VB和VBA结合下开采沉陷预计及治理系统设计

　　摘要：矿区沉陷预计和采空区综合治理是开采沉陷研究的重要内容。现有的开采沉陷预计软件程序功能单一, 数据综合处理能力较低, 为此, 综合应用采用VB (Visual basic) 、VBA (Visual basic for application) 语言, 并结合SUFER、EXCEL和CAD软件, 开发了融合地表移动观测站设计、资料整理、数据提取、拟合计算、残余变形预计以及塌陷区综合治理等功能为一体的软件系统。首先通过加载VBA程序提高观测站设计的自动化程度, 增加了程序的可移植性;其次调用MATLAB拟合程序实现对概率积分法预计参数的精确求取, 并利用求取的概率积分法预计参数以及采矿地质资料进行开采沉陷预计;然后通过调用SUFER、CAD软件程序实现开采沉陷预计的可视化。系统理论和实例分析表明, 该系统一体化的设计提高了观测数据的处理效率, 有助于提高开采沉陷预计的针对性和精确性, 此外, 该系统特别增加了适用于条带式、充填式采煤法的矿区地表沉陷预计模块, 可为“三下”采煤方案优化设计、矿区生态环境保护以及矿区土地复垦等提供科学依据, 为实现绿色开采提供参考。

　　关键词：开采沉陷; 概率积分法; 绿色开采; VB; VBA; 观测站设计; 塌陷治理;

　　加强开采沉陷预测工作, 对于改善矿区生态环境、提高土地综合利用价值、实现矿区可持续发展具有重要意义[1-2]。为最大限度降低矿区地表塌陷带来的损失, 李培现等[3]采用MATLAB语言对开采沉陷预计系统进行了开发, 该系统具备了实测数据整理、模矢法求参和生成移动变形曲线图等功能;陈岩等[4]基于VB语言编写了地表移动变形预测程序, 通过调用SUFER软件功能模块可生成三维可视化图;方齐等[5]基于VB和VBA编程语言, 并融合Access数据库、Auto CAD、Excel软件技术实现了地表移动观测站设计中有关参数查询、观测线长度计算、观测线布设、数据输出、后期观测数据处理等一系列功能;王琦等[6]基于Visual C++6.0软件平台, 通过调用MAPGIS的二次开发工具 (API函数) 实现了任意形状工作面开采沉陷预计分析的可视化。上述程序软件尽管取得了一定的成效, 但存在程序功能单一、数据综合处理能力较低等不足。为此, 本研究综合应用VB和VBA语言, 并结合Sufer、Excel、CAD等软件对开采沉陷预计及治理系统进行开发。

　　1、开采沉陷预计模型及系统结构

　　开采沉陷预计的常用方法有概率积分法、负指函数法、典型曲线法等[7-11], 其中, 概率积分法具有算法简单、结果可靠且易编程实现等优点, 故本研究软件设计采用概率积分法数学模型。基于该模型, 地表任意点 (x, y) 的下沉值W (x, y) 和水平移动值U (x, y) 的计算公式为

　　式中, Ucm为充分采动条件下地表的最大水平移动值, m;m为采厚, m;q为下沉系数;φ为煤层倾角, (°) ;b为地表移动系数;r为主要影响半径, m;erf (x) 为高斯误差函数,

　　开采引起的地表倾斜i (x, y) φ、水平变形ε (x, y) φ、曲率k (x, y) φ等值可分别根据下沉曲线、水平移动曲线微分计算得出, 即,

　　按照结构化和功能化的设计思路, 本研究软件系统由十大模块组成 (图1、图2) 。

图1 系统结构

图2 系统主界面

　　2、主要模块设计

　　2.1、观测站布设及数据整理

　　为提高数据处理速度以及移动变形曲线图的绘制效率, 本研究将地表移动观测站设计及数据处理两部分相互独立, 以提高软件的兼容性。本研究在Auto CAD软件中快速进行地表观测站布设 (图3) , 然后在Auto CAD软件中加载并运行VBA应用程序[12-15], 实现在Excel软件中自动生成观测站坐标, 生成的数据源可直接用于绘制地表移动曲线 (图4) 。

图3 观测线布设

　　2.2、概率积分法预计参数求取

　　MATLAB作为一种着名的线性系统分析和仿真工具[16], 在矩阵运算、数值拟合、二维和三维图形的绘制方面具有独特的优势。鉴于基于VB语言编写的开采沉陷可视化软件的运行效率低于MATLAB语言编写的开采沉陷预计软件[17-20], 本研究综合采用VB、MATLAB语言对概率积分法预计参数求取模块进行设计。

