田迎斌，李幸麗

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司 礦山測(cè)量研究所，河北 唐山 063012； 2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

開采沉陷預(yù)計(jì)工作包括兩項(xiàng)基本內(nèi)容，一是繪制等值線圖對(duì)整個(gè)研究區(qū)域地表進(jìn)行全盆地分析，二是通過離散點(diǎn)預(yù)計(jì)對(duì)地表建(構(gòu))筑物進(jìn)行特定分析[1，2]。全盆地分析時(shí)是通過繪制地表下沉、傾斜和水平變形等指標(biāo)的等值線圖來對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行各種分析和評(píng)價(jià)。繪制等值線圖的一般過程是：先在研究區(qū)域建立矩形方格網(wǎng)，然后預(yù)計(jì)所有方格網(wǎng)交點(diǎn)處的各項(xiàng)移動(dòng)和變形指標(biāo)值，最后通過插值方法繪制各類等值線圖。離散點(diǎn)預(yù)計(jì)主要是根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)布置相應(yīng)的分散點(diǎn)(例如房屋平面各拐點(diǎn))或線狀展布的點(diǎn)(例如沿鐵路走向線上各點(diǎn))，然后利用概率積分法對(duì)其進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì)，從而獲得該點(diǎn)的精確移動(dòng)和變形值，為進(jìn)行相關(guān)問題分析研究和論證提供定量數(shù)據(jù)支撐[3-6]。離散點(diǎn)預(yù)計(jì)較全盆地分析具有針對(duì)性強(qiáng)和準(zhǔn)確性高(無需插值)等優(yōu)點(diǎn)。在此過程中如何根據(jù)需要快速建立大批地表離散點(diǎn)、提取離散點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)(坐標(biāo)和計(jì)算方位角)和進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì)等是重點(diǎn)需要研究的內(nèi)容。

針對(duì)目前地表離散點(diǎn)預(yù)計(jì)過程中數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)修改和結(jié)果輸出存在的不足，提出了借助CAD圖元擴(kuò)展屬性和參照塊技術(shù)來進(jìn)行地表離散點(diǎn)預(yù)計(jì)的程序設(shè)計(jì)新思路和新方法，并進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)。

1 離散點(diǎn)預(yù)計(jì)的一般過程及存在的問題

1.1 一般過程

離散點(diǎn)預(yù)計(jì)時(shí)主要需要兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，即工作面預(yù)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。工作面預(yù)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了所有工作面的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中一行數(shù)據(jù)代表一個(gè)工作面的基本信息，包括工作面角點(diǎn)坐標(biāo)、采深、采厚、煤層傾角、下沉系數(shù)和開采傳播影響系數(shù)等[7]。離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了所有預(yù)計(jì)點(diǎn)的序號(hào)、坐標(biāo)和方位角，其布置位置和計(jì)算方位的確定取決于研究對(duì)象的需要。上述兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)為分別獨(dú)立的兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，只有當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)才能進(jìn)行離散點(diǎn)的預(yù)計(jì)和結(jié)果輸出，兩者缺一不可。

當(dāng)上述兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建完畢后，還應(yīng)根據(jù)工作面各種開采方案組合選擇相應(yīng)的參與計(jì)算的工作面，然后調(diào)用概率積分法預(yù)計(jì)程序才能進(jìn)行離散點(diǎn)的預(yù)計(jì)，并進(jìn)行結(jié)果的輸出。

1.2 存在問題

目前離散點(diǎn)預(yù)計(jì)過程存在如下幾個(gè)方面的問題：

1)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建速度效率較低，自動(dòng)化程度不高。離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)每行數(shù)據(jù)由序號(hào)、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和計(jì)算方位角四列數(shù)據(jù)所構(gòu)成。其中，前三列數(shù)據(jù)往往由手工輸入或結(jié)合AutoLisp和VBA二次開發(fā)命令進(jìn)行鼠標(biāo)點(diǎn)取，最后一列數(shù)據(jù)往往需要進(jìn)行手工錄入[8，9]。比如對(duì)于山區(qū)大片建筑群、鐵路、公路等進(jìn)行離散點(diǎn)預(yù)計(jì)，由于各地物的長(zhǎng)短軸方向和走向不盡相同，其計(jì)算方位角也不同。所以，當(dāng)需要構(gòu)建一個(gè)包含幾百個(gè)預(yù)計(jì)點(diǎn)的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，其工作量是相當(dāng)大的。

