查劍鋒 徐孟強(qiáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)與控制仿真試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

查劍鋒1,2徐孟強(qiáng)1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

仿真教學(xué)是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的高級(jí)階段。從傳統(tǒng)教學(xué)的不足與仿真教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)入手，針對(duì)傳統(tǒng)礦山開(kāi)采沉陷課程教學(xué)，以提高教學(xué)效果為目的，開(kāi)發(fā)了基于VB的開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)與控制仿真試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將仿真教學(xué)引入到礦山開(kāi)采沉陷學(xué)教學(xué)過(guò)程中。在論述系統(tǒng)開(kāi)發(fā)原理及功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)3大模塊——地表移動(dòng)變形分析模塊、動(dòng)態(tài)演示模塊及開(kāi)采沉陷控制技術(shù)模塊的功能與特點(diǎn)?；诒鞠到y(tǒng)，通過(guò)人機(jī)交互界面與系統(tǒng)進(jìn)行交流，可以讓學(xué)生充分理解并掌握地表及巖層破壞機(jī)理，開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)、開(kāi)采沉陷防治等重點(diǎn)內(nèi)容，從而有效提高教學(xué)質(zhì)量和效果。教學(xué)實(shí)踐表明，將計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)納入到礦山開(kāi)采沉陷學(xué)教學(xué)過(guò)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(dòng)變形 Visual Basic 開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)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(dòng)感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)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(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的訓(xùn)練，提高學(xué)生的動(dòng)手能力；在條件允許的情況下，學(xué)生可以獨(dú)立地對(duì)相關(guān)仿真系統(tǒng)進(jìn)行操作，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率；此外，在沒(méi)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(yàn)自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)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(jìn)行過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，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(tīng)”的教學(xué)模式，學(xué)生只能記憶約30%的內(nèi)容[2]。

礦山開(kāi)采沉陷學(xué)主要研究開(kāi)采引起的地表移動(dòng)與變形規(guī)律，在掌握地表移動(dòng)與變形機(jī)理基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)采沉陷災(zāi)害的防控。開(kāi)采沉陷現(xiàn)象復(fù)雜的時(shí)空特征，地質(zhì)采礦條件對(duì)地表移動(dòng)變形影響的復(fù)雜性，開(kāi)采沉陷相關(guān)數(shù)據(jù)處理計(jì)算過(guò)程的繁瑣性、耗時(shí)性等都大大增加了教學(xué)的難度。因此，有必要開(kāi)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(kāi)采沉陷學(xué)教學(xué)中，以提高教學(xué)效果。

中國(guó)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(diǎn)入手，結(jié)合VB的功能特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)與控制仿真試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。基于本系統(tǒng)開(kāi)展的相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目，可以讓學(xué)生掌握地表下沉盆地動(dòng)(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(kāi)采地表移動(dòng)與變形規(guī)律以及沉陷控制設(shè)計(jì)的基本思路與方法。系統(tǒng)易學(xué)實(shí)用，操作簡(jiǎn)便，將該系統(tǒng)運(yùn)用到開(kāi)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(jì)

1.1 理論基礎(chǔ)

系統(tǒng)中開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)采用我國(guó)應(yīng)用廣泛且較為成熟的概率積分法計(jì)算。概率積分法以隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為開(kāi)采引起的巖層和地表移動(dòng)規(guī)律和作為隨機(jī)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(kāi)采區(qū)域劃分為一個(gè)個(gè)小的開(kāi)采單元，而煤礦開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形是這些微小單元引起的地表移動(dòng)變形疊加的結(jié)果。詳細(xì)預(yù)計(jì)模型參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]，地表沉陷動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

1.2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要目的是對(duì)礦山開(kāi)采沉陷課程中的知識(shí)重點(diǎn)及其難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)，通過(guò)人機(jī)交互界面與系統(tǒng)進(jìn)行交流，幫助學(xué)生充分理解并掌握礦山開(kāi)采沉陷學(xué)學(xué)科的重點(diǎn)內(nèi)容。根據(jù)這一要求，結(jié)合本校開(kāi)采沉陷課程相關(guān)教材講義，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主體框架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要功能參見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)功能

通過(guò)本系統(tǒng)可以開(kāi)展工作面推進(jìn)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(duì)地表沉陷盆地發(fā)育的影響、地表沉陷盆地發(fā)育動(dòng)態(tài)演化、開(kāi)采沉陷控制技術(shù)手段對(duì)地表沉陷盆地發(fā)育的影響等試驗(yàn)工作，實(shí)現(xiàn)地表移動(dòng)變形規(guī)律分析、開(kāi)采沉陷過(guò)程演示、沉陷協(xié)同關(guān)系分析、開(kāi)采沉陷控制方法與垮落法開(kāi)采對(duì)比分析等功能。

