開采沉陷預(yù)計與控制仿真試驗教學(xué)系統(tǒng)

查劍鋒 徐孟強

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)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(yù)計與控制仿真試驗教學(xué)系統(tǒng)

查劍鋒1,2徐孟強1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

仿真教學(xué)是計算機輔助教學(xué)的高級階段。從傳統(tǒng)教學(xué)的不足與仿真教學(xué)的優(yōu)點入手，針對傳統(tǒng)礦山開采沉陷課程教學(xué)，以提高教學(xué)效果為目的，開發(fā)了基于VB的開采沉陷預(yù)計與控制仿真試驗教學(xué)系統(tǒng)，將仿真教學(xué)引入到礦山開采沉陷學(xué)教學(xué)過程中。在論述系統(tǒng)開發(fā)原理及功能設(shè)計的基礎(chǔ)上，詳細介紹了系統(tǒng)3大模塊——地表移動變形分析模塊、動態(tài)演示模塊及開采沉陷控制技術(shù)模塊的功能與特點。基于本系統(tǒng)，通過人機交互界面與系統(tǒng)進行交流，可以讓學(xué)生充分理解并掌握地表及巖層破壞機理，開采沉陷預(yù)計、開采沉陷防治等重點內(nèi)容，從而有效提高教學(xué)質(zhì)量和效果。教學(xué)實踐表明，將計算機仿真教學(xué)納入到礦山開采沉陷學(xué)教學(xué)過程中，可以極大地提高學(xué)生理解能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

仿真教學(xué) 地表移動變形 Visual Basic 開采沉陷預(yù)計與控制

仿真教學(xué)是一種具有綜合作用的教學(xué)手段。學(xué)生置身于仿真環(huán)境中，可以充分調(diào)動感覺、運動和思維。在課堂上，教師授課結(jié)束后學(xué)生可以在仿真教學(xué)系統(tǒng)上進行相關(guān)內(nèi)容的訓(xùn)練，提高學(xué)生的動手能力；在條件允許的情況下，學(xué)生可以獨立地對相關(guān)仿真系統(tǒng)進行操作，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率；此外，在沒有教師參與的情況下，仿真教學(xué)系統(tǒng)可供學(xué)生自學(xué)，并反復(fù)試驗自行設(shè)計的試驗方案，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性[1]。曾經(jīng)有教育心理學(xué)家采用仿真教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)進行過對比試驗，結(jié)果表明：在仿真教學(xué)模式下，學(xué)生可以記憶約70%的內(nèi)容,而傳統(tǒng)的“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)模式，學(xué)生只能記憶約30%的內(nèi)容[2]。

礦山開采沉陷學(xué)主要研究開采引起的地表移動與變形規(guī)律，在掌握地表移動與變形機理基礎(chǔ)上進行開采沉陷災(zāi)害的防控。開采沉陷現(xiàn)象復(fù)雜的時空特征，地質(zhì)采礦條件對地表移動變形影響的復(fù)雜性，開采沉陷相關(guān)數(shù)據(jù)處理計算過程的繁瑣性、耗時性等都大大增加了教學(xué)的難度。因此，有必要開發(fā)相應(yīng)的軟件教學(xué)系統(tǒng)，將仿真教學(xué)引入礦山開采沉陷學(xué)教學(xué)中，以提高教學(xué)效果。

中國礦業(yè)大學(xué)從傳統(tǒng)教學(xué)的不足與仿真教學(xué)的優(yōu)點入手，結(jié)合VB的功能特點，開發(fā)了開采沉陷預(yù)計與控制仿真試驗教學(xué)系統(tǒng)。基于本系統(tǒng)開展的相關(guān)試驗項目，可以讓學(xué)生掌握地表下沉盆地動(穩(wěn))態(tài)發(fā)育及其與地質(zhì)采礦條件之間的關(guān)系，掌握煤礦開采地表移動與變形規(guī)律以及沉陷控制設(shè)計的基本思路與方法。系統(tǒng)易學(xué)實用，操作簡便，將該系統(tǒng)運用到開采沉陷日常輔助教學(xué)中，能夠有效地提高教學(xué)效果。

1 系統(tǒng)原理及功能設(shè)計

1.1 理論基礎(chǔ)

系統(tǒng)中開采沉陷預(yù)計采用我國應(yīng)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(zhì)理論為基礎(chǔ)，認為開采引起的巖層和地表移動規(guī)律和作為隨機介質(zhì)的顆粒介質(zhì)模型所描繪的規(guī)律在宏觀上具有相似性，將開采區(qū)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(jié)果。詳細預(yù)計模型參見文獻[3]，地表沉陷動態(tài)預(yù)計方法參見文獻[4]。

