开采沉陷预计与控制仿真试验教学系统

查剑锋 徐孟强

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221116)

开采沉陷预计与控制仿真试验教学系统

查剑锋1,2徐孟强1,2

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221116)

仿真教学是计算机辅助教学的高级阶段。从传统教学的不足与仿真教学的优点入手，针对传统矿山开采沉陷课程教学，以提高教学效果为目的，开发了基于VB的开采沉陷预计与控制仿真试验教学系统，将仿真教学引入到矿山开采沉陷学教学过程中。在论述系统开发原理及功能设计的基础上，详细介绍了系统3大模块——地表移动变形分析模块、动态演示模块及开采沉陷控制技术模块的功能与特点。基于本系统，通过人机交互界面与系统进行交流，可以让学生充分理解并掌握地表及岩层破坏机理，开采沉陷预计、开采沉陷防治等重点内容，从而有效提高教学质量和效果。教学实践表明，将计算机仿真教学纳入到矿山开采沉陷学教学过程中，可以极大地提高学生理解能力，培养学生的学习兴趣。

仿真教学 地表移动变形 Visual Basic 开采沉陷预计与控制

仿真教学是一种具有综合作用的教学手段。学生置身于仿真环境中，可以充分调动感觉、运动和思维。在课堂上，教师授课结束后学生可以在仿真教学系统上进行相关内容的训练，提高学生的动手能力；在条件允许的情况下，学生可以独立地对相关仿真系统进行操作，提高学生的学习效率；此外，在没有教师参与的情况下，仿真教学系统可供学生自学，并反复试验自行设计的试验方案，提高学生的学习能动性[1]。曾经有教育心理学家采用仿真教学和传统教学进行过对比试验，结果表明：在仿真教学模式下，学生可以记忆约70%的内容,而传统的“教师讲，学生听”的教学模式，学生只能记忆约30%的内容[2]。

矿山开采沉陷学主要研究开采引起的地表移动与变形规律，在掌握地表移动与变形机理基础上进行开采沉陷灾害的防控。开采沉陷现象复杂的时空特征，地质采矿条件对地表移动变形影响的复杂性，开采沉陷相关数据处理计算过程的繁琐性、耗时性等都大大增加了教学的难度。因此，有必要开发相应的软件教学系统，将仿真教学引入矿山开采沉陷学教学中，以提高教学效果。

中国矿业大学从传统教学的不足与仿真教学的优点入手，结合VB的功能特点，开发了开采沉陷预计与控制仿真试验教学系统。基于本系统开展的相关试验项目，可以让学生掌握地表下沉盆地动(稳)态发育及其与地质采矿条件之间的关系，掌握煤矿开采地表移动与变形规律以及沉陷控制设计的基本思路与方法。系统易学实用，操作简便，将该系统运用到开采沉陷日常辅助教学中，能够有效地提高教学效果。

1 系统原理及功能设计

1.1 理论基础

系统中开采沉陷预计采用我国应用广泛且较为成熟的概率积分法计算。概率积分法以随机介质理论为基础，认为开采引起的岩层和地表移动规律和作为随机介质的颗粒介质模型所描绘的规律在宏观上具有相似性，将开采区域划分为一个个小的开采单元，而煤矿开采引起的地表移动变形是这些微小单元引起的地表移动变形叠加的结果。详细预计模型参见文献[3]，地表沉陷动态预计方法参见文献[4]。

1.2 功能设计

系统开发的主要目的是对矿山开采沉陷课程中的知识重点及其难点实现仿真教学，通过人机交互界面与系统进行交流，帮助学生充分理解并掌握矿山开采沉陷学学科的重点内容。根据这一要求，结合本校开采沉陷课程相关教材讲义，设计了系统主体框架结构，系统主要功能参见图1。

