基于MATLAB的任意點開采沉陷與移動變形系統(tǒng)實現(xiàn)

郭紅

摘? 要：文章先介紹了開采沉陷的概率積分法的單元開采積分公式，并給出任意點開采沉陷與移動變形的積分公式表達(dá)式，然后利用MATLAB自帶GUI界面編輯器編制系統(tǒng)界面，再通過MATLAB編程的強大函數(shù)庫實現(xiàn)從數(shù)據(jù)讀取到開采沉陷與移動變形的積分計算及最終的數(shù)據(jù)輸出和函數(shù)計算整個流程，并在文中展示MATLAB的GUI界面及某礦編程實現(xiàn)的地表下沉和等高線的繪制。通過對程序和概率積分法原理的分析可以得知，通過實例表明，該程序通過簡單調(diào)整，可以應(yīng)對多工作面和大多數(shù)礦區(qū)采煤開采沉陷任意點的移動變形監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：概率積分法;MATLAB;開采沉陷與移動變形;GUI界面

中圖分類號：TD327 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）04-0073-03

Abstract： This paper first introduces the unit mining integral formula of the probability integration method of mining subsidence， and gives the integral formula expression of mining subsidence and moving deformation at any point， then compiles the system interface with MATLAB's own GUI interface editor， and then realizes the whole process from data reading to the integral calculation of mining subsidence and moving deformation and the final data output and function calculation through the powerful function library of MATLAB programming. The GUI interface of MATLAB and the drawing of surface subsidence and contours realized by a certain mine programming are shown in this paper. Through the analysis of the program and the principle of probability integration method， an example shows that the program can deal with the movement and deformation monitoring of any point of coal mining subsidence in multiple working faces and most mining areas through simple adjustment.

Keywords： probability integration method; MATLAB; mining subsidence and movement deformation; GUI interface

前言

由煤炭開采造成的圍巖巖層發(fā)生運動及應(yīng)力場變化下煤層深處一步步波及至地表，這個過程中造成煤層開采的開采沉陷問題，對地表的地面建（構(gòu)）筑物、水體和鐵路造成損害[1，2]。開采沉陷預(yù)測成了煤礦開采需要解決的重要問題，概率積分法由我國學(xué)者劉寶琛、廖國華等[3]由波蘭引入并于國內(nèi)發(fā)展成熟，成為我國開采沉陷最常用的方法[4，5]。但是由于誤差函數(shù)是非基本函數(shù)，不可能得到確切的積分表達(dá)式，為編程實現(xiàn)造成困難，但MATLAB內(nèi)部有著高度集成好的積分函數(shù)，可以對由概率積分法導(dǎo)出的開采沉陷公式直接進行積分，避免了由其它編程軟件，花費大量時間積分方法的編寫上，同時MATLAB的GUI界面[6]的各種控件也比較全面，足以支持系統(tǒng)的開發(fā)，由此觀之，MATLAB在開采沉陷預(yù)計函數(shù)的書寫上具有極大的優(yōu)勢。

1 地表任意點積分公式

把地表當(dāng)作非連續(xù)介質(zhì)進行處理，則可以把復(fù)雜的地表情況變成一個個抽象的隨機介質(zhì)的微小單元：最終導(dǎo)出，單元開采時地表單元下沉盆地的表達(dá)式：

在以上介紹的基礎(chǔ)上，鑒于，沉陷在x，y方向概率的獨立性，下面直接給出任一點的預(yù)計理論公式：

2 MATLAB程序的實現(xiàn)

依據(jù)第一節(jié)建立的概率積分隨機模型，結(jié)合實際工作面的地質(zhì)采礦條件，開發(fā)了基于MATLAB的開采沉陷預(yù)計程序，開發(fā)流程如圖1所示，具體開發(fā)步驟如下：（1）構(gòu)建預(yù)計文件。獲取任意形狀工作面的概率積分法預(yù)計參數(shù)、工作面地質(zhì)采礦條件、工作面角點及地表預(yù)計點坐標(biāo)。（2）開采沉陷預(yù)計。首先將礦區(qū)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到工作面坐標(biāo)系;最后進行工作面開采沉陷預(yù)計。（3）成果輸出。輸出地表任意點下沉預(yù)計值及其他開采沉陷移動與變形預(yù)計值。根據(jù)輸出的預(yù)計值，繪制工作面移動變形預(yù)計曲面圖。

基于MATLAB的開采沉陷預(yù)計任意點的移動與變形動態(tài)預(yù)計算法的主體代碼如表1所示。

在MATLAB中使用GUI進行編程，所做界面如圖2，在數(shù)據(jù)輸入欄，可以選擇文件輸入和手動輸入兩種，在數(shù)據(jù)計算欄只需要勾選相應(yīng)信息便會對應(yīng)計算相應(yīng)內(nèi)容，同時勾選內(nèi)容也是數(shù)據(jù)輸出這一欄，輸出的文本文件內(nèi)容，也是預(yù)計成圖的繪圖內(nèi)容。

3 工程實踐

某礦的其中一個工作面開采厚度4.0m;煤層開采深度400m;下沉系數(shù)q=0.75;開采主要影響角正切值tanβ=2.0;水平移動系數(shù)b=0.3;拐點偏移距S0=0m沿走向計算開采寬度L=120m。現(xiàn)在使用預(yù)計系統(tǒng)輸出任意點的開采沉陷下沉圖3。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)的編寫具有以下特點：（1）所有的程序語言由

MATLAB語言編寫而成，具有可讀性高;加上MATLAB語言的語言基礎(chǔ)為C語言，其可移植性高;MATLAB語言具有高度集成好的函數(shù)庫，對與積分預(yù)算可以直接調(diào)用函數(shù)庫語言進行直接積分，程序簡單易于理解，同時迅速調(diào)用函數(shù)繪制移動變形曲線及各種類型的等值線圖，對地表移動觀測成果進行整理。（2）該預(yù)計程序的理論出發(fā)點為概率積分法，其體系從建立到使用，體系完整，是當(dāng)前礦區(qū)開采預(yù)計應(yīng)用最為廣泛的方法，可以從容應(yīng)對復(fù)雜和簡單地形，該理論的應(yīng)用范圍廣闊。（3）只要對程序中的參數(shù)進行修改便可進行多工作面開采預(yù)計的工作，工作面數(shù)量可以由循環(huán)和參數(shù)文件的建立更改，可以滿足各種礦區(qū)類型的工作開采沉陷預(yù)計。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧喀中，譚志祥，等.變形監(jiān)測及沉陷工程學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2014（9）：194-221.

[2]趙曉東，陳陽，蔣建.任意形狀工作面沉陷預(yù)測的概率積分法及其應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2016（12）：3387-3392.

[3]何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[4]張興華.開采沉陷預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)化[J].煤礦開采，2014，19（1）：1-2，20.

[5]國家煤礦工業(yè)局.建筑物，水體，鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社出版.

[6]劉衛(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計教程[M].北京：中國水利水電出版社，2010（2）：213-222.