　　Active X控件是Microsoft公司提供的一种用于模块集成的新协议, 是VB工具箱的扩充部分[21]。由于VB支持Active X Automation控制端协议, MAT-LAB支持Active X Automation服务器端协议, 因此只要建立一个VB、MATLAB应用程序之间的Active X Automation连接, VB便可向MATLAB传送数据并实现MATLAB的特色功能。在VB应用程序中创建Active X对象的相关代码为

图4 地表移动曲线绘制

　　Dim matlab As Object

　　Dim result As String

　　Setmatlab=Create Object ("matlab.appication")

　　创建Active X对象后, 可使用Active X对象中所包含的方法实现对MATLAB程序功能的调用。本研究以某矿为例进行详细说明。该矿开采单一煤层, 平均煤厚 (m) 为2.0 m, 煤层倾角 (φ) 为10°, 回采工作面倾斜长度2 200 m, 走向长度1 300 m, 采深 (h0) 为450 m, 采煤方法为走向长壁全部垮落法。用VB语言建立用户界面, 窗体各控件如图5所示。“拟合计算”模块中拟合求参的部分源代码如下

　　将上述代码输入“Text1”中, 并点击“拟合计算”按钮, 窗口右侧绘图区域显示拟合效果图, “Label1”内显示拟合结果 (图5) , 水平移动曲线如图6所示。

图5 拟合窗口界面

图6 水平移动曲线

　　2.3、移动变形计算及曲线可视化

　　本研究利用拟合求参模块得到的概率积分参数进行地表移动变形预计。首先在数据窗口界面 (图7) 中输入参数, 点击“参数录入”按钮, 录入完毕后点击“计算”按钮程序开始计算, 计算完毕后进入剖面线预计模块查看移动变形曲线 (图8) , 程序可根据起点坐标及方向确定不同的剖面线;然后进入移动全盆地预测模块, 生成Sufer和CAD地表移动变形等值线图 (图9) 。

图7 数据窗口界面

图8 地表移动变形剖面图界面

图9 Sufer地表移动变形等值线 (mm)

　　进行点线预计后, 可对地表残余变形进行预计, 生成残余变形等值线图 (图10、图11) , 且根据采空区特征和地表移动残余变形曲线对地基稳定性进行综合评价。现阶段, 充填法、条带法开采在“三下”采煤中应用相当广泛, 故本系统增加了相应的开采沉陷预计模块 (图12) 。

　　3、工程实例

　　某矿三采区2#、4#煤层开采后地表累计下沉量达2.8 m, 因雨季使村庄东部产生部分积水, 积水面积约9 639 m2, 严重影响了地面村庄民房安全及村民出行。利用本研究开发的软件系统并结合实测的潜水位标高数据及村庄CAD坐标图, 可在数分钟内直接、有效地生成地下潜水位曲线 (图13) 和地下潜水位标高等值线图 (图14) , 可有效反应出潜水位标高在不同控制点的数值以及矿区地下潜水位的分布规律。分析得出:工作面开采后村庄东部排水影响较大, 积水主要集中于池塘周围及北部, 村庄东部外围也有部分积水, 故建议施工村东南北方向的主排线路, 总施工长度837 m, 东西主排水沟开挖长度约600 m。在排水过程中, 实时监测潜水位标高并通过开采沉陷预计及治理系统生成地下潜水位曲线图以及潜水位标高等值线图, 动态掌握潜水位变化情况并及时调整排水方案, 最终治理区域内潜水位下降1.0~1.3 m, 排水效果良好。可见利用本研究系统可对矿区开采沉陷进行有效监测, 有助于制定切实有效的治理方案。

图10 残余变形计算窗口

图11 残余变形水平移动等值线 (mm)

图12 条带法开采拟合初值计算窗口

　　4、结语

　　将VB和VBA语言相结合, 开发了融合地表移动观测站设计、资料整理、数据提取、拟合计算、残余变形预计以及塌陷区综合治理等功能于一体的软件系统, 理论分析及实例分析表明, 该系统可对矿区开采沉陷进行精确监测预计, 有助于实现对矿区塌陷区的高效治理, 有一定的实用价值。

图13 潜水位曲线

图14 潜水位等值线

图14-1 潜水位等值线

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