基于AutoCAD的开采沉陷预计分析系统.pdf

河南理工大学 硕士学位论文 基于AutoCAD的开采沉陷预计分析系统 姓名李伟 申请学位级别硕士 专业大地测量学与测量工程 指导教师郭增长 20050601 摘要 摘要 拥有强大的图形处理功能的A u t o C A D 广泛的使用在各个领域。目前，我国煤 矿企业大都以A u t o c A D 为平台来绘制、管理矿图的。“三下”采煤一直是煤矿企业 的重大课题，为了给“三下”采煤的可行性研究提供可视化的计算方法、分析手 段、技术保障和决策支持，及时预测煤矿开采引起的地表沉陷的动态变化，结合 A u t o c A D 在煤矿中的广泛使用，本文研究和开发了“基于A u t o C A D 的开采沉陷预计 分析系统”。本系统是依据地理信息系统的原理与方法，在V i s u a lc 6 ．O 软件 平台下，使用A u t o c A D 的二次开发工具o b j e c t A R x 实现以A u t o C A D 矿图为基础的 开采沉陷预计分析系统。通过准确的预计结果、丰富的可视化和分析功能，为用 户提供决策依据。此外，随着煤炭开采的不断进行，开采条件也逐渐多样化。传 统的概率积分法只适用于缓倾斜、充分开采的条件下的开采沉陷预计。对于极不 充分开采和急倾斜煤层的开采，概率积分法都不能正确预计地下煤层开采之后的 地面移动和变形情况。为了满足不同采矿地质条件的开采沉陷预计，本系统不仅 提供了传统的理论模型概率积分法，还提供了概率密度函数法和皮尔森Ⅲ型 函数法。从而使本系统可以满足不同地质条件下的开采沉陷预计。 关键词A u t o c A D ； 开采沉陷预计分析；O b j e c t A R x ； 数据库 塑壹望三盔堂堡主堂笙堡苎 A b s 仃a c t A u t o c A D Ⅵ恤c hh a sp o w e d 试a b i l 时o fm 印p i n gf i g u r ei s 谢d e l yu s e di n d i 虢r e n t f i e l d s ．N o w m i n i n gm 印sa r em a p p e da n dI r m a g e db yA u t o c A Di no u rc o u n t r y ’s m i n i n gp l a n t s ．M 协m g 眦d e r “b l l i l d i n g ，w a t e rb o d y 趾dr a i l 啪y ”i sa l w a y si m p o n a n t s n l d y ．I no r d e rt op r o v i d eV i s u a lm e t t l o d so f c a l c u l a t i o n ，m e 嬲u r e so f 删y s i s ，g u 姗t e e o f t e c h n o l o 画e sa I l ds u p p o nf o rd e c i s i o nf o rt l l es t u d yo f 血ef e a s i b i l i t ，o f m i n i n gu n d e r t h e “b l l i l d i l l 岛w a t e rb o d ya n dr a i l 、v a y ’’，a n dt i r n e l yp r e d i c tt l l ed ”岫i cc h a I l g e so fm e g r o l m ds u b s i d e n c ec a u s e db yI I l i n i n g ．C o m b i n i I l g 、v i m 恤谢d e l yu 强g eo f A u t o C A D i 1 1 m i l l ef 和t o 讲t l l i sp a p e rh ss t l l d i e da l l dd e v e l o p e da ”M i n i n gS u b s i d e n c eP r e d i c t i o na n d A n a l y s i sS y s t e mb a s e do nA u 幻C A D ”．