開采沉陷預計與控制仿真試驗教學系統

查劍鋒 徐孟強

(1.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

開采沉陷預計與控制仿真試驗教學系統

查劍鋒1,2徐孟強1,2

(1.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

仿真教學是計算機輔助教學的高級階段。從傳統教學的不足與仿真教學的優點入手，針對傳統礦山開采沉陷課程教學，以提高教學效果為目的，開發了基于VB的開采沉陷預計與控制仿真試驗教學系統，將仿真教學引入到礦山開采沉陷學教學過程中。在論述系統開發原理及功能設計的基礎上，詳細介紹了系統3大模塊——地表移動變形分析模塊、動態演示模塊及開采沉陷控制技術模塊的功能與特點。基于本系統，通過人機交互界面與系統進行交流，可以讓學生充分理解并掌握地表及巖層破壞機理，開采沉陷預計、開采沉陷防治等重點內容，從而有效提高教學質量和效果。教學實踐表明，將計算機仿真教學納入到礦山開采沉陷學教學過程中，可以極大地提高學生理解能力，培養學生的學習興趣。

仿真教學 地表移動變形 Visual Basic 開采沉陷預計與控制

仿真教學是一種具有綜合作用的教學手段。學生置身于仿真環境中，可以充分調動感覺、運動和思維。在課堂上，教師授課結束后學生可以在仿真教學系統上進行相關內容的訓練，提高學生的動手能力；在條件允許的情況下，學生可以獨立地對相關仿真系統進行操作，提高學生的學習效率；此外，在沒有教師參與的情況下，仿真教學系統可供學生自學，并反復試驗自行設計的試驗方案，提高學生的學習能動性[1]。曾經有教育心理學家采用仿真教學和傳統教學進行過對比試驗，結果表明：在仿真教學模式下，學生可以記憶約70%的內容,而傳統的“教師講，學生聽”的教學模式，學生只能記憶約30%的內容[2]。

礦山開采沉陷學主要研究開采引起的地表移動與變形規律，在掌握地表移動與變形機理基礎上進行開采沉陷災害的防控。開采沉陷現象復雜的時空特征，地質采礦條件對地表移動變形影響的復雜性，開采沉陷相關數據處理計算過程的繁瑣性、耗時性等都大大增加了教學的難度。因此，有必要開發相應的軟件教學系統，將仿真教學引入礦山開采沉陷學教學中，以提高教學效果。

中國礦業大學從傳統教學的不足與仿真教學的優點入手，結合VB的功能特點，開發了開采沉陷預計與控制仿真試驗教學系統。基于本系統開展的相關試驗項目，可以讓學生掌握地表下沉盆地動(穩)態發育及其與地質采礦條件之間的關系，掌握煤礦開采地表移動與變形規律以及沉陷控制設計的基本思路與方法。系統易學實用，操作簡便，將該系統運用到開采沉陷日常輔助教學中，能夠有效地提高教學效果。

1 系統原理及功能設計

1.1 理論基礎

系統中開采沉陷預計采用我國應用廣泛且較為成熟的概率積分法計算。概率積分法以隨機介質理論為基礎，認為開采引起的巖層和地表移動規律和作為隨機介質的顆粒介質模型所描繪的規律在宏觀上具有相似性，將開采區域劃分為一個個小的開采單元，而煤礦開采引起的地表移動變形是這些微小單元引起的地表移動變形疊加的結果。詳細預計模型參見文獻[3]，地表沉陷動態預計方法參見文獻[4]。

1.2 功能設計

系統開發的主要目的是對礦山開采沉陷課程中的知識重點及其難點實現仿真教學，通過人機交互界面與系統進行交流，幫助學生充分理解并掌握礦山開采沉陷學學科的重點內容。根據這一要求，結合本校開采沉陷課程相關教材講義，設計了系統主體框架結構，系統主要功能參見圖1。

圖1 系統功能

通過本系統可以開展工作面推進與地表沉陷盆地發育形態之間的關系、地質采礦因素對地表沉陷盆地發育的影響、地表沉陷盆地發育動態演化、開采沉陷控制技術手段對地表沉陷盆地發育的影響等試驗工作，實現地表移動變形規律分析、開采沉陷過程演示、沉陷協同關系分析、開采沉陷控制方法與垮落法開采對比分析等功能。