通過(guò)以上試驗(yàn)項(xiàng)目的展開(kāi)讓學(xué)生掌握地表下沉盆地動(dòng)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(jì)的基本思路，掌握條帶開(kāi)采、充填開(kāi)采、協(xié)調(diào)開(kāi)采等開(kāi)采沉陷控制技術(shù)的原理與設(shè)計(jì)方法。最終讓學(xué)生深入掌握地表移動(dòng)與變形規(guī)律，為采煤方法設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考核模塊的測(cè)試，讓學(xué)生思考如何應(yīng)用這些規(guī)律進(jìn)行沉陷災(zāi)防治。

根據(jù)實(shí)采工作面的地質(zhì)采礦條件、概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用概率積分法預(yù)計(jì)模型(動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型及穩(wěn)態(tài)預(yù)計(jì)模型)，基于VB編程語(yǔ)言求解地表移動(dòng)變形，通過(guò)VB圖形控件與方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果輸出、二維三維顯示、動(dòng)態(tài)演示、對(duì)比分析等功能。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 地表移動(dòng)變形規(guī)律分析模塊

借助地表移動(dòng)變形規(guī)律分析模塊，學(xué)生可以展開(kāi)地質(zhì)采礦因素變化對(duì)地表沉陷盆地發(fā)育的影響試驗(yàn)及概率積分法參數(shù)變化對(duì)預(yù)計(jì)結(jié)果的影響試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)地表移動(dòng)變形規(guī)律分析、沉陷協(xié)同關(guān)系分析等功能。通過(guò)二維、三維圖形顯示功能，將計(jì)算結(jié)果可視化，使學(xué)生對(duì)開(kāi)采沉陷引起的地表沉陷預(yù)盆地形態(tài)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)開(kāi)采沉陷分布規(guī)律的理解。

地表移動(dòng)變形規(guī)律分析模塊集地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)、預(yù)計(jì)結(jié)果輸出、預(yù)計(jì)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(dòng)變形預(yù)計(jì)、走向主斷面極值預(yù)計(jì)、傾向主斷面移動(dòng)變形預(yù)計(jì)、傾向主斷面極值預(yù)計(jì)、任意點(diǎn)移動(dòng)變形預(yù)計(jì)、計(jì)算結(jié)果輸出、走向主斷面地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)繪制、傾向主斷面地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)繪制、地表移動(dòng)變形三維顯示、地表移動(dòng)變形等值線(xiàn)圖自動(dòng)繪制。

主斷面上地表移動(dòng)變形計(jì)算邊界選取方法：以實(shí)際計(jì)算邊界向兩邊擴(kuò)展1.5倍的主要影響半徑r作為程序內(nèi)部計(jì)算邊界。相鄰觀測(cè)點(diǎn)之間的距離為1 m，數(shù)據(jù)采集數(shù)目隨著工作面長(zhǎng)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(cè)線(xiàn)，每條觀測(cè)線(xiàn)布設(shè)30個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。如圖2所示，鼠標(biāo)單擊菜單項(xiàng)，程序就會(huì)響應(yīng)相應(yīng)的功能。計(jì)算結(jié)束后將結(jié)果輸出，在系統(tǒng)所在路徑自動(dòng)生成相應(yīng)的文本文檔。程序最終輸出傾斜值以計(jì)算結(jié)果的100倍輸出，曲率值以計(jì)算結(jié)果的1 000倍輸出，水平變形值以計(jì)算結(jié)果的10倍輸出。每項(xiàng)輸出結(jié)果均被保留2位有效數(shù)字。同時(shí)，計(jì)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(xiàn)圖等相關(guān)圖形，計(jì)算結(jié)果具有較好的可移植性。

圖2 地表移動(dòng)變形規(guī)律分析界面

2.2 動(dòng)態(tài)演示模塊

動(dòng)態(tài)演示功能是基于VB時(shí)間控件通過(guò)設(shè)置其interval屬性，在指定的時(shí)間間隔內(nèi)反復(fù)觸發(fā)指定窗口的定時(shí)器事件，以VB的picture控件作為加載圖片的容器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演示的效果。動(dòng)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(guò)程中前一期的地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)(二維或三維)不會(huì)被后一期的地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)所替代，多期地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)可以同時(shí)顯示在picture里顯示。這里僅以走向主斷面下沉曲線(xiàn)分布演示效果圖加以舉例說(shuō)明，見(jiàn)圖3。連續(xù)演示前一期的地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)會(huì)被后一期的地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)所替代，picture控件里只顯示隨工作面的推進(jìn)當(dāng)前地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)。動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)時(shí)，依據(jù)推進(jìn)速度以及每個(gè)回采單元所需要的時(shí)間將工作面進(jìn)行劃分。將工作面進(jìn)行合理劃分，不僅可以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，同時(shí)可以提高預(yù)計(jì)結(jié)果的精度與可靠性。