2)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)編輯過程易出錯(cuò)。有時(shí)根據(jù)地表研究對(duì)象的變化，還需要對(duì)已經(jīng)構(gòu)建好的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行編輯處理，即增加或刪除若干個(gè)點(diǎn)，并需要對(duì)其進(jìn)行重新排序，此時(shí)往往需要人工進(jìn)行處理，出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤操作在所難免，且事后不易檢查，造成結(jié)果不可靠。比如對(duì)一個(gè)包含幾百個(gè)甚至上千個(gè)預(yù)計(jì)點(diǎn)的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行無規(guī)律刪除和增加若干條數(shù)據(jù)，同時(shí)需要進(jìn)行重新排序，并且還要保證與CAD圖中的離散點(diǎn)序號(hào)文字標(biāo)注保持一致，這將是一個(gè)極其繁瑣和極易出錯(cuò)的工作。

3)線狀布置離散點(diǎn)預(yù)計(jì)結(jié)果的表達(dá)不直觀。線狀布置離散點(diǎn)預(yù)計(jì)結(jié)果一般以文本形式進(jìn)行輸出，要想研究其變化情況往往需要在其他軟件(如Excel等)中進(jìn)行編輯、制作各種表格和繪制曲線。在Excel軟件繪制的曲線雖然能反映線狀地物的各種指標(biāo)的變化趨勢(shì)，但由于其沒有與CAD平面圖有機(jī)結(jié)合起來，其表現(xiàn)形式還是不夠直觀，也不方便進(jìn)行專項(xiàng)具體研究分析。

2 離散點(diǎn)預(yù)計(jì)程序設(shè)計(jì)流程

通過系統(tǒng)研究，對(duì)以往離散點(diǎn)預(yù)計(jì)過程中存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)其流程進(jìn)行了優(yōu)化，提出利用CAD對(duì)象擴(kuò)展屬性和參照塊為技術(shù)手段，快速便捷構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)結(jié)果的多樣化輸出。其主要步驟如下：

1)工作面預(yù)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)備。主要以擴(kuò)展屬性的方式實(shí)現(xiàn)將預(yù)計(jì)參數(shù)擴(kuò)展到工作面(閉合多段線)之上，以供程序提取和調(diào)用[10-14]。

2)離散點(diǎn)計(jì)算。離散點(diǎn)計(jì)算包括布置離散點(diǎn)、提取離散點(diǎn)坐標(biāo)、選擇參與計(jì)算的工作面和生成離散點(diǎn)預(yù)計(jì)結(jié)果文件。

3)繪制移動(dòng)變形曲線。根據(jù)生成的離散點(diǎn)預(yù)計(jì)結(jié)果，將諸如下沉、水平移動(dòng)等指標(biāo)數(shù)據(jù)以曲線形式繪制在CAD圖中線狀地物(鐵路、公路等)某一側(cè)，直觀表達(dá)移動(dòng)變形的大小。

離散點(diǎn)預(yù)計(jì)流程如圖1所示。

肉眼可觀察到病死豬呈現(xiàn)典型的敗血癥變化，即皮膚出血、充血等狀況，同時(shí)存在不同程度的肺炎。剖檢后發(fā)現(xiàn)，大部分病死豬都存在橡皮狀肺的現(xiàn)象，同時(shí)有明顯的間質(zhì)性肺炎癥狀，肺部呈現(xiàn)大理石樣病變。部分病死豬會(huì)出現(xiàn)肝臟腫脹、顏色變淡等情況，部分肝臟呈黃土色。一部分病死豬的脾臟存在腫大現(xiàn)象，且胸腔及腹腔有纖維蛋白滲出。

圖1 離散點(diǎn)預(yù)計(jì)流程圖

將上述流程涉及到的所有命令進(jìn)行集成，以菜單及子菜單方式附加于CAD菜單欄(如圖2所示)以方便調(diào)用。該預(yù)計(jì)過程只在CAD中操作，而無需借助第三方軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 離散點(diǎn)預(yù)計(jì)菜單設(shè)計(jì)

3 工作面預(yù)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)備

要進(jìn)行離散點(diǎn)的沉陷預(yù)計(jì)，構(gòu)建工作面預(yù)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)是基本前提。主要包括以下步驟：

1)圈定工作面。根據(jù)煤礦已采或規(guī)劃開采的相關(guān)技術(shù)圖紙，在CAD中使用閉合多段線圈定工作面。一個(gè)閉合多段線就代表一個(gè)工作面。

