基于CAD平台的煤矿开采沉陷预计系统研发_田迎斌.pdf

基于CAD平台的煤矿开采沉陷预计系统研发 田迎斌 1 （中煤科工集团唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012） 摘要针对目前大多数煤矿开采沉陷预计软件需要与CAD软件结合使用的现状， 提出了开采沉陷预计数据 存储、 数据获取、 数据组织和工程文件创建的新思路和新方法， 运用CAD的Autolisp及VBA二次开发语言， 研发了 基于CAD平台的开采沉陷预计系统， 使开采沉陷预计工作完全在CAD平台上操作和运行。详细分析了预计系统 的主要特点和功能， 展示了开采沉陷预计流程， 并对该系统的工作面预计参数属性扩展、 等值线绘制和带属性离散 点参照块创建等关键技术问题进行了阐述。研究表明 该系统在基础数据获取、 数据组织、 数据库建立和工程文件 创建上实现了最大程度的集成化、 自动化和便捷化， 有效解决了不同工程数据之间无法快速联合运算的问题； 同 时， 该系统绘制各类建 （构） 筑物保护煤柱线、 绘制移动变形曲线等辅助功能为 “三下” 采煤研究工作提供了便利。 关键词开采沉陷CADAutolispVBA扩展属性系统开发 中图分类号TD325， P208文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-087-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910014 Research and Development of the Coal Mining Subsidence Prediction System Based on CAD Plat Tian Yingbin2 （Tangshan Research Institute Co.， Ltd. of China Coal Technology Engineering Group， Tangshan 063012， China） AbstractIn view of the current situation that most of the mining subsidence prediction software needs to be combined with CAD software， this paper puts forward new ideas and s for data storage， data acquisition， data organization and en- gineering file creation of mining subsidence prediction.Using Autolisp and VBA secondary development language of CAD， a mining subsidence prediction system based on CAD plat is developed.The system enables the prediction of mining subsid- ence to be operated and worked entirely on the CAD plat.The main features and functions of the prediction system are in- troduced in detail， the prediction process of mining subsidence is displayed， and the key technical problems of the system are expounded，such as the extension of the predicted parameters attributes of the working face，the drawing of contours and the creation of the discrete point reference block with attributes.The study results show that the system achieves maximum integra- tion， automation and convenience in basic data acquisition， data organization， database establishment and engineering file cre- ation， and effectively solves the problem that different engineering data can not be quickly