图1 系统功能

通过本系统可以开展工作面推进与地表沉陷盆地发育形态之间的关系、地质采矿因素对地表沉陷盆地发育的影响、地表沉陷盆地发育动态演化、开采沉陷控制技术手段对地表沉陷盆地发育的影响等试验工作，实现地表移动变形规律分析、开采沉陷过程演示、沉陷协同关系分析、开采沉陷控制方法与垮落法开采对比分析等功能。

通过以上试验项目的展开让学生掌握地表下沉盆地动态发育及其与地质采矿条件之间的关系，熟悉沉陷控制设计的基本思路，掌握条带开采、充填开采、协调开采等开采沉陷控制技术的原理与设计方法。最终让学生深入掌握地表移动与变形规律，为采煤方法设计奠定基础。同时通过系统设计的考核模块的测试，让学生思考如何应用这些规律进行沉陷灾防治。

根据实采工作面的地质采矿条件、概率积分法预计参数，运用概率积分法预计模型(动态预计模型及稳态预计模型)，基于VB编程语言求解地表移动变形，通过VB图形控件与方法实现计算结果输出、二维三维显示、动态演示、对比分析等功能。

2 系统功能实现

2.1 地表移动变形规律分析模块

借助地表移动变形规律分析模块，学生可以展开地质采矿因素变化对地表沉陷盆地发育的影响试验及概率积分法参数变化对预计结果的影响试验，实现地表移动变形规律分析、沉陷协同关系分析等功能。通过二维、三维图形显示功能，将计算结果可视化，使学生对开采沉陷引起的地表沉陷预盆地形态有一个直观的认识，加深对开采沉陷分布规律的理解。

地表移动变形规律分析模块集地表移动变形预计、预计结果输出、预计结果可视化等功能于一体。具体功能包括走向主断面移动变形预计、走向主断面极值预计、倾向主断面移动变形预计、倾向主断面极值预计、任意点移动变形预计、计算结果输出、走向主断面地表移动变形曲线绘制、倾向主断面地表移动变形曲线绘制、地表移动变形三维显示、地表移动变形等值线图自动绘制。

主断面上地表移动变形计算边界选取方法：以实际计算边界向两边扩展1.5倍的主要影响半径r作为程序内部计算边界。相邻观测点之间的距离为1 m，数据采集数目随着工作面长度等条件的改变而变化。在工作面上方，与工作面走向平行方向布置了20条观测线，每条观测线布设30个观测点。如图2所示，鼠标单击菜单项，程序就会响应相应的功能。计算结束后将结果输出，在系统所在路径自动生成相应的文本文档。程序最终输出倾斜值以计算结果的100倍输出，曲率值以计算结果的1 000倍输出，水平变形值以计算结果的10倍输出。每项输出结果均被保留2位有效数字。同时，计算输出的结果也可以直接用surfer8.0软件绘制相应的表面图、等值线图等相关图形，计算结果具有较好的可移植性。

图2 地表移动变形规律分析界面

2.2 动态演示模块

动态演示功能是基于VB时间控件通过设置其interval属性，在指定的时间间隔内反复触发指定窗口的定时器事件，以VB的picture控件作为加载图片的容器，实现动态演示的效果。动态演示共包含2部分：分布演示、连续演示。分布演示与连续演示的区别在于分布演示过程中前一期的地表移动变形曲线(二维或三维)不会被后一期的地表移动变形曲线所替代，多期地表移动变形曲线可以同时显示在picture里显示。这里仅以走向主断面下沉曲线分布演示效果图加以举例说明，见图3。连续演示前一期的地表移动变形曲线会被后一期的地表移动变形曲线所替代，picture控件里只显示随工作面的推进当前地表移动变形曲线。动态预计时，依据推进速度以及每个回采单元所需要的时间将工作面进行划分。将工作面进行合理划分，不仅可以提高计算机的运行速度，同时可以提高预计结果的精度与可靠性。