2)自動(dòng)標(biāo)注工作面角點(diǎn)次序號(hào)。根據(jù)計(jì)算規(guī)則要求，每個(gè)工作面必須確定某一個(gè)角點(diǎn)采深。在進(jìn)行工作面屬性擴(kuò)展時(shí)，必須輸入角點(diǎn)次序號(hào)及其對(duì)應(yīng)的采深。所以，在擴(kuò)展屬性之前，必須對(duì)每個(gè)工作面角點(diǎn)次序進(jìn)行編號(hào)。第一個(gè)角點(diǎn)次序號(hào)對(duì)應(yīng)的角點(diǎn)為當(dāng)時(shí)圈定工作面時(shí)鼠標(biāo)所點(diǎn)取的第一個(gè)點(diǎn)，并依次類推。

3)擴(kuò)展工作面屬性。將工作面基本信息和開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)等一系列非圖形數(shù)據(jù)以擴(kuò)展屬性方式附加到工作面圖元常規(guī)圖形數(shù)據(jù)之后，以供程序讀取和處理，具體方法詳見文獻(xiàn)[15]。

4)構(gòu)建預(yù)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。在CAD模型空間選擇參與計(jì)算的工作面，提取工作面常規(guī)和擴(kuò)展屬性數(shù)據(jù)，并組建預(yù)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)文件。在預(yù)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中每行數(shù)據(jù)代表一個(gè)工作面的信息。

上述過程主要結(jié)合CAD二次開發(fā)語言AutoLisp及VBA的編程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)的獲取、組織和輸出上最大程度實(shí)現(xiàn)了程序化和自動(dòng)化。

4 離散點(diǎn)預(yù)計(jì)

4.1 離散點(diǎn)參照塊的創(chuàng)建

在CAD制圖過程中，有時(shí)常需要插入某些特殊符號(hào)供圖形中使用，此時(shí)就需要運(yùn)用到參照塊功能。參照塊是CAD中一組圖形實(shí)體的總稱。在應(yīng)用過程中，CAD將參照塊作為一個(gè)獨(dú)立的、完整的對(duì)象來操作。用戶可以根據(jù)需要按一定比例和角度將參照塊插入到任一指定位置。由于參照塊是作為一個(gè)實(shí)體插入，CAD只保存參照塊的整體特征參數(shù)，而不保存參照塊中每一個(gè)實(shí)體的特征參數(shù)。參照塊還可以帶有某些屬性。屬性是將數(shù)據(jù)或文字附著到塊上的標(biāo)簽或標(biāo)記。屬性文字要先單獨(dú)定義，然后在定義塊的時(shí)候?qū)D形和屬性一起選中，就成了帶屬性的參照塊。

離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)由序號(hào)、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和計(jì)算方位角四列數(shù)據(jù)所構(gòu)成。所創(chuàng)建的參照塊屬性必須能夠包含以上四項(xiàng)數(shù)據(jù)，程序才能夠提取到完整的數(shù)據(jù)并組建數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)上述需求，創(chuàng)建了以屬性文字代表離散點(diǎn)序號(hào)、以圓心位置代表離散點(diǎn)坐標(biāo)，以箭頭所指方向代表離散點(diǎn)方位角的參照塊。參照塊特性中的相關(guān)數(shù)據(jù)隨著參照塊位置和旋轉(zhuǎn)角度不同而進(jìn)行適時(shí)的自動(dòng)變化。

創(chuàng)建離散點(diǎn)參照塊時(shí)，AutoLisp程序主要調(diào)用CAD內(nèi)嵌的繪制圓(circle)、繪制箭頭(pline)、定義屬性(attdef)、定義塊(block)等命令，創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參照塊并進(jìn)行命名(如lsdczk)，以供后續(xù)插入?yún)⒄諌K時(shí)進(jìn)行調(diào)用。

4.2 布置離散點(diǎn)

布置離散點(diǎn)即是將已定義的名為lsdczk的參照塊插入CAD圖形中，并實(shí)現(xiàn)文字標(biāo)注序號(hào)的自動(dòng)增加。利用AutoLisp語言開發(fā)了若干個(gè)命令用來布置單個(gè)和線狀均布離散點(diǎn)(圖2)。

地表離散點(diǎn)應(yīng)根據(jù)地物分布特點(diǎn)進(jìn)行布置。對(duì)于建筑物可以布置在建筑物的四角，離散點(diǎn)計(jì)算方向一般為建筑的長(zhǎng)軸或短軸，如圖3所示。由圖3可見，建筑1和建筑2四角布置的離散點(diǎn)計(jì)算方位角不同，通過程序讀取參照塊的屬性數(shù)據(jù)可知，建筑1各離散點(diǎn)計(jì)算方位角為60°，建筑2各離散點(diǎn)計(jì)算方位角為90°。對(duì)于道路可以沿其走向每隔一定間距均勻布置離散點(diǎn)，其計(jì)算方向一般為沿走向方向。

