矿山地表移动预计系统及其在铁山南煤矿中的应用研究.pdf

重庆大学 硕士学位论文 矿山地表移动预计系统及其在铁山南煤矿中的应用研究 姓名杨守国 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师唐建新 20040410 重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 地表移动与变形的计算是进行“三下”采煤必不可少的内容，可视化的地表移 动预计程序的开发，由于其可视、快捷的特点将有助于地表移动预计程序的普及， 同时也为“三下”采煤方案设计的决策提供了强有力的工具。 文中讨论了采用V C 开发开采沉陷预计软件中，利用面向对象技术，围绕界 面可视化进行的数据组织，并基于此方法对系统数据进行了组织，给出了系统中 所使用的的点结构、边结构、三角形结构、工作面结构等数据类的成员变量和成 员函数。 针对D O S 下开发的矿山开采沉陷预计软件界面不友好、不易使用和掌握等问 题，提出了利用V C 和O p e n G L 的混合编程技术研制和开发开采沉陷预计软件后 处理图形功能的实现思路。O p e n G L 是～组三维图形和三维造型的应用程序调用接 口，由于具有强大的图形处理和三维渲染功能，已形成了独立于操作系统的3 D 图 形应用程序接口的工业标准。使用O p e n G L 实现了矿山地表移动预计系统的各种 功能 1 山区地形图显示山区地表的地形地势，是对地表三维仿真，可方便 用户查看预计区域的地形地貌，并对输入的数据进行直观的检查； 2 井上下对 照图显示工作面与地表的相对位置关系。通过井上下对照图，用户可以分析工 作面的各个位置的地表移动变形值； 3 三维的预计模型采用3 D 形式同时显示 工作面、测线、测点、地表地形、地表移动及变形，显示了各要素的空间相对关 系； 4 等值线对地表高程、下沉、倾斜、曲率变形、水平移动和水平变形等 各个分量以等值线方式显示。每条等值线用不同的颜色绘制，每种颜色等值线对 应的数值在图形一侧列出 5 彩色云图用颜色表示各分量的大小，对地表高 程、下沉、倾斜、曲率变形、水平移动和水平变形等各个分量在图形上的各点用 其值对应的颜色着色，从而形成颜色均匀过渡的彩色云图。对各种功能的实现方 法与技术作了具体的阐述。 根据实测数据求取地表沉陷预计参数，利用矿山地表移动预计系统对铁山南 煤矿3 0 1 2 工作面地下开采引起的地表移动进行了预计，并将预计结果与实测数据 进行了对比。 关键词O p e n G L ，开采沉陷，图形用户界面，可视化 重庆大学硕士学位论文英文摘要 A B S T R A C T T oc a l c u l a t em o v e m e n ta n dd i s t o r t i o no fe a r t h ss u r f a c ei se s s e n t i a lc o n t e n t s w h e nm i I l i n gu n d e rb u i l d i n g 。w a t e ra n dr a i l w a y s ．T h ed e v e l o p m e n to fs u r f a c e m o v e m e n t p r e d i c t i o ns y s t e m i sb e n e f i c i a lt oi t su n i v e r s a l i t yw i t hi t sv i s u a l i z a t i o na n d f a s tc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dp r o v i d e dap o w e r f u lt o o lf o rp r o j e c td e s i g no fc o a lm i n i n g u n d e r b u i l d i n g ，w a t e ra n dr a i l w a y s ． T h e p a p e r d i s c u s s e st h eb a s em e t h o df o r o r g a n i z i n g t h ed a t ab a s e do n o b j e c t o r i e n t e da n dv i s i b l ei n t e r