基于Active X Automation的三維可視開采沉陷預計*

顧 偉 譚志祥 鄧喀中

(1.江蘇省資源環境信息工程重點實驗室;2.中國礦業大學環境與測繪學院)

煤炭資源是我國的主要能源，占一次性能源消耗的75%左右。煤炭資源的大量開發為我國經濟建設的發展做出了不可磨滅的貢獻。礦山開采導致的覆巖地表移動對礦山開采安全、環境與地面建筑物有很大的影響。對一個有計劃的開采地表沉陷進行準確的定量計算對保護地表建筑物安全和保護環境具有重要的意義［1］。目前，國內外開采沉陷預測軟件大多采用VB、C++、MATLAB等計算機語言或二次開發編寫完成［2-5］，大多數軟件在沉陷預測的可視化表達方面表現不足。

Visual Basic(簡稱VB)是用于開發和創建Windows操作平臺下具有圖形用戶界面的應用程序的強有力的工具之一［6］。VB采用面向對象、事件驅動的編程機制，提供了一種“所見即所得”的可視化程序設計方法，為應用程序的界面設計提供了最迅速便捷的途徑。使開發圖形用戶界面GUI(Graphic User Interface)程序變得簡單易懂，利用這種方法不用編寫大量代碼就可以開發比較專業的圖形用戶界面程序。SURFER是美國Golden Software公司開發的一款科學類繪圖軟件［7］。SURFER軟件可以實現基面圖、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種數據網格化方法和位圖、AUTOCAD、GIS等軟件文件的輸入輸出接口，極大地方便了文件和數據的交流和交換。另外，軟件還提供強大的腳本編輯引擎，可自主開發繪制格式化圖形，自動化功能得到極大加強［7］。為彌補傳統開采沉陷預測系統在可視化表達方面的缺陷。本研究利用SURFER軟件的Active X Automation技術將開采沉陷的數據處理、結果表達結合起來，采用VB6.0軟件開發了基于概率積分法的開采沉陷預測分析系統，實現了開采沉陷的預計計算及結果分析的可視化表達。

1 概率積分法基本原理

概率積分法是基于隨機介質理論的開采沉陷預測方法，是我國目前應用最為廣泛、較為成熟的預計方法，也是“規程”規定的預計方法之一［1，8］。隨機介質理論認為，介質是由類似于砂粒或相對來說很小的巖塊這樣的介質顆粒組成。顆粒之間完全沒有聯系，可以自由相對運動。顆粒介質的運動用顆粒的隨機移動來表征，大量的顆粒介質的移動可以看作是隨機過程［1］。基于上述理論，可以得到概率積分法計算地表任意點移動變形值的數學模型如下:

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

另外需要說明的是式中D為計算開采區域，即考慮拐點偏移距后的開采區域，在開采平面上一般呈現為多邊形。對計算開采區域D，可以采用分割多邊形的方法計算，假設將開采區域D分割為n個任意小的矩形，采用疊加的方法處理后，式(1)可以采用式(6)計算:

式中，Si為第i個矩形的面積。

同理，可實現任意多邊形開采地表傾斜、曲率、水平移動和水平變形的計算。

2 開采沉陷預測系統結構及主要算法

2.1 系統結構及主要功能

基于概率積分法所開發的開采沉陷預測分析系統可以實現多工作面開采地表移動變形預計、計算結果的可視化表達、移動變形分析等功能。按照結構化的程序設計思想，將整個系統分為多個模塊，分別編寫程序進行計算和處理。程序如圖1所示。

圖1 開采沉陷預測分析系統程序流程

該系統可以實現如下功能:

(1)主斷面的地表移動變形預計。可將計算數據自動輸入EXCEL實現主斷面上移動變形曲線的自動繪制。

(2)多個任意形狀工作面的開采沉陷預測計算。對1個或者多個任意形狀工作面開采引起的地表的下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形進行定量的預計。可生成接口數據文件，進而可實現與SURFER、AUTOCAD、ARCGIS等先進分析軟件結合進行后處理。