combined； at the same time， the aux- iliary functions of the system， such as drawing protective coal pillar lines of various buildings and structures，drawing move- ment and deation curves， provide convenience for the research work of “three-under“ coal mining. KeywordsMining subsidence， CAD， Autolisp， Extended attributes VBA， System development 收稿日期2019-09-15 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0501105） ， 天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项青年项目 （编号 2018-TD- QN041） 。 作者简介田迎斌 （1981） ， 男， 副研究员， 国家二级注册结构师。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 针对煤矿开采地表沉陷预测， 近年来许多高校 和科研院所相继研发了基于概率积分法的开采沉陷 预计软件 ［1-4］。该类软件开发的平台有Visual Basic、 Visual Foxpro、 Visual C、 Matlab、 Arcgis等， 有的还需 要结合Surfer等绘图软件进行等值线输出 ［5-10］。CAD 软件是我国广大工程技术人员比较熟悉和应用较为 广泛的绘图软件， 煤矿的各种技术图纸格式大都是 基于CAD软件的DWG格式文件或可以导出为DWG 格式的文件 ［11-13］。当进行开采沉陷预计时， 往往需要 先从CAD图纸和资料中获取相关基础数据， 再将其 87 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 导入或录入到专用预计软件中进行开采沉陷预计。 在这个过程中， 较大程度上依赖于人工操作， 容易出 现数据录入错误， 其准确化、 自动化、 集成化和便捷 化程度不够高。本研究利用CAD 的Autolisp及VBA 二次开发语言 ［14-16］， 结合工作面扩展属性和创建带属 性离散点参照块技术 ［17-20］， 研发基于CAD平台的煤矿 开采沉陷预计系统， 实现数据自动提取、 数据库自动 构建和等值线输出等一体化功能， 无需再借助其他 第三方软件平台进行处理， 可大幅减轻工作强度， 提 高工作效率。 1系统主要特点和功能 （1） 开采沉陷预计系统以菜单方式加载于CAD 菜单栏中， 每次启动CAD软件时， 该系统将自动加 载， 如图1所示。该系统主菜单包括了若干子菜单， 分别实现工作面检查及处理、 工作面属性扩展、 网格 点计算 （绘制等值线） 、 离散点计算和绘制保护煤柱 （建筑物、 建筑群、 铁路） 等功能。上述工作完全在 CAD软件中以菜单和命令的方式操作， 十分便捷。 （2） 工作面检查和处理功能。工作面检查包括 扩展属性检查和规范性检查。工作面扩展属性检查 即检查工作面是否具有扩展属性。规则工作面必须 符合以下要求 ①工作面角点顺序为顺时针； ②工作 面各角点不存在重合点； ③工作面不存在三点共线 的角点。当工作面不符合上述要求时， 可以通过程 序将其自动修正。 （3） 利用CAD图元扩展属性功能。将预计时所 需的所有数据 （网格参数除外） 扩展至工作面 （闭合 多段线） 。扩展数据附于常规图形数据库之后， 且始 终跟随附着于图元对象属性之中。 （4） 具有友好的对话框界面和记忆功能。对话 框采用非模式方式， 即在对话框和CAD模型操作空 间可以来回进行自由切换， 查看或提取所需的数据 信息。比如根据人机交互方式可实时将煤层倾角、 方位角自动追加进对话框。对于下沉系数等不常变 化的参数， 对话框具有记忆功能， 可保留上一次操作 的信息， 避免重复操作。 （5） 通过CAD图层管理器可以方便关闭或打开 参与预计的各煤矿及各煤层工作面， 同时可以实时 选择需要参与预计的工作面， 并按照一定规则组建 数据文件。在组建数据文件时， 程序从被选择的工 作面常规属性和扩展属性中自动提取工作面角点坐 标及其他预计参数， 其他不被选择的工作面不参与 数据提取、 组织和运算。这种程序设计思路和操作 方式解决了以往建立的若干个相互独立的预计工程 项目基础数据无法有效衔接和联合运算的问题。 （6） 基本功能模块包括网格点计算和离散点计 算。网格点计算后即可进行等值线绘制。离散点计 算主要针对分布不规则和随机的点位下沉值和变形 值进行预计。 （7） 该系统可以对预计成果进行有效管理。所 生成的等值线图形和预计结果数据会自动存放在当 前DWG文件目录下， 并对各种预计方案进行工程文 件夹自动命名和编号。 （8） 该系统具有一定的检错能力， 可根据用户操 作及时反馈信息。比如在扩展属性对话框中， 用户 需要输入多达12个数据信息， 每当用户输入完一个 数据， 程序就会对其进行合法性和有效性判定， 或者 进行警告， 提示用户进行相应处理； 当用户选择工作 面进行预计时， 一旦发现工作面不具有扩展属性或 为非规则工作面时， 程序将会中止， 系统将会及时反 馈信息， 提示用户进行相应处理。 （9） 其他功能。系统其他功能包括绘制铁路、 建 筑物和建筑群保护煤柱； 绘制道路等线状地物移动 变形曲线等； 可根据Surfer软件需要导出符合要求的 数据格式； 绘图顺序调整工具条 （图1） 可方便调整不 同图层显示的前后顺序， 快速解决CAD图形打印时 图元对象覆盖顺序问题等。 2开采沉陷预计流程 （1） 基础数据准备。基础数据获取的基础图件 为煤矿采掘工程平面图， 图中包括各工作面分布、 工 作面煤层厚度、 底板等高线、 地表高程等信息。基础 数据准备包括圈定工作面、 自动标注工作面角点次 序号、 工作面属性扩展等步骤。 （2） 开采沉陷预计。包括等值线输出、 离散点计 88 ChaoXing 2019年第10期田迎斌 基于CAD平台的煤矿开采沉陷预计系统研发 算等步骤。系统开采沉陷预计工作流程见图2。 3基础数据准备 3. 1圈定工作面 根据煤矿已采或规划开采的相关技术图纸， 在 CAD中使用闭合多段线圈定工作面。根据所编制的 预计程序计算规则， 绘制工作面时不应出现凹多边 形， 否则， 应对其进一步划分为两个或多个凸多边 形。 绘制完工作面后， 还应对所绘制的工作面进行 规范性检查。规范的工作面即闭合多段线的顶点个 数与工作面拐点个数相同。因此， 对于闭合多段线 顶点重合和三点共线的情况应进行处理， 即需要将 多余的重复顶点删除。上述工作也是通过编写自定 义命令由程序自动完成。 3. 2工作面角点次序号自动标注 根据预计软件中的计算规则要求， 每个工作面 必须确定某一个角点采深。在进行工作面属性扩展 时， 必须输入角点次序号及其对应的采深。因此， 在 扩展属性之前， 有必要对每个工作面角点次序进行 编号。第一个角点次序号对应的角点为当时创建工 作面时用鼠标点取的第一个点， 并依次类推。 在CAD中每绘制一个图元对象后， 该图元对象 即通过数据表的形式被存储在CAD图形数据库中， 即在CAD内自动建立起完善的图形数据库。每绘制 一个闭合多段线， 数据库中就确定了其所有的顶点 坐标及其顺序。顶点坐标在数据表中的次序与当时 在CAD中绘制该闭合多段线时鼠标的点击顺序一 致。AutoLisp语言的强大功能在于能访问图元对象 数据库， 并能读取和输出数据。 为实现上述功能， 本研究使用VBA 创建了自动 标注角点次序号对话框， 提供了两种选择工作面的 方法， 一是按指定图层方式， 二是根据选择对象方 式， 如图3所示。 3. 3扩展工作面属性 CAD二次开发中， 除了要处理图形数据外， 还需 处理大量非图形数据。扩展数据库是创建非图形数 据库的有效方法， 它将非图形数据附于图形数据库 之后。 为进行开采沉陷预计工作， 需要将下沉系数q、 开采影响传播系数k等一系列非图形数据附加到常 规图形数据之后， 以便程序读取和处理。启用相关 命令后， 将提示用户选择需要扩展属性的工作面， 选 择完毕后， 会弹出对话框， 如图4所示。在该对话框 中， 用户需要输入所有参数， 而后点击 “保存” 按钮， 则上述参数将以扩展属性的方式附加到工作面的数 据表中。同时， 系统允许对已赋属性工作面的相关 89 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 参数进行修改和编辑。当这些具有扩展属性的工作 面被选择参与预计时， 其扩展数据将被程序按照一 定的规则提取和参与运算。 4开采沉陷预计 4. 1等值线输出 等值线图是以相等数值点的连线在二维平面上 的投影来表示连续分布且逐渐变化的数量特征的一 种图形。在开采沉陷研究中， 经常使用等值线来展 示地表下沉和各种移动变形， 具有表现直观、 使用方 便等特点。目前等值线生成常用的算法有规则矩形 网格法和不规则三角形网格法两种。规则矩形网格 法是指构建一组规则的矩形网格数据， 再在矩形网 格基础上进行线性插值追踪出各等值线。由于规则 矩形网格法使用的数据格式较规范， 方便程序处理， 且输出的等值线图效果好， 可用于绘制剖面图， 应用 较广泛。在开采沉陷预计等值线生成时， 采用的即 是规则矩形网格法。 有时各个煤矿或某个煤矿的各采区工作面相距 较远， 在开采沉陷预计时， 如果仅建立一个绘图网格 （一个绘图网格代表一个工程） ， 则会造成程序进行 效率低下和大量数据的无效运算。