基于Active X Automation的三维可视开采沉陷预计*

顾 伟 谭志祥 邓喀中

(1.江苏省资源环境信息工程重点实验室;2.中国矿业大学环境与测绘学院)

煤炭资源是我国的主要能源，占一次性能源消耗的75%左右。煤炭资源的大量开发为我国经济建设的发展做出了不可磨灭的贡献。矿山开采导致的覆岩地表移动对矿山开采安全、环境与地面建筑物有很大的影响。对一个有计划的开采地表沉陷进行准确的定量计算对保护地表建筑物安全和保护环境具有重要的意义［1］。目前，国内外开采沉陷预测软件大多采用VB、C++、MATLAB等计算机语言或二次开发编写完成［2-5］，大多数软件在沉陷预测的可视化表达方面表现不足。

Visual Basic(简称VB)是用于开发和创建Windows操作平台下具有图形用户界面的应用程序的强有力的工具之一［6］。VB采用面向对象、事件驱动的编程机制，提供了一种“所见即所得”的可视化程序设计方法，为应用程序的界面设计提供了最迅速便捷的途径。使开发图形用户界面GUI(Graphic User Interface)程序变得简单易懂，利用这种方法不用编写大量代码就可以开发比较专业的图形用户界面程序。SURFER是美国Golden Software公司开发的一款科学类绘图软件［7］。SURFER软件可以实现基面图、等值线图、三维表面图等图形的绘制和编辑。软件自身提供了11种数据网格化方法和位图、AUTOCAD、GIS等软件文件的输入输出接口，极大地方便了文件和数据的交流和交换。另外，软件还提供强大的脚本编辑引擎，可自主开发绘制格式化图形，自动化功能得到极大加强［7］。为弥补传统开采沉陷预测系统在可视化表达方面的缺陷。本研究利用SURFER软件的Active X Automation技术将开采沉陷的数据处理、结果表达结合起来，采用VB6.0软件开发了基于概率积分法的开采沉陷预测分析系统，实现了开采沉陷的预计计算及结果分析的可视化表达。

1 概率积分法基本原理

概率积分法是基于随机介质理论的开采沉陷预测方法，是我国目前应用最为广泛、较为成熟的预计方法，也是“规程”规定的预计方法之一［1，8］。随机介质理论认为，介质是由类似于砂粒或相对来说很小的岩块这样的介质颗粒组成。颗粒之间完全没有联系，可以自由相对运动。颗粒介质的运动用颗粒的随机移动来表征，大量的颗粒介质的移动可以看作是随机过程［1］。基于上述理论，可以得到概率积分法计算地表任意点移动变形值的数学模型如下:

式中，W0为最大下沉值;W0=mq cosα，α为煤层倾角，q为下沉系数，m为采厚;b为水平移动系数;r为主要影响半径，r=H/tanβ，tanβ为开采影响传播角;H为工作面采深;φ为从x轴的正向逆时针计算到指定方向的角值;W，i，K，U，ε分别为地表移动的下沉，倾斜，曲率，水平移动和水平变形。

另外需要说明的是式中D为计算开采区域，即考虑拐点偏移距后的开采区域，在开采平面上一般呈现为多边形。对计算开采区域D，可以采用分割多边形的方法计算，假设将开采区域D分割为n个任意小的矩形，采用叠加的方法处理后，式(1)可以采用式(6)计算:

式中，Si为第i个矩形的面积。

同理，可实现任意多边形开采地表倾斜、曲率、水平移动和水平变形的计算。

2 开采沉陷预测系统结构及主要算法

2.1 系统结构及主要功能

基于概率积分法所开发的开采沉陷预测分析系统可以实现多工作面开采地表移动变形预计、计算结果的可视化表达、移动变形分析等功能。按照结构化的程序设计思想，将整个系统分为多个模块，分别编写程序进行计算和处理。程序如图1所示。

图1 开采沉陷预测分析系统程序流程

该系统可以实现如下功能:

(1)主断面的地表移动变形预计。可将计算数据自动输入EXCEL实现主断面上移动变形曲线的自动绘制。

(2)多个任意形状工作面的开采沉陷预测计算。对1个或者多个任意形状工作面开采引起的地表的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形进行定量的预计。可生成接口数据文件，进而可实现与SURFER、AUTOCAD、ARCGIS等先进分析软件结合进行后处理。

2.2 主要计算方法

2.2.1 定积分的数值解法

如此逐次计算，当T2k和T2k－1的差值较小，满足计算的精度时退出。

这样区间逐次对分时只需计算新增加的函数值，避免了老分点上函数值的重复计算，可以使计算量节省将近一半。Romberg方法是一种比较高效的数值积分计算方法［10］。

2.2.2 坐标系统的转换

实际采用的大地坐标系或者独立坐标系采用的是左手坐标系即满足X轴顺时针转90°为Y轴的坐标系。而概率积分法计算坐标系是工作面下山和左边界为原点的右手坐标系。所以在计算过程中要进行坐标转换。程序中坐标转换采用3个已知值:工作面左下山角点坐标(X0，Y0)和走向方位角α值来转换到概率积分法的计算坐标系。对大地坐标系中坐标为(X，Y)转换到计算坐标系中为(Xj，Yj)，如图2所示，可按照式(9)进行转换。