T h es y s t e mo fm i n i n gs u b s i d ∞c ep r e d i 甜o n 妣d 咖l y s i s ，砌c hi sd e V e l o p e do n 也ep l a t f o n I lo fv i s u a lC 6 ．O ，强d b 勰e d0 nm e t l l e o r i e s 绷dm e n l o d so fG I S ，u s i n gd e v e l o p i n gt o o lo fA u t o C A Dt or e a l i z eb a s e do n A u ￡0 C A Dl l l i n em a p s ．．I ks y s o e mp r o V i d e sm eb a s i so fd c c i s i o nf o ru s e r sb ya c c m t e p 删c tr e s l l l t s ，r i c hv i g u a l 趾da n a l y s i sf h n c t i o n ．I na d d m o n ，w m lt h ec x p l o i to f t l l ec o a l ， 恤c o n d i d o n so fe x p l o i 廿n ga r ea l s 0 鲫d u a l l yb e c o m i I l gd i V e r s e ．T h e 订a d i d o n a l m e m o d so f p r o b 幻i l n yi n 钯伊a 1i so n l ys l I i 劬l ef o rM i I l i n gS u b s i d e n c eP r e d i c t i o nu n d e r t h ec o n d i t i o 珊o fg e n t l ei l l c l i n e ds 嘣c i e n c ye x p l o n a 廿o n ，b u tf o rt h e i n s u 珂c i e n c y e x p l o 删o n 吼ds h a 印l yi l l c I i n e dc o a ls e 黜e x p l o i t 鲥o n ，i tc a I ln o tc o n ．e c t I yp r e d i c tt h e s i t u a t i o no fg r o u n dm o V i n ga l l dd i s t 0 币o na R e r 廿l ee x p l o i 嘶o no fu n d e r g ∞u n dc o a l ．I n o r d e rt om e e tt h eM i I l i I l gS u b s i d e n c eP r e d i c t i o ni nd i m 黔n tg e o l o g yc o n d i t i o n s ，t h e s y s t 锄n o to m yp r o V i d e s 廿1 e 廿a d m o n a lm e t h o d so fp r o b a b i l i t yi n t e 掣a l ，b u ta l s om e m 劬o d so fp m b a b i l 竹d e n s 时矗m c t i o na n d 吐1 cm e 恤o d so fP i e r s o n Ⅲ劬c d o n ．．丁h e n c a nm e e tV a r i o u sm i 芏l i n gp r e d i c t e du n d e rd i 丘啦n tg e o l o g yc o n d i t i o n s ， K e y w o r d s A u t o C A D ；M i n i n gS u b s i d e n c cp r e d i c t i o na l l dA 卫a l y s i s ；O b j e c t A R X ； D a t a b a s e I I 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 ∥年莎月，日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于焦作工学院。