对此， 可以建立 若干个绘图网格， 随时将任何一个网格设置为当前 工作网格 （图5） 。建立矩形网格首先需要确定网格 的一个角点 （如左下角点） ， 而后根据需要的绘图区 域， 确定X和Y方向的网格点个数及步长， 这样所有 规则矩形网格点的坐标即被确定。根据工作面分布 和走向布置的网格可以是斜向网格。在确定网格左 下角点坐标和网格方位角时可无需人工输入， 点击 “拾取坐标” 按钮在CAD模型空间获取即可。 通过运用CAD图层管理器的打开、 冻结、 关闭图 层功能和在CAD模型空间以鼠标选择工作面相结合 的方式， 可以方便确定需要参与预计的工作面， 并实 时组建数据文件。在此过程中， 实现了工作面自动 编号、 角点坐标自动获取、 预计参数自动获取和数据 文件自动组建。组建的数据文件包括工作面个数、 工作面角点坐标、 工作面预计参数等。根据组建的 计算数据文件， 调用概率积分法预计程序进行网格 点预计， 预计出所有规则矩形网格点的所有沉陷变 形值， 形成预计结果文件。每个网格点预计结果包 括下沉、 计算方向倾斜和水平变形、 垂直计算方向倾 斜和水平变形等21项数据。在上述操作的基础上， 点击图5对话框中的 “绘制等值线” 按钮， 弹出绘图 参数设置对话框 （图6） ， 并进行相关参数设置， 最后 可以根据需要一次性自动输出下沉、 倾斜、 水平移 动、 水平变形、 主变形的等值线图。 4. 2离散点计算 在开采损害防治工作中， 有时需要准确获取地 表建 （构） 筑物的下沉值和各种变形值， 以便采取有 针对性的防治措施。这就需要首先在建 （构） 筑物特 征点上布置适当的预计点。如在建筑物四角和适当 位置布置预计点， 沿铁路走向布置一定数量的预计 点等。预计程序对离散点进行预计时， 需要获取每 个离散点的坐标及计算方向。每个离散点的坐标彼 此不同， 每个离散点的计算方向可能相同也可能不 相同， 完全取决于研究对象的特征。离散点坐标文 件构建可以通过人工录入或点击鼠标方式获取， 但 离散点计算方向往往需要通过人工录入。这种构建 方法效率低， 容易出现人为错误。 在布置预计离散点时， 通过AutoLisp语言编制 程序自动创建带属性离散点的参照块， 并可以实现 90 ChaoXing 2019年第10期田迎斌 基于CAD平台的煤矿开采沉陷预计系统研发 对离散点参照块的各种编辑， 如插入、 修改方向、 序 号重排等。带属性离散点参照块即为带箭头的圆 形参照块， 参照块一旁标注的数字即为该离散点的 序号， 圆形参照块的圆心坐标即为离散点坐标， 北 方向顺时针与参照块箭头所指方向的夹角即为该 离散点的方位角。离散点参照块如图7所示。通过 程序读取参照块的属性可知， 图7中该参照块编号 为81， 方位角为56， 箭头尾端圆形块的圆心坐标为 （X2 962 296.922， Y35 461 461.884） ， 此坐标即为该 预计点的坐标。 利用AutoLisp编制程序， 通过指定图层或选择对 象方式， 实现对所选离散点坐标及方位角自动提取 和离散点坐标文件自动构建。离散点坐标文件内数 据格式如表1所示。 组建离散点计算数据文件后， 启动离散点计算 对话框 （图8） ， 而后在CAD模型空间选择需要参与计 算的工作面并组成离散点计算数据文件， 最后调用 程序进行计算， 生成预计结果。此外， 系统可以根据 离散点的预计结果， 在CAD图中沿铁路、 公路等线状 地物的走向按比例自动绘制下沉和水平移动等各种 变形曲线， 进行直观表达。 5结论 （1） 运用CAD的AutoLisp及VBA二次开发语言， 在CAD平台中研发了开采沉陷预计系统。该系统以 菜单方式加载于CAD菜单栏， 实现了完全在CAD平 台中进行开采沉陷预计工作， 系统界面友好， 使用十 分方便。 （2） 利用工作面扩展属性和创建带属性离散点 参照块技术， 结合编程设计， 实现了不同预计方案工 程文件自动创建、 工作面自动编号、 工作面角点坐标 自动提取、 工作面预计参数数据库自动组建、 离散点 坐标数据自动提取和离散点预计参数数据文件自动 构建， 快速高效地实现了在CAD平台上进行地表开 采沉陷预计等值线图绘制和离散点计算。 （3） 该系统附加的绘制各类建 （构） 筑物保护煤 柱线、 绘制移动变形曲线和绘制图框等功能， 为开展 91 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ “三下” 采煤研究工作提供了便利。该软件已在多个 矿区实际应用， 取得了较好效果， 大幅提高了开采沉 陷预计的准确性和工作效率。 参 考 文 献 李建伟， 张杰， 徐永圣.利用VisualBasic和CASS实现采空区地 表沉陷自动化预计 ［J］ .矿山测量， 2012 （1） 78-80. 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