動(dòng)態(tài)演示模塊，學(xué)生可以對(duì)地質(zhì)采礦條件參數(shù)、概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)等參數(shù)重新輸入，避免運(yùn)用一套計(jì)算結(jié)果反復(fù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，數(shù)據(jù)不更新，有效地避免了動(dòng)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(jìn)地表移動(dòng)變形盆地的演化過(guò)程。通過(guò)動(dòng)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(guò)程變得直觀化，容易理解。將該模塊與應(yīng)用到礦山開(kāi)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(kāi)采沉陷控制技術(shù)模塊

我國(guó)多數(shù)煤礦存在建筑物下、水體下、鐵路下采煤?jiǎn)栴}，對(duì)地面建(構(gòu))筑物產(chǎn)生破壞。對(duì)于建筑物下采煤的防護(hù)措施主要?dú)w結(jié)為2類(lèi)[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(dòng)變形；另一方面對(duì)建(構(gòu))筑物采取結(jié)構(gòu)保護(hù)措施，以增加建(構(gòu))筑物承受地表移動(dòng)變形的能力。而對(duì)于措施一，利用編程語(yǔ)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(dòng)變形，保護(hù)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(kāi)采、條帶開(kāi)采、充填開(kāi)采、協(xié)調(diào)開(kāi)采等方式，它們是綠色開(kāi)采技術(shù)體系的主要內(nèi)容之一。開(kāi)采沉陷控制技術(shù)模塊包含4種開(kāi)采沉陷控制技術(shù)，依次為條帶開(kāi)采、充填開(kāi)采、協(xié)調(diào)開(kāi)采、對(duì)稱(chēng)背向開(kāi)采。

圖3 動(dòng)態(tài)演示(分布演示)效果圖

下面主要以充填開(kāi)采功能模塊為例進(jìn)行介紹。

充填開(kāi)采子模塊主要包含下述4個(gè)功能項(xiàng)。

(1)原理介紹。程序內(nèi)部包含充填開(kāi)采基本概念及基本原理、主要充填方式、充填開(kāi)采主要特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)、充填開(kāi)采預(yù)計(jì)原理的介紹。通過(guò)本模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以掌握充填開(kāi)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(jì)原理，真正做到知其然且知其所以然。

圖4 充填開(kāi)采子模塊

(2)計(jì)算。計(jì)算功能項(xiàng)所包含的計(jì)算內(nèi)容和前述基本一致，不同之處在于這要求同時(shí)計(jì)算充填開(kāi)采地表移動(dòng)變形的同時(shí)還要求計(jì)算垮落法管理頂板時(shí)地表移動(dòng)變形。計(jì)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(diǎn)擊參數(shù)輸入，下面對(duì)應(yīng)的框架選項(xiàng)就會(huì)變得可用，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。點(diǎn)擊確定，計(jì)算成功，自動(dòng)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(xiàng)所包含的輸出項(xiàng)目和前述一致，此處不再贅述。

(4)圖形顯示。這是充填開(kāi)采子模塊中的重要功能。可以讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到充填采煤對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)地表移動(dòng)變形規(guī)律分析、沉陷協(xié)同關(guān)系分析、開(kāi)采沉陷控制方法與垮落法開(kāi)采效果對(duì)比分析等功能。最終讓學(xué)生熟悉沉陷控制設(shè)計(jì)的基本思路，掌握充填開(kāi)采與地表移動(dòng)變形的關(guān)系，為采煤方法設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

礦山開(kāi)采沉陷學(xué)是一門(mén)重要學(xué)科，課程緊扣煤礦開(kāi)采引起的地表及巖層破壞機(jī)理，開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)、開(kāi)采沉陷防治等幾個(gè)方面來(lái)展開(kāi)敘述，知識(shí)體系嚴(yán)謹(jǐn)，綜合性強(qiáng)，內(nèi)容抽象。因此，教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于重點(diǎn)難點(diǎn)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(gè)問(wèn)題，將計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)納入到開(kāi)采沉陷教學(xué)中，對(duì)礦山開(kāi)采沉陷課程中的重點(diǎn)及其難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)，通過(guò)人機(jī)交互界面與系統(tǒng)進(jìn)行交流，讓學(xué)生充分理解并掌握地表及巖層破壞機(jī)理，開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)、開(kāi)采沉陷防治等重點(diǎn)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(jì)算機(jī)仿真教學(xué)納入到礦山開(kāi)采沉陷學(xué)教學(xué)過(guò)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(dòng)性和積極性都得到了加強(qiáng)。

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(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