学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文 被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名盐 指导教师签名； 垩臣兰盈劣 埘年石月，日0 一吖年占月 J 曰 第一章引言 1引言 1 ．1 开采沉陷学的概念和研究内容 1 ．1 ．1 开采沉陷学的概念 地下有用矿物被采出后，岩体原始应力平衡状态受到破坏，造成应力重新分 布，并寻求新的平衡，从而使岩层及地表产生移动变形和非连续破坏，这种现象 称为“开采沉陷”【l 】。 由于岩体本身是一种非常复杂的介质，它不仅是由各种不同性质的岩层组成， 而且还由于各种地质条件作用 如褶皱、断层、开裂、火成岩侵入、陷落柱等 产生了大量的不连续面【”，因此，当岩体在受到开采影响时，产生的开采沉陷是一 个在时间和空间上都是非常复杂的过程。 自十九世纪中叶以来，由于采矿业的发展，因采矿引起地表塌陷，给地面建 构 筑物和农业生产带来了严重损害，引起了人们的广泛关注。采矿企业的测量 人员从二十世纪初就开始建立地面观测站，对地表移动进行系统观测。在对她表 移动观测成果综合分析和地表移动规律探讨的基础上，产生了新的学科领域 开采沉陷学圆。 1 ．1 ．2 开采沉陷学的研究内容 开采沉陷学 M i n i n gs u b s i d e n c e 是研究由于地下开采而引起的岩层及地表 移动规律以及与地表沉陷相关问题的一门科学。它涉及测量、采矿、力学、地质、 建筑等多门学科。 开采沉陷学作为一门理论性和实践性都很强的交叉学科，其主要研究内容为 ①岩层及地表移动的监测方法； ②矿山开采岩层及地表沉陷的规律； ③岩层移动和变形的机理 ④开采沉陷预计 ⑤矿山开采岩层及地表移动控制技术； ⑥采动损害及防护 1 ．2 开采沉陷预计 1 ．2 ．1 开采沉陷预计的重要性及意义 河南理工大学硕士学位论文 在矿区，由于开采造成地表塌陷，对矿区及周边生态环境和人民生产、生活 带来了不同程度的影响。截至2 0 0 0 年底，开滦矿区因采煤造成地表塌陷总面积己 达2 1 6 平方公里，其中绝产耕地4 ．2 1 7 平方公里，形成大小塌陷积水坑5 5 个，积水 总面积2 5 ．6 平方公里；因采煤塌陷搬迁村庄9 4 个，旧村址废弃地面积达7 ．0 7 平方 公里{ 季节性积水塌陷波及耕地1 3 3 平方公里以上。据预测，随着煤炭的不断开采， 今后每年还将新增1 ．6 平方公里塌陷地”。。 另一方面，为了降低开采沉陷对地面的破坏和人类活动的影响，当遇到建筑 物下、铁路下、水体下和承压水上 简称“三下一上” 时，通常都要留设保安煤 柱以保证地面对象免受破坏。这些保安煤柱通常称为“三下”压煤。据统计，全 国建筑物下、铁路下、水体下和承压水上的煤炭资源达1 3 7 ．6 4 亿吨。比如充州矿 区，由于地处村庄稠密、土地肥沃的鲁西南平原地区，“三下”压煤更为严重。据 1 9 9 5 年统计资料，兖州矿区六对矿井的总可采储爨为1 2 8 1 8 3 ．8 万吨，其中建筑物 下压煤量为5 1 9 0 5 ．3 万吨，占总可采储量的4 0 ．5 ％““。 为了解放这些资源，又使地面上受保护的建 构 筑物保持原有的功能，维 护地面上各种建筑物和生态系统的动态平衡状态，必须准确地预计出地下煤炭资 源采出之后地表受到采动破坏的程度和影响范围，即在煤炭开采之前根据采区地 质采矿条件和地表移动理论事先预计出地表任意点受到的采动影响。这样就能够 在煤炭开采之前和开采过程中。定量地预计出地面任意位置受到的开采影响程度， 并且与建 构 筑物的临界变形值进行对比，就可以分析出建 构 筑物将受到 的采动损害等级，从而制定有效的防护措施。 同时作为矿山开采沉陷学科的核心内容之一，开采沉陷预计对开采沉陷的 理论研究也有着重要意义，利用预计结果定量地研究受开采影响的岩层和地表移 动在时间上和空间上的分布规律。 1 ．2 ．2 开采沉陷预计理论模型 1 ．2 ．2 ．1 经验方法 经验方法是以实测资料为基础，通过对大量实测资料总结和分析，找出地表移 动和变形与地下开采条件的关系，确定预计各种移动和变形值的函数形式 解析 公式、曲线或表格 和计算预计经验公式。