應(yīng)根據(jù)不同礦井或不同采區(qū)選取相應(yīng)的參數(shù)值。

(2)參數(shù)α、H和h確定

參數(shù)α、H和h是隨著松散層保護(hù)邊界拐點(diǎn)的位置不同而相應(yīng)變化著的。α應(yīng)根據(jù)垂線起點(diǎn)處沿上山或下山方向的煤層實(shí)際傾角進(jìn)行確定，否則，會造成垂線q或l計(jì)算數(shù)值偏大或偏小，見圖2所示。圖2(a)中所計(jì)算的垂線q值要大于實(shí)際的q值，所計(jì)算的垂線l值要大于實(shí)際的l值；圖2(b)中所計(jì)算的垂線q值要小于實(shí)際的q值，所計(jì)算的垂線l值要小于實(shí)際的l值。當(dāng)然計(jì)算點(diǎn)下方煤層變化不僅只有圖2所列示例，而是還有其他多種情況，比如計(jì)算點(diǎn)下方兩側(cè)煤層傾向相反等?？傊?，在計(jì)算q或l時(shí)應(yīng)堅(jiān)持的原則就是根據(jù)確定所需計(jì)算側(cè)的煤層賦存情況確定煤層傾角。相對而言，H和h較容易確定，不再贅述。

圖2 垂線q及l(fā)的計(jì)算示意圖

q實(shí)為該點(diǎn)實(shí)際的q；q計(jì)為該點(diǎn)按平均傾角計(jì)算的q；L實(shí)為該點(diǎn)實(shí)際的l；l計(jì)為該點(diǎn)按平均傾角計(jì)算的l；圖中藍(lán)色虛線代表按平均傾角計(jì)算采用的煤層。

(3)參數(shù)θ確定

參數(shù)θ原定義為圍護(hù)帶邊界與煤層走向之間所夾的銳角，但在某些情況下該概念在使用中并不方便。如果以垂線q或l所指的方向定義為計(jì)算方向，則參數(shù)θ也可定義為計(jì)算方向與煤層傾向線所夾的銳角，如圖3所示。當(dāng)對拐角處煤柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可通過拐點(diǎn)P向煤柱拐角處可以引出一個(gè)或數(shù)個(gè)計(jì)算剖面，各剖面與煤層傾向線所夾銳角即為θ，如圖4所示。由圖4可見，垂線PA和垂線PB是通過P點(diǎn)的兩條特殊垂線，分別與各自的松散層圍護(hù)邊界垂直，也就是按常規(guī)垂線法求出的垂線長。

圖3 參數(shù)θ的不同意義

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1菜單、窗體和人機(jī)交互命令設(shè)計(jì)

CAD系統(tǒng)提供了多種方式進(jìn)行人機(jī)交互，包括菜單、工具條和命令行窗口。菜單、窗體和人機(jī)交互命令設(shè)計(jì)主要通過CAD二次開發(fā)語言AutoLisp和VBA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。以“留設(shè)保護(hù)煤柱”作為主菜單，其中，包括了3個(gè)子菜單，分別為垂線法建筑群保護(hù)煤柱、垂直剖面法建筑物保護(hù)煤柱和垂直剖面法鐵路保護(hù)煤柱，如圖5所示。

圖4 參數(shù)θ的應(yīng)用

圖5 保護(hù)煤柱菜單設(shè)計(jì)

CAD中垂線法繪制q或l操作步驟如下：

(1)點(diǎn)擊“垂線法建筑群保護(hù)煤柱”子菜單后，隨即彈出基礎(chǔ)參數(shù)輸入對話框，如圖6所示。在該對話框窗體中，可以人工輸入某垂線起點(diǎn)(松散層保護(hù)邊界拐點(diǎn))處相關(guān)參數(shù)。其中，煤層傾角可以通過其后的按鈕在圖中直接量取，并將煤層傾角自動追加到文本框。窗體中提供了兩個(gè)設(shè)計(jì)的按鈕，分別為“常規(guī)設(shè)計(jì)”和“優(yōu)化設(shè)計(jì)”。

