第 24 卷第 3 期 辽宁工程技术大学学报 2005 年 6 月 Vol.24 No.3 Journal of Liaoning Technical University Jun. 2005 文章编号 1008-0562(2005)03-0337-04 任意形状工作面开采地表移动变形预计的算法实现 朱刘娟 陈俊杰 邹友峰 焦作工学院 测量工程系 河南 焦作 454000 摘 要 针对目前矿山生产的现状 对任意形状工作面开采地表移动变形的预计算法进行了研究 应用概率积分法的基本原理 结 合生产实际 运用 VC++语言 开发了地表移动变形预计系统 本系统采用面向对象的技术和方法进行数据组织 基于剖面线算法实 现图形分割和网格的自动生成 实现了任意形状工作面开采的移动变形预计 预计结果的可视化输出 关键词 开采沉陷 预计分析 移动变形 中图分类号 TD 327.2 文献标识码 A Algorithm of ground movement and deformation prediction in mining of random shape face ZHU Liu-juan CHEN jun-jie ZOU You-feng (Department of Surveying Engineering of Jiaozuo Institute of Technology, Jiaozuo 454000, China) Abstract In accordance with mine characteristics at present, algorithm of the ground movement and deformation prediction in the mining of random shape face is discussed. The ground movement and deformation prediction system are designed by applying the basic principles of the probability integral method and programming language VC++ and combining the production practice. The object-oriented technologies and methods are adopted to arrange the data. Graph division and automatic production of the squares based on Hatches are realized. The ground movement and deformation predicting and visual output of the result on random shape mining face are accomplished. Key words mining subsidence prediction and analysis movement and deformation 0 引 言 及预计分析模块等 主控模块为用户与软件系统之 间架设起友好桥梁 为用户提供良好的操作界面 数据管理与操作模块实现信息的输入 输出及查询 修改功能 参数计算模块利用系统管理的信息 根 据开采沉陷参数的定义及有关规程 计算出描述开 采沉陷移动变形规律的参数 移动变形预计模块实 现开采之前对移动变形的预计 图形处理模块实现 对各种图件的输入 输出 编辑及修改 预计分析 模块对预计结果进行分析 得出科学结论指导实际 工作的开展 开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内 容之一 它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有 重要的意义 是评价 三下 建筑物下 水体下 和铁路下 采煤可行性的重要手段 目前 国内外 开采沉陷预计方法很多 其中应用广泛且较为成熟 的预计方法主要是概率积分法 应用概率积分法的 基本原理 结合生产实际 提出了任意形状工作面 开采沉陷预计的具体算法及其在计算机上的实现 1 系统组成及相关算法原理 本系统是利用 VC++作为开发工具 利用面向 对象技术来进行开发设计的 主要包括地表移动变 形预计及预计结果的可视化输出等内容 系统划分 为若干模块 如图 1 有主控模块 数据管理与操 作模块 参数计算模块 移动变形预计模块 绘图 主控模块 数据管理 参数计算 变形预计 图形输出 预计分析 图 1 系统的结构框图 Fig. 1 structure skeleton of the system 收稿日期 2004-03-10 基金项目 河南省科技厅重大攻关项目 991140104 作者简介 朱刘娟 1974- 女 河南 焦作人 硕士 主要从事开采沉陷和地理信息系统方面的研究 Email:zhulj@hpu.edu.cn.本文编校 焦 丽 