目前，应用较广且具有代表性的经验 计算和预计方法主要有剖面函数法和典型曲线法。 ①剖面函数法 2 一 蔓二主 i 童 _ 一一 根据不同开采条件下地表下沉盆地剖面形状，确定不同的剖面函数来描述下 沉盆地，作为预计地表移动和变形的公式，这种预计地表移动和变形的方法统称 为剖面函数法。 在开采沉陷研究初期，人们主要遥过观测的手段认识地表开采沉陷现象，随 着观测资料的积累，不断加深对地表移动和变形规律的认识，逐渐总结出适合不 同地质采矿条件下预计地表移动和变形的经验方法，即剖面函数法。由于所依据 的实测资料以及对地表移动和变形规律的认识程度不同，因此，总结出的剖面函 数有多种形式。 我国许多矿区使用过多种剖面函数法，应用最多或有代表性的主要是负指数函 数法。负指数函数法是用负指数来表示下沉剖面函数的方法，走向方向主断面半 盒地下沉计算公式为 一口r c 一三1 矿 x ％e ‘∥ 式中Ⅳ x 地表移动盆地主断面上任意点的下沉值； ％一地表最大下沉值； a ，c ，n 一预计参数，可根据矿区实测资料求得。 x 地表下沉盆地主断面上任意点到开采边界的距离。 有了下沉曲线函数式，根据下沉与其它移动和变形的关系式，可得出相应移 动和变形的计算公式。由于剖面函数不可能考虑更多的地质采矿因素，因此大多 数剖面函数仅适用于近似矩形工作面开采时的地表移动和变形的预计。 ②典型曲线法 典型曲线的基本原理与剖面函数完全相同。只是剖面函数是通过解析函数的形 式来表述地表的下沉和预计点位置的函数关系，而典型啦线是以表格或诺谟图的 形式来表示地表的下沉与预计点位置的函数关系。 1 ．2 ．2 ．2 离散随机介质理论概率积分法 离散随机介质理论认为上覆岩层是被大大小小的裂隙和断裂所切割的碎块体， 地下开采引起的岩层与地表移动规律和随机介质模型中碎块体的移动规律在宏观 上相似。在这一基本假设的基础上，首先由波兰学者L i 谢i n i s z y l l 提出了预计地表 移动和变形的方法。1 9 6 5 年，我国学者刘宝琛、廖国华在煤矿地表移动基本规 律专著中将这种理论进一步改进、系统、完善，形成了比较完整的预计地表移 动和变形的方法，我国将这种方法称之为概率积分法。概率积分法计算走向主断 3 河南理工大学硕士学位论文 面内地表下沉的方法为 怖 ％r c x p 一石学灿 式中％一充分采动条件下地表的最大下沉，％ g - 聊c o s 口； 口下沉系数； n 一开采长度； 卜_ 主要影响半径，r 2 ≤≥伯n 廿 开采深度； m 开采厚度 n 煤层倾角。 1 ．2 ．2 ．3 影响函数法 影响函数法的基本原理是假定地下微面积的开采对地表任意一点的影响与地 表点距微面积的水平距离有关，并与开采的微面积成正比，微面积开采引起地表 的下沉增量可表示为【1 4 】 毋w 叮彤 r 洲 式中绗卜影响函数； 卜一单元开采面积与地表点的水平距离； q 下沉系数； 舫一开采厚度。 当开采面积为A 时，地表点的下沉为 矽 g m J f ， ， 出妙 影响函数的形式可以根据不同的方法确定，即可以根据实测资料分析求得， 也可直接给出，波兰学者克诺特给出的影响函数为高斯曲线，其最终计算地表下 沉的公式与概率积分法完全相同，因此有些学者将概率积分法归结为影响函数法。 德国曾根据影响函数法的原理发展了预计地表移动和变形的积分格网法。 1 ．2 ．2 ．4 连续介质力学方法 连续介质力学方法是将上覆岩层视为一种连续介质，按现有的力学方法求解 上覆岩层移动和变形的方程。以连续介质力学为基础的方法能够较好地反映岩层 4 第一章引言 及地表沉陷力学发展过程的本质。迄今应用的理论主要包括弹性理论、塑性理论、 粘弹塑性理论、断裂理论等。 虽然连续介质力学的方法能够揭示地表沉陷的力学本质，但是，由于上覆岩 层本身的复杂性，在建立力学模型的过程中不得不做出一些假设 比如假定上覆 岩层为各向同性或横观同性等 ，这些假设与岩层本身的力学特性存在一定的差 异。通过试验室试验获取的岩石力学参数与岩体的力学参数并不完全相同，有时 差别很大。所有这些使连续介质力学的方法在开采沉陷预计中受到了限制。因此， 目前连续介质力学的方法并未在实践中得到广泛应用。 