f a c ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yi nm i n i n gs u b s i d e n c e p r e d i c ts o f t w a r ep r o g r a m m e d w i t hM F C ，A n d d e s i g n e dt h ed a t as t r u c t u r eo f d o t sc l a s s ， e d g e sc l a s s ，t r i a n g l e sc l a s sa n d w o r k f a c ec l a s sw i t ht h i sm e t h o d ．W ea l s og i v et h ed a t a m e m b e r sa n df u n c t i o nm e m b e r si nt h ec l a s ss t r u c t u r e s ． A i m e da t m i n i n gs u b s i d e n c ep r e d i c t s o f t w a r en o to nb o r r o w i n gt e r m sw i t h i n t e r f a c e ，n o te a s yt ou s e ，a n dd i 街c u l tt om a s t e r , w h i c hd e v e l o p e du n d e rD O S ．A m e t h o dt op r o g r a mt h eg r a p h i cf u n c t i o no fm i n i n gs u b s i d e n c ep r e d i c ts o f t w a r ew i t h m i x e d l a n g u a g e sa n dt e c h n i q u eo fu s i n g V C 十a n dO p e n G Li sg i v e n ．O p e n G Li ss e t o f3 Dg r a p h i c sa n d3 Ds c u l p t a p p l i c a t i o np r o c e d u r ei n t e r f a c e ．B e c a u s eo fh a v i n g p o w e r f u lg r a p h i c sf u n c t i o n , O p e n G Lh a s b e c o m et h e i n d u s t r y s t a n d a r do f3 D a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c ea n di n d e p e n d e n tw i t hO S ．R e a l i z e dt h e g r a p h i c s f u n c t i o n so fs u r f a c em o v e m e n tp r e d i c t i o ns y s t e mw i t hO p e n G Li nt h ep a p e r ．F o r i n s t a n c e ， 1 m o u n t a i nt e r r a i nm a p d i s p l a y i n gt h e t e r r a i na n dt o p o g r a p h y , i s3 D e m u l a t i o no fe a r t h ’ss u r f a c e ，i sc o n v e n i e n tf o rc u s t o m e rt ol o o ki n t ot h ep h y s i o g n o m y , a n dc h e c kt h ed a t ao fi n p u t ； 2 c o n t r a d i s t i n g u i s hm a po fm i n ew e l l d i s p l a y i n g o p p o s i t ep o s i t i o n r e l a t i o no ft h ee a r t h ss u r f a c ea n dw o r k f a c e ．