1.2 功能設(shè)計

系統(tǒng)開發(fā)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(xiàn)仿真教學(xué)，通過人機交互界面與系統(tǒng)進行交流，幫助學(xué)生充分理解并掌握礦山開采沉陷學(xué)學(xué)科的重點內(nèi)容。根據(jù)這一要求，結(jié)合本校開采沉陷課程相關(guān)教材講義，設(shè)計了系統(tǒng)主體框架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要功能參見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能

通過本系統(tǒng)可以開展工作面推進與地表沉陷盆地發(fā)育形態(tài)之間的關(guān)系、地質(zhì)采礦因素對地表沉陷盆地發(fā)育的影響、地表沉陷盆地發(fā)育動態(tài)演化、開采沉陷控制技術(shù)手段對地表沉陷盆地發(fā)育的影響等試驗工作，實現(xiàn)地表移動變形規(guī)律分析、開采沉陷過程演示、沉陷協(xié)同關(guān)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(xué)生掌握地表下沉盆地動態(tài)發(fā)育及其與地質(zhì)采礦條件之間的關(guān)系，熟悉沉陷控制設(shè)計的基本思路，掌握條帶開采、充填開采、協(xié)調(diào)開采等開采沉陷控制技術(shù)的原理與設(shè)計方法。最終讓學(xué)生深入掌握地表移動與變形規(guī)律，為采煤方法設(shè)計奠定基礎(chǔ)。同時通過系統(tǒng)設(shè)計的考核模塊的測試，讓學(xué)生思考如何應(yīng)用這些規(guī)律進行沉陷災(zāi)防治。

根據(jù)實采工作面的地質(zhì)采礦條件、概率積分法預(yù)計參數(shù)，運用概率積分法預(yù)計模型(動態(tài)預(yù)計模型及穩(wěn)態(tài)預(yù)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(xiàn)計算結(jié)果輸出、二維三維顯示、動態(tài)演示、對比分析等功能。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 地表移動變形規(guī)律分析模塊

借助地表移動變形規(guī)律分析模塊，學(xué)生可以展開地質(zhì)采礦因素變化對地表沉陷盆地發(fā)育的影響試驗及概率積分法參數(shù)變化對預(yù)計結(jié)果的影響試驗，實現(xiàn)地表移動變形規(guī)律分析、沉陷協(xié)同關(guān)系分析等功能。通過二維、三維圖形顯示功能，將計算結(jié)果可視化，使學(xué)生對開采沉陷引起的地表沉陷預(yù)盆地形態(tài)有一個直觀的認識，加深對開采沉陷分布規(guī)律的理解。

地表移動變形規(guī)律分析模塊集地表移動變形預(yù)計、預(yù)計結(jié)果輸出、預(yù)計結(jié)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(yù)計、走向主斷面極值預(yù)計、傾向主斷面移動變形預(yù)計、傾向主斷面極值預(yù)計、任意點移動變形預(yù)計、計算結(jié)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(nèi)部計算邊界。相鄰觀測點之間的距離為1 m，數(shù)據(jù)采集數(shù)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(shè)30個觀測點。如圖2所示，鼠標單擊菜單項，程序就會響應(yīng)相應(yīng)的功能。計算結(jié)束后將結(jié)果輸出，在系統(tǒng)所在路徑自動生成相應(yīng)的文本文檔。程序最終輸出傾斜值以計算結(jié)果的100倍輸出，曲率值以計算結(jié)果的1 000倍輸出，水平變形值以計算結(jié)果的10倍輸出。每項輸出結(jié)果均被保留2位有效數(shù)字。同時，計算輸出的結(jié)果也可以直接用surfer8.0軟件繪制相應(yīng)的表面圖、等值線圖等相關(guān)圖形，計算結(jié)果具有較好的可移植性。

圖2 地表移動變形規(guī)律分析界面

2.2 動態(tài)演示模塊

動態(tài)演示功能是基于VB時間控件通過設(shè)置其interval屬性，在指定的時間間隔內(nèi)反復(fù)觸發(fā)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(xiàn)動態(tài)演示的效果。動態(tài)演示共包含2部分：分布演示、連續(xù)演示。分布演示與連續(xù)演示的區(qū)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(xù)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(tài)預(yù)計時，依據(jù)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(yù)計結(jié)果的精度與可靠性。

動態(tài)演示模塊，學(xué)生可以對地質(zhì)采礦條件參數(shù)、概率積分法預(yù)計參數(shù)等參數(shù)重新輸入，避免運用一套計算結(jié)果反復(fù)進行動態(tài)演示，數(shù)據(jù)不更新，有效地避免了動態(tài)演示效果單一化，可以更好地為學(xué)生展示不同地質(zhì)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(tài)演示模塊的學(xué)習(xí)，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(yīng)用到礦山開采沉陷教學(xué)工作中，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.3 開采沉陷控制技術(shù)模塊