随着计算机技术的发展，数值模拟方法在开采沉陷计算中得到应用，目前， 常用的数值计算方法有有限单元法、边界元法和离散单元法。将这些方法应用到 开采沉陷的研究中，促进了开采沉陷学的发展，对由地下开采而引起的上覆岩层 破坏和移动机理有了更加准确的认识。但是，基于和连续介质力学同样的原因， 计算机数值模拟的方法还不能代替传统开采沉陷预计方法。 正常地质采矿条件下。地表移动和变形预计方法在我国已比较成熟，特别是 以概率积分法、负指数函数法和典型曲线法为代表的传统预计方法在开采实践中 得到了广泛应用。在开展正常地质条件下地表移动规律研究的同时，我国也开展 了对复杂地质条件下地表移动规律的研究，特别是2 0 世纪8 0 年代以来，我国对 复杂地质条件下地表移动规律的研究取得了部分研究成果。仲惟林、张玉卓等研 究了断层对遗表移动规律的影响，何万龙等提出了山区地表移动和变形的计算方 法，李永树，王金庄等建立了褶曲构造煤层三维空间开采时地表单元下沉和单元 水平移动表达式，结合概率积分法得到了褶曲构造开采条件下地表移动和变形的 计算方法，仲惟林、戴华阳，王金庄等对急倾斜开采条件下地表移动规律进行了 深入研究，提出了急倾斜开采条件下地表连续变形和非连续交形计算方法。这些 研究成果丰富了我国开采沉陷的理论。 复杂地质采矿条件下地表移动规律是开采沉陷研究的难点也是今后开采沉陷 研究的重点。比如，深部开采地表移动规律、厚冲积层条件下地表移动规律，岩 直接出露地表时地表移动规律以及断层构造对地表移动规律的影响等方面的研究 还较少，需要迸一步深入研究，以取得在实践中具有一定应用价值的成果。 1 ．3 国内外研究状况 我国的开采沉陷研究工作从新中国成立开始一直到现在，在科研人员的不懈 5 河南理工大学硕士学位论文 努力下取得了丰硕的成果，主要成果可以概括为以下八个方面。1 ； ①地表移动规律研究。 ②巨厚松散层条件下开采地表移动规律。 ③块段开采条件下覆岩移动机理及地表移动变形计算。 ④极不充分开采地表移动变形预计方法。 ⑤基于倾角变化的开采沉陷模型研究。 ⑥曲面分布形式煤层开采地表移动预计方法研究。 ⑦关于覆岩离层注浆减缓地表沉降机理与在建筑物下采煤应用中的问题探 讨。 ⑧开采沉陷预测分析系统 M S A S 的开发研究。 伴随着开采沉陷理论的不断完善，有关开采沉陷预计、分析等方面的实现方 法也经历了一个逐渐演化的过程 ①早期由于设备陈旧，而计算公式又非常复杂，科研工作者和生产者只有通 过查表手工计算，任务相当繁重。 ②电子计算器的出现减轻了科研工作者工作。 ③随着科学技术的发展，计算机的普及，通过计算机语言编程来完成开采沉 陷预计的数值计算任务，使科研工作者最终从繁琐的计算中解放出来，从而使科 研工作者可以研究更多更有价值的东西。这不仅给科研工作者带来了很大的方便， 也因为计算的手段的改变而给科研工作者提出了新的课题。但是，这一时期的开 采沉陷预计软件只有数值计算功能，没有分析的功能。 ④随着计算机语言的发展和编程技术的改进，程序设计使用的计算机语言也 从早期的B a s i c 、F o r t r a n 等面向过程的语言过渡到了c 、D e l p h i 等面向对象的 语言。从而缩短了开发周期，提高了运行速度。但是，早期豹软件产品大都是借 助某一操作系统平台，利用一种高级程序设计语言来实现的，而没有充分利用一些 现成的开发环境。 ⑤随着信息科学技术的迅速发展和全球经济一体化进程的加快，市场竞争日 益加剧，导致信息技术愈来愈广泛地被应用于社会和经济的备个领域，信息网络 化已成为当今社会发展的重要而基础的手段，企业信息化也越来越受到入们韵重 视“⋯。以G I s 技术和软件为基础的数字矿山也越来越普遍的被人们接受。而利用 G I S 技术和软件来解决开采沉陷中的一些具体问题也具有很大的优越性和可行性 [ 踟 6 第一章引言 地理信息系统向矿业领域的渗透以及G M S G e o s c i e n c e M o d e l i n gs y s t e m 和 G I s G e o s c i e n c eI n f o r m a t i o ns y s t e m 的出现，是始于8 0 年代后期。以加拿大、 澳大利亚、美国、英国为代表，陆续开发了象L Y N X ，M i n e M AP ，M i n e T E K ，M i n e O 雕， M i n e c A P 。