u s e rc a na n a l y s i s s u r f a c em o v e m e n ta n dd i s t o r t i o nv a l u ea te v e r yp o s i t i o n so ft h ew o r k f a c ew i t ht h e m a p ； 3 3 Dp r e d i c t i o nm o d e l d i s p l a y i n gw o r k f a c e ，s u r v e yd o t s ，s u r v e yl i n e s ，t e r r a i n ， m o v e m e n ta n dd i s t o r t i o ni nas a l T l em a pw i t h3 Dg r a p h i c s ，r e v e a l i n gt h er e l a t i o n so f e v e r ye l e m e n t s ’p o s i t i o n ； 4 i s o l i n eg r a p h i c s d i s p l a y i n g t h ev a l u eo f h e i g h t ， s u b s i d e n c e ，i n c l i n e ，m o v e m e n ta n dd i s t o r t i o nw i t hd i f f e r e n tc o l o r s ，a n dg i v i n gt h e v a l u eo f e v e r yc o l o ra tt h es i d eo f t h em a p ； 5 c o l o rc l o u dd i a g r a m r e v e a l i n ge v e r y t a r g e t sw i t hc o l o r s ，c o l o r i n ge v e r yp o i n ti nt h em a p w i t ht h ec o l o rc o r r e s p o n d i n gt h e v a l u eo fh e i g h t ，s u b s i d e r i t e ，i n c l i n e ，m o v e m e n ta n dd i s t o r t i o na n df o r mt r a n s i t i o n a l c o l o ri nc o l o rc l o u d d i a g r a m ．E x p a t i a t e d t h er e a l i z a t i o no f e v e r y k i n do ff u n c t i o n sa n d I I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 m e t h o d sm a d ew i t ht e c h n i q u ei na s p e c i f i cw a y ． A c c o r d i n g t ot h ed a t at h a t s u r v e y e d ，g o tp a r a m e t e r s f o re a r t h ’ss u r f a c e s u b s i d e n c ep r e d i c t i o n ．W i t hs u r f a c em o v e m e n t p r e d i c t i o ns y s t e m ，p r e d i c t e d t h ev a l u e s o fm o v e m e n t sa n dd i s t o r t i o n sa b o v e3 0 1 2w o r k f a c ei nT i e S h a n N a nc o a lm i n e ．a n d c o n t r a s tp r e d i c t e dv a l u e st om e a s u r e dv a l u e s ． K e y w o r d s O p e n G L ，m i n i n gs u b s i d e n c e ，G r a p h i c s u s e ri n t e r f a c e ，V i s u a l i z a t i o n 1 1 1 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 论文的研究意义Ⅲ叫3 1 矿山开采破坏了岩体内部原有的力学平衡状态，使岩层位移、变形，使岩 体的完整性受到破坏。