338 辽宁工程技术大学学报 第 24 卷 1.1 系统理论模型的选取 系统中开采沉陷地表移动变形预计的数学模 型是概率积分法 根据已知的地质采矿条件 采深 煤层倾角a 采厚 0H 工作面为一矩形 1 m 然后结合工作面相应预计参数 q b tan b 和 0S 并输入待预计的点的坐标值 根据以下公式 即可得出地表移动盆地内任意点的移动变形值 2D D yxW ,( ) = yxi ,( , j ) = yxK , ,( j ) 1 W 0 1 W 0 1 W = 0 yxU ,( , j ) = bri yx ,( , j ) 0 0 )( yWxW )( [ i yWx )( )( 0 0 cos j + 0 xW )( 0 i y sin)( ]j 0 0 yWxK cos )( 2 xWyK sin)( 0 0 2 + + j j i [ yWxU )( ( 0 0 )( )( 1 = W 0 0 j y 2sin)( 0 ix )( + 0 ) cos j xWyU )( sin)( 0 上述预计公式要求的坐标系一般是 x 轴平行于 走向主断面 y 轴平行于倾向主断面 而实际给出 的工作面坐标数据可能是其它坐标系统 因此在预 计前要先进行坐标系统的转换 以使工作面各角点 坐标变换为相对坐标 再利用上述公式进行各种预 计计算 y y sin cos ¢+ y y 坐标旋转变换公式为 x y 式中 ¢= y x cos ¢= y x sin yx, 为新坐标系统下点的坐标 ¢ , 为 yx 原始坐标系统下点的坐标 y 为原坐标系 x¢ 轴逆时 针方向旋转至新坐标系 x 轴的角度值[4],即走向方 向的方位角 上述转换使工作面走向方向为相对坐 标系的 x 轴正方向 在程序中由 Rotate 函数实现[5] void Rotate( int n,double ps,double *p) e yx ,( , j ) = brK yx ,( , j ) 0 yWx )( )( 0 cos 2 + { double t; ]j j ] e { 1 = W [ 0 0 ixU )( j j } cos 0 0 e xWy )( sin)( 0 2 + j sin + iyUy )( )( 0 0 x )( 式中 0W 为该地质采矿条件下的地表最大下沉值 q 为下沉系数 m 为采厚 a 为 W = acos 0 mq )(0 xW )(0 xK 为倾斜方向充 为走向方面充分采动时倾向主断面上横坐标 煤层倾角 b 为水平移动系数 分采动时走向主断面上横坐标为 x 的点的下沉值 )(0 yW 为 y 的点的下沉值 与其他各移动变形值 )(0 x )(0 y )(0 x i )(0 y e 都可分别按参考文献[1 2]中的公式计算 此计算采用的坐标系统 只需规定 x 轴平行走 向主断面 y 轴平行倾向主断面 原点 O 可选择在 任何位置 这是因为坐标平移对上述公式的推导均 无影响的缘故 )(0 yU )(0 xU )(0 yK i e 此传统的概率积分法公式适用的是矩形工作 面开采预计 而在实际的开采过程中 工作面不一 定都是规则的矩形 如果开采工作面不是矩形而是 任意形状的 那么在进行预计时 可以采用直接对 多边形进行积分的方法[3] 也可用图形分割的方法 沿走向或倾向把工作面划分为若干个近似矩形工 作面 最后将预计结果进行叠加 本系统采用的是 后一种 虽然它是一个近似的计算 但仍能达到相 当的精度 并且它操作方便 便于理解 易于实现 1.2 相关算法实现 1 坐标系的旋转 for(int i=0;i<2*n;i++,i++) { t=p[i]*cos(ps)+p[i+1]*sin(ps); p[i+1]= p[i]*sin(ps) - p[i+1]*cos(ps); p[i]=t; } } 其中 n 为工作面角点个数 ps 为走向方位角 y ( ) p 为指向坐标数组的指针 2 拐点偏距的影响 拐点偏距是悬臂作用引起的拐点的偏移距离 而对于任意多边形 拐点偏距的影响较为复杂 因 此 在工作面已知数据中 不仅给出了各角点的坐 标 还给出了此角点沿工作面走向方向和倾向方向 上的拐点偏距 sx 和 sy 如图 2 图 2 工作面位置对话框 Fig. 2 dialog box with position of the face œ œ ß ø Œ Œ º Ø ¢ - ¢ 

第 3 期 朱刘娟等 任意形状工作面开采地表移动变形预计的算法实现 339 在走向方向上拐点偏距的处理是进行简单的 件 -= y += y s y s a cos a cos y计 y计 ( h h ( s a sin sin ) a cot ) q cot q y s 加减运算 而对于倾斜方向 由于煤层倾斜的影响 角点 A 的 y 坐标变为 下山方向 + y 上山方向 式中, 计y 为处理后的坐标 y 为处理前的坐标 h 为此角点位置的采深 a 为煤层倾角 J 为开采影 响传播角 y 将原始工作面变为计算工作面后 即可进行工 作面的分割预计 本系统对工作面的分割采用了剖面线填充算 法 此算法对任意形状工作面都适用 剖面线算法 实现了对工作面的分割 使之转化为对一系列小矩 形的计算 而后再经过叠加得到最终的预计值 预 计方法在计算机中实现的步骤如图 3 初始化 点表 边表 坐标系的旋转 拐点偏距的处理 剖面线的计算 确定总数和范围 求第一条剖面线 与轮廓边求交 交点>2 Y 交点排序 N 组成小矩形并累加预计值 顺次取下一条剖面线 N 超出范围 Y 返 回 图 3 程序流程 Fig. 3 flow chart of the program 1.3 系统的数据输入与输出 综合考虑煤矿开采引起地表沉陷的规律 本系 统涉及了以下几种条件和数据[6,7] (1)地质采矿条件 