v U L c A N ，G e o 叫E T 和 T A M s N E 这样一些代表性的矿山模拟和矿业应用软件 系统，并在世界许多采矿国家获得应用。 目前，使用地理信息系统软件、原理、方法开发出来的开采沉陷预计系统越 来越多，国内许多科研院所及其它相关单位都有一系列的成果问世。蔡少华的硕 士论文“计算机辅助沉陷数据图形处理研究”，在二维、三维成图和井上、下对照 图等方面取得了新进展旧。李永树的博士论文“地表移动预计方法及信息处理 S P D P 系统研究”“3 。康建荣的“采动覆岩动态移动破坏规律及开采沉陷预计系 统”啪。戴华阳的博士论文“基于倾角变化的开采沉陷模型及其G I s 可视化研究” “”。这些成果都为G I s 在矿区开采沉陷中的应用及“数字矿山”的实现提供了理 论依据和实践经验。 中国矿业大学在加拿大阿波罗科技集团和北京东方泰坦科技有限公司的支持 下开发的矿山地理信息系统T T 一婀I s 2 0 0 0 ，该系统使用T i t a n G I S 的开发控件， 采用组件模式进行半底层开发，面向我国矿业领域开发的第一个国产矿山G I s 基 础平台。本系统除具备通用G I S 软件的基本功能外，还集成了许多矿山专用组件。 天地科技股份有限公司唐山分公司矿测中心开采损害及环境工程研究室开发 的可视化智能型岩层移动变形分析系统Z N F X l 综合了v i s u a lB a s i c 、A u t o C A D 和凇T L A B 等平台，实现了对岩层移动变形的智能分析和三维模拟。 1 ．4 目前开采沉陷预计分析系统存在的问题 虽然开采沉陷预计分析软件众多并且也在为矿区生产服务，但是这些软件都 存在有不足之处。这些不足之处可以归纳如下 ④由于矿山空间数据 信息 的复杂性和特殊性，而。通用地理信息系统尚未建 立矿山专有的数据模型与结构，虽然优点明显的，但也不能完全适合矿图设计的需 要。 ②预计模型单一，大多以概率积分法为数学模型针对缓倾斜煤层，单一矩形 工作面进行开采沉陷预计。 ③功能比较单一，只以开采沉陷中某一方面作为研究重点做一个专题系统。 比如z N F X l 的重点放在了岩层的移动变形预计和模拟。 7 河南理工大学硕士学位论文 ④没有考虑当前煤矿企业中计算机和软件的使用情况，只注重开发而忽略软 件的实际使用基础。对于开采沉陷预计分析系统，目前大都使用专用的G I S 软件作 为平台进行二次开发，从而使系统变的庞大并且增加了经济投入；同时，由于 A u t o c A D 软件的广泛使用，而使G I s 软件因为没有正确的图纸来源而使G I s 软件在煤 矿中的应用受到阻碍。因此，使用G I S 软件平台开发开采沉陷预计分析系统是不实 用的。 1 ．5 研究内容及技术路线 1 ．5 ．1 本论文的实用价值 目前，我国的大部分矿区的矿图都是以纸质图和A u t o c A D 格式的电子地图的形 式存在，而且有些矿区还开发了基于A u t o c A D 的矿区地质测量图纸管理系统。由此 可见，A u t o C A D 在矿区有着广泛的使用基础。不仅如此，由于A u t o c A D 的广泛使用 和A u t o C A D 强大的图形功能，许多大型的G I S 软件也都提供了和A u t o c A D 互相转换的 图形接口。而有些公司则直接开发了基于A u t o C A D 的成图软件，如南方测绘公司开 发的c A S S 系列。 另外，由A u t o d e s k 公司出晶的计算机辅助设计软件A u t o C A D 不仅具有丰富的图 形功能，强有力的编辑功能和友好的界面，而且具有高度的开放性，向用户提供 了多种开发工具，包括菜单、图案、线性、字体、S C R 、命令文件及V i s u a lL I S P 、 A c t i v e x 、0 b j e c t A R x 等。通过这些工具可以轻易的为A u t o c A D 添加新的功能，从而 实现A u t o c A D 的个性化操作。 因此，以A u t o c A D 为平台以O b j e c t A R x 为工具开发借助G I S 技术来开采沉陷预计 分析系统具有明显的实用价值。 