当开采的面积达到一定范围之后，起始于采场附近的移动 和破坏、将扩展到地表。由于矿山地下开采引起的岩层与地表移动问题，叫做矿 山岩层与地表移动。地表移动有时叫做地表沉陷。 矿山开采的实践表明，在大多数情况下，矿山地表移动会造成极大危害。 当前，这些问题还远远没有得到完满地解决。 据文献记载，地表移动问题很早已被人们所注意。在采矿业的历史上早就 有预防开采有害影响的法律性措施。 早在十五、六世纪，在比利时曾经公布一项法令，对由于开采从而破坏供 列日城用水的含水层者处以死刑。并规定在列曰城下开采时，开采深度应大于 1 0 0 米。到本世纪初以前，由于缺乏矿山地表沉陷的知识造成铁路、房屋破坏及 井下透水而死亡的惨案是不少的。 1 8 9 7 年，德国的陶德曼矿山管理局在备忘录中记载1 8 7 5 年在约汉戡梅 尔矿，由于地表塌陷使铁路的钢轨悬空。 据1 8 9 5 年的德国“幸福”杂志记载，在波希米亚的柏留克城发生了地下开采 危及地面的严重事件。地面的突然崩塌曾毁坏了三十一所房屋，严重破坏的达三 十五所；当时地表下沉1 5 米。造成这种严重事件的原因是开采煤层的厚度大 2 8 ～ 3 0 米 ，采深小于1 0 0 米。以及此处有厚流砂层，开采后引起流砂溃入井下，引 起了地表的崩塌。 在水体 河流、湖泊、含水砂岩等 下采煤时，有时会造成井淹事故。如1 9 1 6 年日本在海底下采煤时，发生了重大伤亡事故。当时开采两个煤层，开采工作离 开海岸1 ．2 公里，在煤层上面覆盖有4 7 米厚的砂岩，再上面是厚2 5 米的冲积层 和粘土层，同时在四个矿井采煤。溃决发生在离岸边相当远的地方。由于上覆岩 层中有构造裂缝，地下开采后，这个裂缝受开采影响产生移动而裂开。海水沿裂 缝溃入井下，两小时内淹没了矿井，死亡2 3 7 人。 类似于上面所列举的事例是很多的。这足以说明地表沉陷给人们带来的危 害。开采地下资源引起的地表移动 沉陷 问题越来越受到人们的关注。地下采矿 引起地表沉陷，严重的还会危及人民生命财产的安全。 开采沉陷的研究对国民经济的发展和人民生活的提高都有着重要的意义。 为了进行现代化建设，需要开采大量的有用矿物，但是开采这些有用矿物产生的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 开采沉陷，又反过来影响和破坏岩体内和地面上的一些生产和生活设施，影响生 产的发展和人民生活的提高。要解决好这个矛盾，只有依靠对开采沉陷的深入研 究。仅仅从我国“三下” 建筑物下、水体下和铁路下 压煤的情况来看，就可以显 示出开采沉陷研究的重要性据1 9 8 2 年底的不完全统计，我国生产矿井“三下” 压煤量总计达到1 3 3 ．4 8 亿吨，其中建筑物下7 8 ．1 8 亿吨、水体下 包括承压灰岩 水下3 6 ．3 9 亿吨、铁路下1 8 ．9 l 亿吨。如果通过开采沉陷的研究，能将我国“三下” 压煤哪怕只“解放”出来一半，就可供6 6 个年产1 0 0 万吨的大型矿井生产1 0 0 年。 但是，到目前为止，我国从“三下”采出的煤炭尚不足7 亿吨。只占整个“三下”压 煤量的5 ％左右。由此可见，开采沉陷的研究现状还远远不能满足生产和我国现 代化建设的需要。 随着煤矿生产规模的扩大和强度的提高，开采建筑物下、铁路下压煤的必 要性更加突出。在解决这类问题时，总是要提出问题地下煤层采出后上覆岩层 和地表将发生的移动和变形的范围和程度有多大，它将给各类建筑物带来多大的 危害和影响。为此，就需要根据已知的地质采矿条件在开采之前预先计算出地表 可能产生的移动和变形。这就是所谓的地表移动预计，或称地表移动计算及估算。 地表移动预计应用于以下诸方面 1 笋t l 断地表移动对建筑物的影响程度，确定合理的有利于保护建筑物的开 采方案及措施； 2 在建筑物下开采时，为建筑物的加固维修措施提供依据 3 分析开采对铁路的影响，判断在铁路下开采的可能性，估算铁路维修工 作量及维修材料用量 4 合理布局煤矿区的地面建筑物 5 为矿区内新建的建筑物合理结构的设计提供必要资料。 预计对指导建筑物下、铁路下、水体下的开采实践具有重要作用。