动态演示模块，学生可以对地质采矿条件参数、概率积分法预计参数等参数重新输入，避免运用一套计算结果反复进行动态演示，数据不更新，有效地避免了动态演示效果单一化，可以更好地为学生展示不同地质采矿条件下，随着工作面的推进地表移动变形盆地的演化过程。通过动态演示模块的学习，让原本抽象的地表沉陷盆地演化过程变得直观化，容易理解。将该模块与应用到矿山开采沉陷教学工作中，可以激发学生的学习热情，提高学生的学习效率。

2.3 开采沉陷控制技术模块

我国多数煤矿存在建筑物下、水体下、铁路下采煤问题，对地面建(构)筑物产生破坏。对于建筑物下采煤的防护措施主要归结为2类[3]：一是在井下采区采矿措施，目的是尽量减少建(构)筑物所在地表移动变形；另一方面对建(构)筑物采取结构保护措施，以增加建(构)筑物承受地表移动变形的能力。而对于措施一，利用编程语言编制相关程序可以形象地模拟出表沉陷控制措施在控制地表移动变形，保护地面构建筑物，减少损害方面的作用。减少地表沉陷的控制措施主要包括全柱开采、条带开采、充填开采、协调开采等方式，它们是绿色开采技术体系的主要内容之一。开采沉陷控制技术模块包含4种开采沉陷控制技术，依次为条带开采、充填开采、协调开采、对称背向开采。

图3 动态演示(分布演示)效果图

下面主要以充填开采功能模块为例进行介绍。

充填开采子模块主要包含下述4个功能项。

(1)原理介绍。程序内部包含充填开采基本概念及基本原理、主要充填方式、充填开采主要特点及优点、充填开采预计原理的介绍。通过本模块的学习，学生不仅可以掌握充填开采的基本概念及其原理，还能够根据此系统学习掌握充填方式、预计原理，真正做到知其然且知其所以然。

图4 充填开采子模块

(2)计算。计算功能项所包含的计算内容和前述基本一致，不同之处在于这要求同时计算充填开采地表移动变形的同时还要求计算垮落法管理顶板时地表移动变形。计算之前要求选择充填参数模式，这里有3种模式可供选择如图5所示。选择充填模式后点击参数输入，下面对应的框架选项就会变得可用，设置相应的参数。点击确定，计算成功，自动弹出消息，提示参数已选。

图5 充填参数

(3)输出。输出功能项所包含的输出项目和前述一致，此处不再赘述。

(4)图形显示。这是充填开采子模块中的重要功能。可以让学生直观地认识到充填采煤对沉陷控制、覆岩破坏高度控制的效果以及地质采矿条件变化对充填采煤地表沉陷控制、覆岩破坏高度控制的影响。借助于图形显示功能，实现地表移动变形规律分析、沉陷协同关系分析、开采沉陷控制方法与垮落法开采效果对比分析等功能。最终让学生熟悉沉陷控制设计的基本思路，掌握充填开采与地表移动变形的关系，为采煤方法设计奠定基础。

3 结 语

矿山开采沉陷学是一门重要学科，课程紧扣煤矿开采引起的地表及岩层破坏机理，开采沉陷预计、开采沉陷防治等几个方面来展开叙述，知识体系严谨，综合性强，内容抽象。因此，教学过程中，对于重点难点内容学生不易掌握，增加了教学难度。为了很好地解决这个问题，将计算机仿真教学纳入到开采沉陷教学中，对矿山开采沉陷课程中的重点及其难点实现仿真教学，通过人机交互界面与系统进行交流，让学生充分理解并掌握地表及岩层破坏机理，开采沉陷预计、开采沉陷防治等重点内容，从而有效提高教学质量和效果。教学应用表明，将计算机仿真教学纳入到矿山开采沉陷学教学过程中，可以极大地提高学生的理解能力和学习兴趣，使学生学习的主动性和积极性都得到了加强。

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(责任编辑 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

查剑锋(1982—),男,副教授，博士。

TD325

A

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