我國多數(shù)煤礦存在建筑物下、水體下、鐵路下采煤問題，對地面建(構(gòu))筑物產(chǎn)生破壞。對于建筑物下采煤的防護措施主要歸結(jié)為2類[3]：一是在井下采區(qū)采礦措施，目的是盡量減少建(構(gòu))筑物所在地表移動變形；另一方面對建(構(gòu))筑物采取結(jié)構(gòu)保護措施，以增加建(構(gòu))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(guān)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(gòu)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(xié)調(diào)開采等方式，它們是綠色開采技術(shù)體系的主要內(nèi)容之一。開采沉陷控制技術(shù)模塊包含4種開采沉陷控制技術(shù)，依次為條帶開采、充填開采、協(xié)調(diào)開采、對稱背向開采。

圖3 動態(tài)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(nèi)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(yōu)點、充填開采預(yù)計原理的介紹。通過本模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)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(jù)此系統(tǒng)學(xué)習(xí)掌握充填方式、預(yù)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(nèi)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(shù)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(shù)輸入，下面對應(yīng)的框架選項就會變得可用，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。點擊確定，計算成功，自動彈出消息，提示參數(shù)已選。

圖5 充填參數(shù)

(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(xué)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(zhì)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(xiàn)地表移動變形規(guī)律分析、沉陷協(xié)同關(guān)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(xué)生熟悉沉陷控制設(shè)計的基本思路，掌握充填開采與地表移動變形的關(guān)系，為采煤方法設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

礦山開采沉陷學(xué)是一門重要學(xué)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(yù)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(nèi)容抽象。因此，教學(xué)過程中，對于重點難點內(nèi)容學(xué)生不易掌握，增加了教學(xué)難度。為了很好地解決這個問題，將計算機仿真教學(xué)納入到開采沉陷教學(xué)中，對礦山開采沉陷課程中的重點及其難點實現(xiàn)仿真教學(xué)，通過人機交互界面與系統(tǒng)進行交流，讓學(xué)生充分理解并掌握地表及巖層破壞機理，開采沉陷預(yù)計、開采沉陷防治等重點內(nèi)容，從而有效提高教學(xué)質(zhì)量和效果。教學(xué)應(yīng)用表明，將計算機仿真教學(xué)納入到礦山開采沉陷學(xué)教學(xué)過程中，可以極大地提高學(xué)生的理解能力和學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性都得到了加強。

[1] 侯立剛,包國忠.一種簡易的仿真教學(xué)系統(tǒng)[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報,1994(2):59-62. Hou Ligang，Bao Guozhong.A simple and easy simulation education system[J].Journal of Fushun Petroleum Institute,1994(2):59-62.

[2] 張 華.仿真技術(shù)在模擬電路教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].濟南：山東師范大學(xué),2011. Zhang Hua.The Application Research of Simulation Technology in Analog Circuits Teaching[D].Ji'nan:Shandong Normal University,2011.

[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,1994. He Guoqing，Yang Lun，Ling Gengdi，et al.Mining Subsidence[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,1991.

[4] 吳 侃,葛家新,王令丁,等.開采沉陷預(yù)計一體化方法[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1998. Wu Kan，Ge Jiaxin，Wang Lingding，et al.Integration Method of Mining Subsidence Prediction[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,1998．

[5] 孫 俏.Visual Basic程序設(shè)計[M].二版.北京:高等教育出版社,2009. Sun Qiao.Visual Basic Programming[M].2nd ed.Beijing：Higher Education Press，2009.

[6] 張 艷.Visual Basic 程序設(shè)計教程[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2001. Zhang Yan.Visual Basic Programming Guide[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2001．

[7] 郭廣禮,繆協(xié)興，查劍鋒,等.長壁工作面矸石充填開采沉陷控制效果的初步分析[J].中國科技論文在線,2008,3(11):805-809. Guo Guangli，Miao Xiexing，Zha Jianfeng，et al.Preliminary analysis of the effect of controlling mining subsidence with waste stow for long wall workface[J].Science Paper Online,2008,3(11):805-809.

[8] 許 冬,王臨清,吳 侃.任意形狀工作面沉陷預(yù)計計算方法[J].金屬礦山,2014(5):55-59. Xu Dong，Wang Linqing，Wu Kan.Mining subsidence prediction calculation methods of random shape working face[J].Metal Mine,2014(5):55-59.

[9] 戴華陽,郭俊廷,等.“采-充-留”協(xié)調(diào)開采技術(shù)原理與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報,2014(8):1602-1610. Dai Huayang，Guo Junting，et al.Principle and application of subsidence control technology of mining coordinately mixed with backfilling and keeping[J].Journal of China Coal Society,2014(8):1602-1610.

[10] 焦軍凱,張振芳.礦山采空區(qū)引起的地表變形仿真[J].金屬礦山,2010(6):126-128. Jiao Junkai，Zhang Zhenfang.Simulation of ground collapse deformation caused by mined-out area[J].Metal Mine,2010(6):126-128.

(責(zé)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