特别是 在建筑物下开采时，预计所得的结果常被用来判别建筑物是否受开采影响和受开 采影响的程度，作为受影响建筑物进行维修、加固、就地重建或采取地下开采措 施的依据在铁路下采煤时，可以根据预计的结果判断铁路下开采的可能性，估 算铁路维修工作量和材料用量，安排维修计划；在水体下采煤时，预计结果被用 来判断矿井受水患威胁的程度以及研究开采对受影响的堤坝等水工建筑物的破 坏和影响的程度，以便进行必要的维修和保护。过于保守的 偏大的 预计结果， 将导致花费不必要的保护费用，造成浪费过于低估影晌的 偏小的 预计结果， 可能导致保护措旄不足，使保护对象受到破坏，造成不必要的经济损失，甚至危 及人身安全。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 ．2 地表移动预计的研究现状 1 ．2 ．1 地表移动预计理论研究现状H 卜比玎 地下开采矿物资源时，开采面积达到一定的数值，岩层将产生移动并发展 到地表，引起地表的移动、变形和破坏。这种现象从人类开始利用地下资源时就 被观察到了。早在1 8 世纪下半叶，已自＆对移动范围进行估计，这就是所谓的“法 线理论”和“自然斜面理论”。另一方面杜马特 D t u m o n t 提出了一个下沉量w 的算 式，即W m c o s a ，这里m 为采厚，Q 为煤层倾角。本世纪2 0 至3 0 年代，斯奇 米茨 S c h m i t z ，凯因斯特 K e i n h o s t 和巴斯饵m s 研究了开采影响的作用面积及分 带，这可以作为影响函数法的初级阶段。值得指出的是，凯因斯特首先提出了水 平移动的算法，即U W t g t p 甲，这里t p 为地表点到开采中心的连线与铅垂线的 夹角。以上可以称为岩层移动研究的第一阶段。 第二次世界大战后，生产的发展及其对煤炭需求量的增大，使地表移动问 题更为突出。许多学者开始对地表移动计算进行深入探索。前苏联学者阿维尔辛 通过塑性理论和经验方法提出了下沉剖面方程呈指数函数形式，并提出了水平移 动与地面倾斜成正比的著名观点，这一观点至今被许多资料所证实。波兰学者克 诺特 K n o t h e ，1 9 5 0 提出了几何理论，布德雷克解决了克诺特提出的下沉盆地中 的水平移动及水平变形问题，这一理论现在称为布德雷克一克诺特理论。其商斯 型的影响曲线对近水平煤层的下沉描述十分成功。另一波兰学者李特维尼申 L i t w i n i s z y n ，1 9 5 4 对岩层移动计算理论有较大贡献。他把岩层移动过程作为一 个随机过程。推证下沉服从柯尔莫哥罗夫方程，这一理论被称为随机介质理论， 依据这一理论发展了至今在我国广泛应用的概率积分方法。另外，沙武斯托维奇 S a l u s t o w i c z ，1 9 5 3 根据弹性基础梁理论得到了地表下沉盆地的表达式。6 0 年代 初，英国学者拜瑞 B e r r y 和沃利斯 W a l e s 根据弹性理论分别讨论了均质岩层平面 和横观各向同性平面以及三维条件下的地表移动表达式，但由于参数确定方面的 困难，应用较少。此期间英国大量研究和发展了应用典型曲线计算地表移动的方 法。美国学者沙拉蒙 S a l a m o n ，1 9 6 0 对地表移动也有一些研究，他几乎与拜瑞 同期研究弹性理论求解地表移动。上述阶段可认为是岩层与地表移动研究的第二 阶段。 随着计算技术的发展，岩层与地表移动的数学模型发展很快。从7 0 年代至 今，人们将经典理论 第二阶段发展的理论 的算法编成计算程序，使得过去难于 计算的问题成为可能。值得一提的是，三种主要的数值分析方法 有限元法、边 界元法和离散元法 均在岩层移动计算中得到了应用。岩层移动计算正向着自动 化、智能化、复杂化和直观化方向发展。在自动化方面，可以根据已有观测资料 反求参数、计算不同采矿方案下的地表移动变形；在智能化方面，根据计算理论 重庆大学硕士学位论文l 绪论 和专家经验设计的专家系统可以辅助决策在复杂化方面，不仅能对倾斜煤层、 岩层内部进行计算，而且对复杂地质条件 如有断层 下的移动变形也能计算，同 时还能给出应力分析的结果，在直观化方面，计算结果能直接以曲线图甚至三维 图的方式给出，十分直观，一目了然。目前正在深入研究的这然方面可作为岩层 移动发展的第三阶段。 与波兰、前苏联等国相比，我国岩层与地表移动研究起步较晚，分阶段的 特征不明显，实际上解放后我国才进行这一方面的研究工作。