1 ．5 ．2 本论文的研究内容 ①不仅实现了缓倾斜、充分开采条件下的开采沉陷预计方法电算化，而且实 现了极不充分开采和急倾斜煤层开采的开采沉陷预计方法的电算化。 ②研究为A u t o c A D 图形对象添加属性值的方法，实现在A u t o C A D 中定义矿图元 素，为本系统的分析功能提供可能性。 ③深入研究A u t o c A D 图形数据库的结构和组成，探索A u t o C A D 在煤矿生产中的 使用和绘制、管理A u t o c A D 矿图的新方法。 ④借助A u t o c A D 高精度的坐标系统实现开采沉陷预计分析系统二维可视化图 8 圉◇图◇圈◇劁◇翮◇国◇阈◇阑 在我国，开采沉陷预计的数学模型应用最多和最成熟的就是概率积分法。但 是，当开采深度增大或者开采程度属于极不充分开采，以及煤层倾角较大时，使 用概率积分法进行开采沉陷预计时出现的误差就会加大甚至根本就不准确。针对 极不充分 深部开采 和急倾斜煤层的开采，目前较为成熟的数学模型有概率 9 河南理工大学硕士学位论文 _ J _ _ _ _ 。’一一。一一一 密度函数法和皮尔森m 型函数法。为了增加本系统的通用性，本系统的开采沉陷 预计数学模型不仅包括概率积分法而且还包括概率密度函数法和皮尔森m 型函数 法。 1 ．6 本论文中要解决的问题 本论文所选课题“基于A u t o C A D 的开采沉陷预计分析系统”是河南省重点攻 关项目密集建筑群下深部压煤开采技术研究 编号0 4 2 3 0 2 2 3 0 0 的子课题。 本课题针对不同地质条件下地面采动损害的规律不同，本系统采用概率积分法、 概率函数密度法、皮尔森Ⅲ型函数法数学模型作为本预计分析系统的数学模型， 利用G I s 的基本思想和A u t o c A D 强大的图形功能、高度的开放性和广泛的使用基 础，以v i s u a lc 6 ．O 作为软件开发平台，通过0 b j e c t A R x 类库来开发的以 A u t o c A D 2 0 0 2 为平台的沉陷预计分析系统。 为实现本系统，本论文将要解决以下六个方面的问题 ①设计最优的数据结构和建立相应的数据库，以实现对属性数据和图形数据 的统一管理。 ②提供多种开采沉陷预计模型，从而满足不同地质条件下的采煤工作面的开 采沉陷预计。本系统能够解决的开采沉陷预计类型有；任意形多工作面的开采沉 陷预计、深部开采和极不充分开采以及急倾斜煤层的开采。 ③开采沉陷数据的二维可视化及地表下沉的三维可视化的实现。在数据的二 维的可视化研究中，分析了格网 G R I D 模型和不规则三角网 T I N 模型各自的优缺 点，结合开采沉陷预计结果数据规则化的特点，提出采用G R I D 和T I N 结合的一种混 和网格模型，而为了增加程序的通用性，本系统中生成等值线的算法是以T I N 为模 型的。 ④基于等值线的开采沉陷损害面积、体积的自动计算和剖面图的自动绘制算 法实现。 ⑤工作面、建筑物、钻孔、等值线等矿图元素的定义、管理。 ⑥地面建筑物受采动损害影响的分析和统计。 1 ．7 本章小结 本章从开采沉陷学的概念出发，阐述了从事开采沉陷研究的必要性和开采沉 陷预计在煤矿生产中的重要性。总结了进行开采沉陷预计时，使用方法和工具的 1 0 第一章引言 发展历程。列举了为了满足开采沉陷预计的需要，国内外的科研工作者开发了许 多以G I s 技术和软件为基础的多种开采沉陷预计分析系统。指出了这些预计分析系 统存的不足之处。提出了立足于现实，借鉴G I s 的技术，开发基于A u t o C A D 的开采 沉陷预计分析系统。论证了本系统的实用价值和理论意义。阐明了本论文要解决 的问题、研究内容和技术路线。 1 1 河南理工大学硕士学位论文 2 系统分析和设计 2 ．1 系统开发技术背景 目前，煤矿企业中的各种矿图的存在形式主要是纸质图和A u t o C A D 格式的电子 地图，而国内许多专家学者和测绘工作者也开发了许多基于A u t o c A D 的煤矿地质测 量信息系统，比如煤炭科学研究总院西安分院的姜在炳和张庭林开发的煤矿地 质测量信息系统阻3 等。 A u t o c A D 是由美国A u t o d e s k 公司开发的通用计算机辅助设计软件包，它具有 易于掌握、使用方便和体系结构开放等优点，深受广大工程技术人员的欢迎。 