通過以上試驗項目的展開讓學生掌握地表下沉盆地動態發育及其與地質采礦條件之間的關系，熟悉沉陷控制設計的基本思路，掌握條帶開采、充填開采、協調開采等開采沉陷控制技術的原理與設計方法。最終讓學生深入掌握地表移動與變形規律，為采煤方法設計奠定基礎。同時通過系統設計的考核模塊的測試，讓學生思考如何應用這些規律進行沉陷災防治。

根據實采工作面的地質采礦條件、概率積分法預計參數，運用概率積分法預計模型(動態預計模型及穩態預計模型)，基于VB編程語言求解地表移動變形，通過VB圖形控件與方法實現計算結果輸出、二維三維顯示、動態演示、對比分析等功能。

2 系統功能實現

2.1 地表移動變形規律分析模塊

借助地表移動變形規律分析模塊，學生可以展開地質采礦因素變化對地表沉陷盆地發育的影響試驗及概率積分法參數變化對預計結果的影響試驗，實現地表移動變形規律分析、沉陷協同關系分析等功能。通過二維、三維圖形顯示功能，將計算結果可視化，使學生對開采沉陷引起的地表沉陷預盆地形態有一個直觀的認識，加深對開采沉陷分布規律的理解。

地表移動變形規律分析模塊集地表移動變形預計、預計結果輸出、預計結果可視化等功能于一體。具體功能包括走向主斷面移動變形預計、走向主斷面極值預計、傾向主斷面移動變形預計、傾向主斷面極值預計、任意點移動變形預計、計算結果輸出、走向主斷面地表移動變形曲線繪制、傾向主斷面地表移動變形曲線繪制、地表移動變形三維顯示、地表移動變形等值線圖自動繪制。

主斷面上地表移動變形計算邊界選取方法：以實際計算邊界向兩邊擴展1.5倍的主要影響半徑r作為程序內部計算邊界。相鄰觀測點之間的距離為1 m，數據采集數目隨著工作面長度等條件的改變而變化。在工作面上方，與工作面走向平行方向布置了20條觀測線，每條觀測線布設30個觀測點。如圖2所示，鼠標單擊菜單項，程序就會響應相應的功能。計算結束后將結果輸出，在系統所在路徑自動生成相應的文本文檔。程序最終輸出傾斜值以計算結果的100倍輸出，曲率值以計算結果的1 000倍輸出，水平變形值以計算結果的10倍輸出。每項輸出結果均被保留2位有效數字。同時，計算輸出的結果也可以直接用surfer8.0軟件繪制相應的表面圖、等值線圖等相關圖形，計算結果具有較好的可移植性。

圖2 地表移動變形規律分析界面

2.2 動態演示模塊

動態演示功能是基于VB時間控件通過設置其interval屬性，在指定的時間間隔內反復觸發指定窗口的定時器事件，以VB的picture控件作為加載圖片的容器，實現動態演示的效果。動態演示共包含2部分：分布演示、連續演示。分布演示與連續演示的區別在于分布演示過程中前一期的地表移動變形曲線(二維或三維)不會被后一期的地表移動變形曲線所替代，多期地表移動變形曲線可以同時顯示在picture里顯示。這里僅以走向主斷面下沉曲線分布演示效果圖加以舉例說明，見圖3。連續演示前一期的地表移動變形曲線會被后一期的地表移動變形曲線所替代，picture控件里只顯示隨工作面的推進當前地表移動變形曲線。動態預計時，依據推進速度以及每個回采單元所需要的時間將工作面進行劃分。將工作面進行合理劃分，不僅可以提高計算機的運行速度，同時可以提高預計結果的精度與可靠性。

動態演示模塊，學生可以對地質采礦條件參數、概率積分法預計參數等參數重新輸入，避免運用一套計算結果反復進行動態演示，數據不更新，有效地避免了動態演示效果單一化，可以更好地為學生展示不同地質采礦條件下，隨著工作面的推進地表移動變形盆地的演化過程。通過動態演示模塊的學習，讓原本抽象的地表沉陷盆地演化過程變得直觀化，容易理解。將該模塊與應用到礦山開采沉陷教學工作中，可以激發學生的學習熱情，提高學生的學習效率。