淮南和开滦煤矿在 五十年代初期即建立了她表移动观测站。开始了我国岩层移动科学研究的仪器观 测工作。五十年代后期，我国各主要矿区，开滦、抚顺、阜新、峰峰、淮南、大 同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪等先后制定了开展地表移动观测的规划，并建立了 一批观测站。多年来的仪器观测，积累了大量的资料。在此基础上，初步提出了 移动与变形的计算公式，以及选定有关参数的方法。从而改变了过去那种引用外 国数据解决我国实际问题的局面。 刘宝琛、廖国华将随机介质理论引入我国，并发展和完善了这种计算方法。 刘天泉、周国铨等一批学者对我国此项事业的发展做出了贡献。在我国已形成了 概率积分法，典型曲线法，负指数函数法等多种计算方法并存的“百花齐放”的局 面。在大量的地表移动观测资料的基础上制订出了自己的规程。可以毫不夸张地 说，我国在岩层与地表移动的理论研究和实际应用方面都取得了巨大的成绩，并 在国际上占据应有的地位。 目前，人们已初步掌握了岩层与地表移动的基本规律。通过大量的现场仪 器观测，寻求了岩层与地表移动各主要参数与地质采矿因素的关系。并建立了各 种类型的地表移动盆地剖面数学表达式，为地表移动与变形预计方法的建立创造 了条件。有了地表移动预计方法，就可以预计一定条件下开采引起的地表变形值， 因而，就有可能估计出房屋、铁路由于地下开采而受损害的程度。为此，人们可 以事先采取防护措施，避免灾难性的破坏。 1 ．2 ．2 地表移动预计软件的研究现状。8 卜H ” 讫今为止，国内外对采矿引起的地表移动、破坏预计理论和方法作了大量 的研究，并取得了长足的发展。由于开采引起地表破坏涉及覆岩内部破坏机理、 结构、开采方法、开采工艺、地质构造及保护建筑物设施的结构等因素，是～个 多因素的复杂影响系统，因而借助于计算机技术快速综合分析评价，已成为～种 有效的方法。 从7 0 年代至今，人们将经典理论的算法编成计算程序，使得过去难于计算 的问题成为可能。国内的不少煤炭研究院所和高校大都开发了自己的矿山开采地 表移动预计程序，具有代表性的有 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 中国矿业大学康建荣、王金庄等开发研制的“任意形多工作面多线段 开采沉陷预计系统 M S P S ” 2 西安矿业学院余学义、刘春光等开发研制的“三下开采与地面保护预 计评价软件 Y L H ．1 2 ”； 3 焦作工学院特殊开采所开发研制的“任意形状采区地表移动盆地内任 意点任意方向的移动和变形预计程序 D B Y J ”。 采动地袁移动变形预计值的精确度是实现最大资源回收率，提高开采经济 效益，确保保护建筑物的安全的关键性技术。概率积分法是我国应用广泛且较为 成熟的主要地表沉陷预计方法，国内以概率积分法为基础的预计系统归纳起来有 以下特点 1 大部分是由B A S I C 、F R O T 鼬～N 和C 语言编写而成； 2 大部分适用于矩形工作面单一预计线的开采沉陷预计 3 大部分适用于地表为水平的开采沉陷预计 4 预计的数学模型都是根据矩形工作面的主断面有限开采条件下推导出 的预计公式。 1 ．3 地表移动预计研究存在的问题及展望 目前主要应用概率积分法作为理论基础进行预计。概率积分法预计的误差 对于不同采矿地质条件下均有一定的误差，在复杂采矿地质条件下其误差相对较 大，一般移动值最大误差在1 0 ～3 0 ％左右，变形值最大误差在2 0 - 8 0 ％范围，在 山区地表条件下有时会更大。其原因在于 1 概率积分法是以随机介质理论为基础，依赖于统计观测获得的综合理 论参数，理论预计参数的选择决定它的精确度 2 概率积分法预计在我国目前应用的是直角坐标系统模型，要求预计的 开采范围为矩形，煤层与地表的变化 采高、采深、煤层倾角、地形变化 较小， 无大的地质构造与断层，它的应用局限性很大。 3 当覆岩中存在控制地表移动变形的关键层时，地表移动变形的破坏速 率与随机介质理论差异很大，地表沉陷活动周期的变化也很大。 综合国内开发的矿山开采地表移动预计软件情况，在地表移动预计软件方 面，主要存在以下不足 1 在进行工作面开采影响预计时．一般都是以工作面走向和倾向的左下 角为坐标原点的坐标系统进行预计数据准备，这样使得在进行多工作面开采预计 时。