管理测站对应的地质采矿条 (2)工作面数据 内容包括工作面编号 工作面 角点数及坐标等 (3)预计点数据 包括预计点数 点的编号 预 计点坐标 预计方向等 (4)预计控制数据 对要预计的线段的相关数据 进行管理 包括预计线段数 每条线段上的预计点 数 预计时参与计算的工作面数及相应的工作面序 号等 (5)参数数据 管理由观测站所获得的各种岩移 参数 本系统中 这些数据是以文件的形式存放的 操作方便 快捷 且易和其他数据发生交换 Visual C++可以快速地设计出友好的用户界面 有层次分 明的菜单 形象美观的工具条 状态条等 数据输 入通过对话框实现 操作简单 易学 并可随时使 用帮助文件以方便操作[8] 在数据的准备中可以直接输入各值 也可以打 开已有数据文件读入 在输入的过程中 可以修改 增加 删除 查询 浏览等 输入检查无误后即可 保存 每一步操作都有提示 操作简单 方便 界 面友好 系统的输出主要是预计结果的输出和图形的 处理 包括各种移动变形曲线图 等值线图和三维 图等 并对预计结果进行分析 如采动损害程度与 破坏等级 移动变形最大值及其方向的确定等等 在具体的操作过程中 利用面向对象的方法与技术 进行数据的组织 将点 线 面等数据用类的形式 进行封装[9] 各曲线图 等值线图的绘制是由构造 的绘图类 由相关函数实现 直接选择窗口菜单自 动生成 而三维图是借助于绘图软件 Origin 制作的 同时也可形成 AutoCAD 的接口文件 传输到 CAD 绘图软件中进行图形输出 2 实 例 结合一矿区实例 如图 4 对本系统进行了测 试 从工作面相关数据文件中 利用高级语言提取 数据 如工作面坐标数据 参数数据 地质采矿条 件数据等 进行移动变形预计 可将预计结果写入 *.DAT 文件中 为移动变形曲线及等值线 三维视 图绘制提供数据 点击菜单项 系统可直接输出各移动变形曲 线 如图 5 图 6 根据提示选择工作面号 线段 - - - 

340 辽宁工程技术大学学报 第 24 卷 号和相应的曲线名称即可绘图 每一种移动变形图 都可输出三种曲线图 即沿任意方向剖面线的移动 变形曲线图 走向方向移动变形曲线图和倾向方向 移动变形曲线图 标注清晰 规范 曲线光滑 可 在图中任意量测各移动变形值 x' y 图 4 坐标变换示意图 x y' Fig.4 diagram of coordinate changing 120 160 200 L/m 80 40 0 200 400 600 800 m m W / 采损害程度和范围的确定以及矿区土地复垦规划 等提供直观科学依据 2 利用面向对象的方法与技术进行数据组 织 将点 线 面等数据用类的形式进行了封装 确保了数据的安全 有效 并使数据管理较为灵活 操作简便 3 利用剖面线填充算法实现格网绘制 图形 的分割 解决了任意形状工作面的移动变形预计 4 工作面坐标和预计点坐标可用绝对坐标 也可用相对坐标 坐标转换工作由程序自动实现 从而使得数据准备简单 具有通用性 大大降低了 预计数据的准备工作量 5 在人机交互时 对于用户输入的数据进 行合法性检验 不会因为用户的误操作破坏程序的 正常运行 增强了系统的可靠性 6 易与 GIS 相结合 建立相应的图形系统 真正实现数据图形的统一 为 GIS 在开采沉陷中的 应用提供可行性依据 图 5 下沉曲线 Fig.5 subsidence curve 参考文献 [1] 何国清,杨 伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学 出版社,1994. [2] 赵经彻,何满潮. 建筑物下煤炭资源可持续开采战略[M]. 徐州:中国 矿业大学出版社,1997.33-82. [3] 康建荣. 采动覆岩动态移动破坏规律及开采沉陷预计系统[D].北京: 中国矿业大学,1999. [4] 陆润民. C 语言绘图教程[M].北京:清华大学出版社,1996. 147-230. [5] 徐士良. C 常用算法程序集[M].北京:清华大学出版社,1996. 59-62. [6] 蔡少华.计算机辅助沉陷数据图形处理研究[D].北京:中国矿业大 学,1996. [7] Wu LX., Yang K M, Qi A W et al. Information Classification & Management For MGIS And Digital Mine. Towards Digital Earth:proc.of Int. sym. on DE, Beijing, Science Press, 1999: 999-1004. [8] 林 勇,宋 征. Visual C++ 6.0 应用指南[M].北京:人民邮电出版 社,1999. [9] 姜仕义,王金庄,王方缓.利用面向对象技术开发矿山开采沉陷处理软 件[J]. 测绘工程,1998.7(3):44-49. ) / m m m ( I 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0 -0.4 0 40 80 120 L/m 160 200 图 6 倾斜曲线 Fig.6 inclination curve 3 系统的特点 1 编制出了开采沉陷预计分析的软件系统 包括管理程序 预计程序 计算程序 功能菜单及 帮助程序等 并且 程序设计思想便于理解和接受 实现了地表移动预计及其结果的可视化输出 为开