2.3 開采沉陷控制技術模塊

我國多數煤礦存在建筑物下、水體下、鐵路下采煤問題，對地面建(構)筑物產生破壞。對于建筑物下采煤的防護措施主要歸結為2類[3]：一是在井下采區采礦措施，目的是盡量減少建(構)筑物所在地表移動變形；另一方面對建(構)筑物采取結構保護措施，以增加建(構)筑物承受地表移動變形的能力。而對于措施一，利用編程語言編制相關程序可以形象地模擬出表沉陷控制措施在控制地表移動變形，保護地面構建筑物，減少損害方面的作用。減少地表沉陷的控制措施主要包括全柱開采、條帶開采、充填開采、協調開采等方式，它們是綠色開采技術體系的主要內容之一。開采沉陷控制技術模塊包含4種開采沉陷控制技術，依次為條帶開采、充填開采、協調開采、對稱背向開采。

圖3 動態演示(分布演示)效果圖

下面主要以充填開采功能模塊為例進行介紹。

充填開采子模塊主要包含下述4個功能項。

(1)原理介紹。程序內部包含充填開采基本概念及基本原理、主要充填方式、充填開采主要特點及優點、充填開采預計原理的介紹。通過本模塊的學習，學生不僅可以掌握充填開采的基本概念及其原理，還能夠根據此系統學習掌握充填方式、預計原理，真正做到知其然且知其所以然。

圖4 充填開采子模塊

(2)計算。計算功能項所包含的計算內容和前述基本一致，不同之處在于這要求同時計算充填開采地表移動變形的同時還要求計算垮落法管理頂板時地表移動變形。計算之前要求選擇充填參數模式，這里有3種模式可供選擇如圖5所示。選擇充填模式后點擊參數輸入，下面對應的框架選項就會變得可用，設置相應的參數。點擊確定，計算成功，自動彈出消息，提示參數已選。

圖5 充填參數

(3)輸出。輸出功能項所包含的輸出項目和前述一致，此處不再贅述。

(4)圖形顯示。這是充填開采子模塊中的重要功能。可以讓學生直觀地認識到充填采煤對沉陷控制、覆巖破壞高度控制的效果以及地質采礦條件變化對充填采煤地表沉陷控制、覆巖破壞高度控制的影響。借助于圖形顯示功能，實現地表移動變形規律分析、沉陷協同關系分析、開采沉陷控制方法與垮落法開采效果對比分析等功能。最終讓學生熟悉沉陷控制設計的基本思路，掌握充填開采與地表移動變形的關系，為采煤方法設計奠定基礎。

3 結 語

礦山開采沉陷學是一門重要學科，課程緊扣煤礦開采引起的地表及巖層破壞機理，開采沉陷預計、開采沉陷防治等幾個方面來展開敘述，知識體系嚴謹，綜合性強，內容抽象。因此，教學過程中，對于重點難點內容學生不易掌握，增加了教學難度。為了很好地解決這個問題，將計算機仿真教學納入到開采沉陷教學中，對礦山開采沉陷課程中的重點及其難點實現仿真教學，通過人機交互界面與系統進行交流，讓學生充分理解并掌握地表及巖層破壞機理，開采沉陷預計、開采沉陷防治等重點內容，從而有效提高教學質量和效果。教學應用表明，將計算機仿真教學納入到礦山開采沉陷學教學過程中，可以極大地提高學生的理解能力和學習興趣，使學生學習的主動性和積極性都得到了加強。

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(責任編輯 徐志宏)

Simulation Experiment Teaching System in Prediction and Control of Mining Subsidence

Zha Jianfeng1,2Xu Mengqiang1,2

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China;2.NASGKeyLabforLandEnvironmentandDisasterMonitoring，Xuzhou221116，China)

Simulation teaching is the advanced stage of Computer Assisted Instruction.In order to improve teaching effectiveness，and from views of the deficiencies of the traditional teaching and the advantages of simulation teaching，a simulation teaching system based on VB was developed to predict and control mining subsidence，and then was introduced into the teaching program of mining subsidence.Through discussing the development principle and the function of the system，the functions and characteristics of the three modules were introduced in detail，which include the ground movement and deformation analysis module，the dynamic demonstration module and the mining subsidence control module.According to this system，the human-computer interface was adopted to communicate with the system and to enable students to fully understand and grasp the mechanism of surface and rock failure，and the prediction and control of mining subsidence，thus effectively improving the teaching quality and effectiveness.The practice showed that the introduction of computer simulation into the teaching of mining subsidence can greatly improve the students' comprehension ability and cultivate students' interest in learning.

Simulation teaching，Ground movement and deformation，Visual Basic，Prediction and control of mining subsidence

2015-07-04

查劍鋒(1982—),男,副教授，博士。

TD325

A

1001-1250(2015)-09-131-04