即使是同一预计线也需要分别对每个工作面进行数据准备，从而使准备数据 的工作量加大，计算出的结果由于坐标系不统一而不易与矿图结合 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 在非矩形工作面开采影响预计时，一般采用将工作面划分成若干个近 似矩形，最后将预计结果进行叠加的方法，这种处理方法使得第一种不足更加明 显，并且预计结果误差更大； 3 没有考虑多线段预计问题； 4 没有使用可视化编程语言开发，只能在D O S 模式下运行，应用界面 不友好，操作困难，数据准备和输入工作繁琐，输入格式要求严格，易出错，没 有完整的说明书或开发人员的指导，使用十分困难，因而大多数只是内部使用， 很难推广应用； 5 没有独立的图形处理部分，输入数据的错误检查困难，预计结果只能 输出计算数据，结果查看不直观，图形输出只能靠A U T O C A D 或S U R F E R 等制 图软件完成 6 没有采用面向对象的编程技术，不能使程序代码重载和继承，代码复 用率低，且不利于软件的升级和程序代码的重复利用。 岩层移动计算应向着自动化、智能化、复杂化和直观化方向发展。在自动 化方面，可以根据已有观测资料反求参数、计算不同采矿方案下的地表移动变形 在智能化方面，根据计算理论和专家经验设计的专家系统可以辅助决策；在复杂 化方面，不仅能对倾斜煤层、岩层内部进行计算，而且对复杂地质条件 如有断 层 下的移动变形也能计算，同时还能给出应力分析的结果在直观化方面，计 算结果能直接以曲线图甚至三维图的方式给出，十分直观，一日了然。 1 ．4 地表移动预计系统研究的提出 1 ．4 ．1 具体研究背景与社会发展的需求 随着煤矿生产规模的扩大和强度的提高，开采建筑物下、铁路下压煤的必 要性更加突出，由开采引起的地表沉陷所导致的社会问题也越来越突出兖州矿 区“三下”压煤1 1 ．8 1 亿吨，占总可采储量的6 0 ．2 ％，到“十五”后四年，兖矿需要 搬迁村庄2 2 个、7 5 0 0 户，预计搬迁征地5 0 0 0 亩，搬迁费用8 亿元大屯矿区“三 下”压煤6 ．8 4 亿吨，占矿区可利用储量的6 6 ％；徐州矿务局现有的8 - 2 亿吨可采 储量中有6 2 ．2 ％为“三下”压煤；抚顺矿区老虎台矿、龙风矿在市区下采煤，影响 地表1 6 0 平方公里范围内的建筑物；阜新市新丘矿区数百栋民房沉陷破坏，导致 居民集体上访。吉林省珲春矿区因沉陷甚至影响了对外开放。形势极其严峻，必 须加强矿山开采沉陷学的研究。 加强矿山开采沉陷科学的研究是我国能源政策所决定的。理论上讲，减少 和预防矿山沉陷灾害应从治本和治标两个方面同时进行。最根本的办法是改变我 国能源结构，像日本和某些发达国家那样，以石油为主要能源，但这不符合我国 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 国情。据测算，在2 1 世纪，我国的能源结构仍然以煤炭为主 占～次性能源的 5 ∞扛- 6 ∞∞。而煤矿生产是造成矿山沉陷灾害的最主要因素。所以一方面要采取 尽量避免或减少沉陷灾害的措施 例如采用条带开采、充填开采、地下气化等 ； 另一方面要深入研究开采地表沉陷规律，研究满足地表、建筑物、地下水资源保 护需要的合理的开采系统和优化参数，发展沉降控制理论和关键技术，包括用地 表废料向垮落法工作面采空区充填的系统；研究与应用各种充填技术和组合充填 技术，村庄房屋加固改造重建技术，适于村庄保护的开采技术研究近水体开采 的开采设计、工艺参数优化和装备，提出煤炭开采与煤矿城市和谐统一的开采沉 陷控制、开采村庄下压煤等关键技术。 1 ．4 ．2 从V c 与0 p e n G L 结合方法的启发“习叫”1 现有的机械设计、力学计算、工程仿真、大都离不开有限元计算问题。众 所周知，有限元法是工程计算上一种十分有效的数值计算方法，可用来对实际结 构或设计模型进行分析，是优化设计及专家系统中重要的分析工具。有限元法之 所以能够对任意复杂的结构进行分析，是因为它将整个结构离散成为形状简单的 单元来求解。为使分析结果取得较好的精度，单元就要划分得较细，这就产生大 量的输出数据。依靠手工来整理计算结果既繁琐还常常出错，而通过一个后处理 程序对计算结果进行整理和输出，并按要求使计算出的数据图形化，能使人们从 大量枯燥的数据处理中解脱出来，例如采用计算机图形学的相关方法，利用计算 出的数据，将结构的各部分的应力及变形变化，形象地演示出来，有利于设计或 研究人员迅速地发现结构的问题所在。 大多数工程计算程序是按照这样一种方式工作的首先是通过屏幕或原始 数据文件输入数据，进行运算，运算结束后，把计算结果保存在数据文件中。