图2 坐标转换

3 预计结果可视化方法

3.1 SURFER Active X Automation技术简介

Active X Automation技术是微软提供的API和一组规范，具有组件对象模型(COM)的特征。SURFER中的Active X Automation所提供的变成接口，使用户可以很容易地运用各种高级编程语言(如VB，Delphi，C++等)来定制SURFER［7，11］，进而方便快速的绘制等值线图、黏贴图、影像图、矢量图等图件，也可以对图件进行趋势面分析、体积和面积计算、坡度分析、剖面分析等三维空间分析。SURFER提供了60余种不同种类的Active对象供外部应用程序进行调用［12］，通过高级语言定制基本可以完成SURFER的所有功能。

使用VB语言连接SURFER ACTIVE对象的主要程序:

建立VB程序与SURFER对象连接后就可以通过VB编程操纵SURFER完成各种复杂的计算功能。

3.2 采用SURFER进行开采沉陷分析的流程

根据开采沉陷预计模块计算得到的地表移动变形数据和SURFER内置函数可以完成各种图件的制作、数据的分析等工作。具体步骤如下。

(1)首先采用系统的开采沉陷预计模块进行工作面开采后的地表沉陷预测计算，得到三维地表移动变形数据，包括点位坐标和各种变形值的大小。

(2)连接SURFER，将所得数据送入SURFER内核数据处理进行数据的网格化。

(3)采用SURFER的图形制作表达功能制作各种图件资料，并可以和工作面进行叠加分析。

(4)采用数据SURFER的数据分析功能实现各种统计及数据的分析处理。

具体流程见图3。

4 工程应用

为测试程序在多工作面预计情况下的可靠性。采用程序对山东某煤矿六采区井下开采地表移动变形进行了预计和分析。

4.1 采区情况

该矿六采区开采煤层有2层:2煤和3煤，为近水平煤层，层间距20 m左右。2煤开采厚度1.5 m，平均采深240 m左右，计划布置20个工作面;3煤采用综采放顶煤开采，计划布置20个工作面，平均采深260 m左右;2煤和3煤共计40个工作面。

图3 采用SURFER进行开采沉陷数据处理的流程

为预计煤层开采后对地表的影响情况，采用所编制的VB程序和SURFER软件结合概率积分法对该采区2煤和3煤开采后的地表移动情况进行了分析。

4.2 预计参数的选择

根据该矿区实测资料，通过综合分析，确定了预计中选择的参数，见表1。

表1 预计中所使用的概率积分法参数

4.3 2煤和3煤共同影响下开采沉陷预计结果

采用上述方法对该矿2号和3号煤层进行开采沉陷预计及图形分析，得到了地表移动变形的等值线和三维表面图。由于篇幅所限，本文仅给出了下沉盆地的三维表面如图4所示。

图4 下沉盆地三维表面

预计所得到的结果符合煤矿开采地表移动的规律，说明建立的开采沉陷预测程序是正确可靠的。系统可以自动实现各种图件的制作，极大地提高了工作效率。

5 结语

采用Active X技术将VB和SURFER紧密结合，实现了开采沉陷预测分析的可视化及图件制作和数据分析的自动化。首先建立了基于概率积分法的开采沉陷预测程序，然后采用二次开发操作SURFER内核程序实现了预测结果的可视化及分析的自动化，极大地提高了开采沉陷预测分析工作的效率。采用SURFER内核程序进行分析计算，可减少编程开发工作量，对提高开采沉陷预测分析的准确性和实现沉陷预测分析的自动化、可视化具有一定的现实意义。

［1］ 何国清，杨 伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学［M］.徐州:中国矿业出版社，1991:166-168.

［2］ 吴 侃，周 鸣.矿区沉陷预测预报系统［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1999:1-3.

［3］ 朱庆伟，郭达志.煤矿区地表沉陷及其可视化新方法［J］.矿业安全与环保，2006(6):10-12.

［4］ 李培现，谭志祥，齐公玉，等.基于MATLAB的开采沉陷预计系统［J］.中国矿业，2008(11):72-76.

［5］ 赵林林，佟光成，申灵玲.基于ArcObjects的地表沉陷信息可视化技术研究与实现［J］.中国矿业，2007(11):33-35.

［6］ 张 艳.Visual Basic程序设计教程［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2001:2-3.

［7］ 王 建，白世彪，陈 晔.Surfer8地理信息制图［M］.北京:中国地图出版社，2004:1-2.

［8］ 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［S］.北京:煤炭工业出版社，2000:81-90.

［9］ 胡建华，陈兴同，曹德欣.数值计算方法［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008:111-113.

［10］ Curtis FGerald，Patrick OWheatley.应用数值分析［M］.吕淑娟，译.北京:机械工业出版社，2006:222-228.

［11］ 周 露，尹太举，张 琪.Surfer Automation技术在长井段油藏描述中的应用［J］.物探化探计算技术，2010，32(1):104-108.

［12］ 马玉峰，高春香.VB与SURFER联合编程实现自动绘制气象要素图形［J］.内蒙古气象，2010(2):38-39.