2.2 主要計算方法

2.2.1 定積分的數值解法

如此逐次計算，當T2k和T2k－1的差值較小，滿足計算的精度時退出。

這樣區間逐次對分時只需計算新增加的函數值，避免了老分點上函數值的重復計算，可以使計算量節省將近一半。Romberg方法是一種比較高效的數值積分計算方法［10］。

2.2.2 坐標系統的轉換

實際采用的大地坐標系或者獨立坐標系采用的是左手坐標系即滿足X軸順時針轉90°為Y軸的坐標系。而概率積分法計算坐標系是工作面下山和左邊界為原點的右手坐標系。所以在計算過程中要進行坐標轉換。程序中坐標轉換采用3個已知值:工作面左下山角點坐標(X0，Y0)和走向方位角α值來轉換到概率積分法的計算坐標系。對大地坐標系中坐標為(X，Y)轉換到計算坐標系中為(Xj，Yj)，如圖2所示，可按照式(9)進行轉換。

圖2 坐標轉換

3 預計結果可視化方法

3.1 SURFER Active X Automation技術簡介

Active X Automation技術是微軟提供的API和一組規范，具有組件對象模型(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用各種高級編程語言(如VB，Delphi，C++等)來定制SURFER［7，11］，進而方便快速的繪制等值線圖、黏貼圖、影像圖、矢量圖等圖件，也可以對圖件進行趨勢面分析、體積和面積計算、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對象供外部應用程序進行調用［12］，通過高級語言定制基本可以完成SURFER的所有功能。

使用VB語言連接SURFER ACTIVE對象的主要程序:

建立VB程序與SURFER對象連接后就可以通過VB編程操縱SURFER完成各種復雜的計算功能。

3.2 采用SURFER進行開采沉陷分析的流程

根據開采沉陷預計模塊計算得到的地表移動變形數據和SURFER內置函數可以完成各種圖件的制作、數據的分析等工作。具體步驟如下。

(1)首先采用系統的開采沉陷預計模塊進行工作面開采后的地表沉陷預測計算，得到三維地表移動變形數據，包括點位坐標和各種變形值的大小。

(2)連接SURFER，將所得數據送入SURFER內核數據處理進行數據的網格化。

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

(4)采用數據SURFER的數據分析功能實現各種統計及數據的分析處理。

具體流程見圖3。

4 工程應用

為測試程序在多工作面預計情況下的可靠性。采用程序對山東某煤礦六采區井下開采地表移動變形進行了預計和分析。

4.1 采區情況

該礦六采區開采煤層有2層:2煤和3煤，為近水平煤層，層間距20 m左右。2煤開采厚度1.5 m，平均采深240 m左右，計劃布置20個工作面;3煤采用綜采放頂煤開采，計劃布置20個工作面，平均采深260 m左右;2煤和3煤共計40個工作面。

圖3 采用SURFER進行開采沉陷數據處理的流程

為預計煤層開采后對地表的影響情況，采用所編制的VB程序和SURFER軟件結合概率積分法對該采區2煤和3煤開采后的地表移動情況進行了分析。

4.2 預計參數的選擇

根據該礦區實測資料，通過綜合分析，確定了預計中選擇的參數，見表1。

表1 預計中所使用的概率積分法參數

4.3 2煤和3煤共同影響下開采沉陷預計結果

采用上述方法對該礦2號和3號煤層進行開采沉陷預計及圖形分析，得到了地表移動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

預計所得到的結果符合煤礦開采地表移動的規律，說明建立的開采沉陷預測程序是正確可靠的。系統可以自動實現各種圖件的制作，極大地提高了工作效率。

5 結語

采用Active X技術將VB和SURFER緊密結合，實現了開采沉陷預測分析的可視化及圖件制作和數據分析的自動化。首先建立了基于概率積分法的開采沉陷預測程序，然后采用二次開發操作SURFER內核程序實現了預測結果的可視化及分析的自動化，極大地提高了開采沉陷預測分析工作的效率。采用SURFER內核程序進行分析計算，可減少編程開發工作量，對提高開采沉陷預測分析的準確性和實現沉陷預測分析的自動化、可視化具有一定的現實意義。

［1］ 何國清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學［M］.徐州:中國礦業出版社，1991:166-168.

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［3］ 朱慶偉，郭達志.煤礦區地表沉陷及其可視化新方法［J］.礦業安全與環保，2006(6):10-12.

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［6］ 張 艷.Visual Basic程序設計教程［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2001:2-3.

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［12］ 馬玉峰，高春香.VB與SURFER聯合編程實現自動繪制氣象要素圖形［J］.內蒙古氣象，2010(2):38-39.