现 在可以方便地应用V C 和O p e n G L 。对上述数据文件进行后处理，例如，可以 用V C 的对话框获得参数，或取得需要进行后处理的数据文件名，利用文档类 来存储数据文件或进行磁盘操作，利用视窗类进行数据结果的图像处理，在视窗 类中通过调用O p e n G L 库函数绘制云图、立体图或曲面。 目前，国际上出现的有限元商品化软件，如A N S Y S 、M A R C 、3 D v 等已广 泛应用于生产实际，它们的广泛应用很大程度上取决于功能强大的图形化用户界 面，使不值数值分析的人员也能方便地使用这些软件，直观地分析模拟结果。讫 今为止，国内已有不少煤炭科研单位开发了开采沉陷预计软件，但其中的大部分 软件都是在D O S 下开发的，其功能也只局限在数据计算，没有可视化的预处理 和后处理功能，图形输出是靠A u t o C A D 或S u r f e r 等专业绘图软件完成，这给操 作人员对数据输入和计算结果的查看都带来极大的不便，成为该类软件不能被广 泛应用的主要原因之～。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 本文在参考有限元可视化系统的基础上，以V c 作为开发工具，利用 O p e n G L 图形接口，开发地表移动预计系统的三维图形功能。O p e n G L 是一组三 维图形和三维造型的应用程序调用接口，由于具有强大的图形处理和三维渲染功 能，已形成了独立于操作系统的3 D 图形应用程序接口的工业标准。特别是自1 9 9 1 年经过微软和S G I 的共同努力，在W i n d o w sN T 3 ．5 以上版本实现了O p e r l G L ，从 而在微机环境下，也能实现高质量的图形处理。随着微机性能的不断提高，为开 采沉陷预计软件开发图形功能，提供更好的硬件条件。 1 ．5 本文研究的技术思路与内容 地表移动预计系统的研究最常涉及到的是预计理论的研究和软件设计的研 究。本文研究着重于地表预计软件程序设计方面的探讨，以概率积分法、地表移 动预计的基本原理为基础，将图形学、软件工程、计算机编程技术等学科与地表 移动研究交叉与综合，开发矿山开采地表移动预计系统，最后，将这一系统应用 到达竹矿务局铁山南煤矿3 0 1 采区的地表移动预计中，并与实测数据结果进行比 较和分析，从而证明这一系统的精确度与实用性。 基于以上内容，文中分七章论述，各章内容简介如下 第一章为绪论，简述矿山开采地表移动预计系统的研究意义。综述矿山开 采地表移动预计系统的研究进展与现状，并就矿山开采地表移动预计系统研究存 在的问题以及发展方向进行简单的讨论，提出本文的研究方法及研究思路第二 章介绍文中所使用的主要技术及实现的功能；第三章着重分析矿山开采地表移动 预计系统所要实现的主要功能；第四章基于面向对象和结构化程序设计技术，就 矿山开采地表移动预计系统中所使用的数据结构进行详细的设计，并对系统进行 模块划分第五章详细介绍矿山开采地表移动预计系统中所采用的数学模型及各 模块所采用的主要算法第六章介绍达竹矿务局铁山南矿3 0 1 采区地表移动的观 测结果，经反算求取参数，使用矿山开采地表移动预计系统进行地表移动预计， 并将预计结果与实测数据进行对比分析；第七章总结全文并展望未来研究。 重庆大学硕士学位论文2 图形化程序设计 2 图形化程序设计 2 ．1v C 简介‘4 6 1 ～H 9 】 进入9 0 年代以后，随着电脑的日益普及以及计算机硬件的迅猛更新，计算 机可视化技术得到了越来越广泛的发展和应用，越来越多的计算机专业人员甚至 非专业人员都开始致力于可视化的研究与开发。在种类繁多的可视化开发工具 中，M i c r o s o f t 公司的V i s u a lS t u d i o 一枝独秀，受到广大开发人员的青睐。 1 9 9 8 年，M i c r o s o f t 公司在以前版本的基础上进行了重要的改进工作，推出 了M i c r o s o f tV i s u a lS t u d i o6 ．0 组件，包括M i c r o s o f tV i s u a lC 6 ．0 、M i c r o s o f t V i s u a lF o x P r o6 ．0 、M i c r o s o f tV i s u a lB a s i c6 ．0 、M i c r o s o