(2)當(dāng)在窗體內(nèi)輸入全部參數(shù)后，點(diǎn)擊“常規(guī)設(shè)計(jì)”按鈕，程序會啟動命令行窗口的繪制建筑群保護(hù)煤柱命令“jzqbhmzplot”，同時(shí)將窗體內(nèi)所有參數(shù)傳遞到命令行以供程序調(diào)用。程序自動計(jì)算該拐點(diǎn)處的上山偽移動角γ'、下山偽移動角β'、上山方向垂線長度q和下山方向垂線長度l，并在命令行進(jìn)行輸出顯示，然后對該點(diǎn)適用的垂線q或l進(jìn)行人工判斷，最后將q或l以實(shí)際長度在圖中進(jìn)行自動精確繪制，同時(shí)進(jìn)行文字標(biāo)注，分別見圖7和圖8。

圖6 參數(shù)輸入窗體

圖7 命令行人機(jī)互動

圖8 鼠標(biāo)點(diǎn)擊次序

2.3.2 煤柱轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計(jì)

按規(guī)范垂線法留設(shè)建筑群保護(hù)煤柱會造成煤柱拐角處壓大量壓煤，特別當(dāng)煤柱轉(zhuǎn)角為小角度時(shí)，所形成的保護(hù)煤柱范圍更加不合理。所以，需要對煤柱轉(zhuǎn)角處煤柱保護(hù)線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。煤柱轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理是以某點(diǎn)為保護(hù)對象，通過該點(diǎn)向偽上山方向或偽下山方向做任一剖面，在該剖面上計(jì)算得到的q或l即為該受保護(hù)點(diǎn)在該方向上所需的煤柱平面投影長度。當(dāng)所做剖面與煤層走向或傾向相重合時(shí)，則為其中一種特殊情況的表現(xiàn)。

以圖9所示說明煤柱轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計(jì)后的效果。以P點(diǎn)為基準(zhǔn)做3個(gè)剖面，并量取各剖面的θ角，分別計(jì)算并繪制了各方向的垂線，連接BM′M″M?A所形成的折線即為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)角煤柱。當(dāng)在轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)的剖面越多，最終在拐角處形成的煤柱線就越圓滑。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)具體操作步驟與常規(guī)設(shè)計(jì)基本相同，僅在最后提示鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)與常規(guī)設(shè)計(jì)有所區(qū)別。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)僅需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊兩點(diǎn)，即拐點(diǎn)處及計(jì)算方向上任一點(diǎn)，即可繪制計(jì)算方向的垂線。

圖9 煤柱轉(zhuǎn)角處優(yōu)化設(shè)計(jì)

3 實(shí)例分析

某礦建筑群外輪廓呈不規(guī)則四邊形，分別以常規(guī)設(shè)計(jì)法和優(yōu)化設(shè)計(jì)法留設(shè)保護(hù)煤柱，兩種方法留設(shè)的煤柱平面如圖10所示。根據(jù)該建筑群下壓煤的厚度、傾角和容重等基礎(chǔ)信息，經(jīng)計(jì)算，常規(guī)設(shè)計(jì)法煤柱壓煤量328.62萬t，優(yōu)化設(shè)計(jì)法煤柱壓煤量295.16萬t，優(yōu)化設(shè)計(jì)法可比常規(guī)設(shè)計(jì)法減少壓煤33.46萬t，為原煤柱壓煤量的10%。因優(yōu)化設(shè)計(jì)可解放的煤炭資源，按噸煤售價(jià)500元計(jì)算，可創(chuàng)造產(chǎn)值1.67億元；按噸煤利潤100元計(jì)算，可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益3346萬元。優(yōu)化設(shè)計(jì)后使建筑群壓煤面積及壓煤量減小，提高了煤礦經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，增加了煤炭可采資源儲量，延長了礦井服務(wù)年限，具有顯著的社會效益。

圖10 常規(guī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)煤柱對比圖

4 結(jié) 論

(1)在利用垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱選取各個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑群與地下煤層賦存條件變化情況進(jìn)行具體分析選取，使計(jì)算結(jié)果更加合理、精確、可靠。

(2)在CAD中綜合運(yùn)用菜單、VBA窗體及自定義命令方式，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互留設(shè)建筑群保護(hù)煤柱，相較人工計(jì)算和作圖，其準(zhǔn)確性和效率得到較大提高。

(3)通過分析垂線法基本原理，實(shí)現(xiàn)了對煤柱轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)的優(yōu)化，使建筑群壓煤面積及壓煤量得以降低，提高了資源回收率，延長了礦井服務(wù)年限，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。