A u t o C A D 之所以受到广大工程技术人员的欢迎主要是因为 ①具有完善的图形绘制功能。 ②具有强大的图形编辑功能。 ③允许用户对其进行二次开发。虽然A u t o c A D 的系统源代码没有向用户公开， 但它提供了多种开发工具，使用户能够访问或改变A u t o c A D 的原有标准系统库函 数和文件，进行二次开发或者用户定制。 ④提供了多种接口文件，具有较强的数据交换能力。 ⑤支持多种交互设备，具有良好的用户界面和高级辅助功能。 ⑥支持多种操作平台。 ⑦软件易于掌捏，适用于各种层次的用户。 新版本A u t o C A D 的开发是基于第三代面向对象的语言实现的，使A u t o C A D 的 二次开发更容易。而A u t o C A D 之所以在工程应用中广泛流行，主要是因为 ①图形尺寸方便而精确的控制功能。 ②几何图形数据库的开放性和可读性。 ⑧高数据精度。 ④完成解析法难以完成的要求。 ⑤工程设计中，多用几何模型来讨论问题。 到目前为止，c A D 的版本已经发展到了A u t o c A D2 0 0 6 ，随A u t o c A D 2 0 0 6 版发行 的二次开发工具同前面的版本一样多种多样。其中，从A u t o c A DR 1 3 开始提供给用 户的0 b j e c t A R X 软件包是A u t o c A D 最强大的开发工具，它可以实现对A u t o c A D 图形数 据库的完全访闯。 1 2 第二章系统分析和设计 O b j e c t A R x 的开发是借助由M i c r o s 。f t 提供的V i s u a lC 来实现的。对于不同 版本的O b j e c t A R x 对应开发环境也不相同。O b j e c t A R X2 0 0 0 和2 0 0 2 使用的开发环境 是v i s u a lc 十 6 ．O ；O b j e c t A R x2 0 0 4 、2 0 0 5 、2 0 0 6 则要使用更高的版本V i s u a l C ．N E T 才能进行A u t o c A D 二次开发。否则因为版本不符而致使开发出来的应用程 序不能在A u t o C A D 中执行。 在实际生产中， A u t o c A D 的各版本还被人们广泛的使用。对于较新版本的 A u t o C A D2 0 0 0 和2 0 0 2 更是如此。考虑到目前A u t o C A D 不同版本的使用情况，和开发 环境的选择，本文决定使用以A u t o C A D2 0 0 2 为平台的0 b j e c t A R x2 0 0 2 进行系统开 发。 和以前版本相比，A u t o C A D2 0 0 2 中文版具有以下优点 ①关联标注。当关联的图形对象尺寸发生改变时能够自动更新而不必手动修 改，尺寸标注自动更新。这个大大降低了工作量，提高了效率和精度。 ②新文字特性。A u t o c A D 2 0 0 2 中文版提供了几种新文字工具，同时也改进了原 有文字功能，可以更加方便的处理文字。 ③c A D 标准。c A D 标准定义了一套命名对象如图层、文字样式的公共属性，用 户可以创建、应用和编辑C A D 标准，也可以将其作为文件 称为标准文件 保存， 以便再用。这可以极大地提高共同开发和合作的效率。 ④块属性管理工具该工具提供了改变块属性的简易方法阻快捷更新存在的块 参照，通过该工具对块的值和属性的修改可快速反映到绘图区中。 ⑤图层转换工具。该工具通过把现有图形或者标准文件作为一个参照将一个 图层从一个标准转换成另一个标准。 ⑥跏L 设计。删L 设计工具提供了一个在因特网上快速发布图形的方法。 ⑦D w F 文件格式。A u t o c A D 2 0 0 2 中文版还提供了D w F 文件格式，该格式支持附 加的光栅图形格式，提供了多种缩略图像预览。 ⑧增加了 A u t o c A D 2 0 0 2 今日 窗口。通过了它可以管理文档和样板文件，加 载符号库和访问告示板等使用它可以用来提高设计水准并能够节省时间。 ⑨网上发布。该工具提供了多种附加文件格式、样板和发布主题极大地方便 了用户。 但是A u t o c A D 也不