圖3 建筑物四角離散點(diǎn)布置

布置單個(gè)離散點(diǎn)時(shí)，AutoLisp程序主要調(diào)用CAD內(nèi)嵌的插入(insert)、旋轉(zhuǎn)(rotate)等命令，集成了若干個(gè)功能使在插入?yún)⒄諌K時(shí)實(shí)現(xiàn)塊的旋轉(zhuǎn)，從而確定了計(jì)算方位角。

布置線狀均布離散點(diǎn)時(shí)，AutoLisp程序主要調(diào)用CAD內(nèi)嵌的點(diǎn)定距等分(measure)、插入(insert)、旋轉(zhuǎn)(rotate)等命令，集成了若干個(gè)功能使在插入?yún)⒄諌K時(shí)實(shí)現(xiàn)塊的旋轉(zhuǎn)，從而確定了計(jì)算方位角。

4.3 離散點(diǎn)的編輯

有時(shí)由于煤礦工作面開采計(jì)劃的調(diào)整、地物的更新變化和研究對(duì)象的變化等原因，都將涉及到地表布置離散點(diǎn)的增加、刪除、調(diào)整計(jì)算方向和重新排序等問題，相應(yīng)開發(fā)了“線狀均布離散點(diǎn)(以0.001遞增)”、“調(diào)整離散點(diǎn)計(jì)算方向”和“離散點(diǎn)序號(hào)重排”等命令，見圖2。

根據(jù)預(yù)計(jì)離散點(diǎn)總體布局和排序需要，有時(shí)需要在已存在的兩個(gè)離散點(diǎn)之間插入若干個(gè)離散點(diǎn)。此時(shí)，可以使用“線狀均布離散點(diǎn)(以0.001遞增)”的命令。如在55號(hào)點(diǎn)和56號(hào)店之間可以插入序號(hào)為55.001、55.002、…、55.010等10個(gè)點(diǎn)，目的是保證離散點(diǎn)序號(hào)的升序性和不重復(fù)性。當(dāng)不需要某些離散點(diǎn)時(shí)，可以直接在CAD模型空間刪除。

“調(diào)整離散點(diǎn)計(jì)算方向”命令可以對(duì)離散點(diǎn)的方向進(jìn)行修改。特別是線狀地物曲線段均勻布置離散點(diǎn)時(shí)，其方向常常與線狀地物走向存在偏差，即可用此命令進(jìn)行快速修改。當(dāng)根據(jù)需要修改完圖中所有離散點(diǎn)后，即可調(diào)用“離散點(diǎn)序號(hào)重排”命令將其按照從1開始以整數(shù)1遞增的順序和格式進(jìn)行自動(dòng)重新排序。

4.4 構(gòu)建離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件

當(dāng)布置完離散點(diǎn)并進(jìn)行重排序后，即可進(jìn)行構(gòu)建離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件的工作。離散點(diǎn)坐標(biāo)文件(TXT)內(nèi)數(shù)據(jù)格式如下：

1，X1，Y1，φ1

…

n，Xn，Yn，φn

…

n代表離散點(diǎn)編號(hào)，Xn代表測(cè)量X 坐標(biāo)，Yn代表測(cè)量Y 坐標(biāo)，φn代表該點(diǎn)的計(jì)算方位角。

調(diào)用圖2中“提取離散點(diǎn)坐標(biāo)”命令，程序?qū)⒆詣?dòng)提取圖幅中所有離散點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)及方位角，并按序號(hào)從小到大的順序輸出到指定的默認(rèn)離散點(diǎn)坐標(biāo)文件(yjlsdzb.txt)文件中。

4.5 離散點(diǎn)的預(yù)計(jì)

當(dāng)工作面屬性擴(kuò)展和離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件構(gòu)建完成后，即可調(diào)用離散點(diǎn)預(yù)計(jì)對(duì)話框進(jìn)行預(yù)計(jì)，如圖4所示。對(duì)話框?qū)⑻崾居脩粼贑AD模型空間內(nèi)通過鼠標(biāo)選擇參與預(yù)計(jì)的工作面，之后點(diǎn)擊“生成離散點(diǎn)預(yù)計(jì)結(jié)果文件”按鈕，即可生成離散點(diǎn)預(yù)計(jì)結(jié)果，并以文本文件形式進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式見表1。預(yù)計(jì)結(jié)果文件中第1行為預(yù)計(jì)結(jié)果各列數(shù)據(jù)的代碼及說明，其后各行數(shù)據(jù)代表各編號(hào)離散點(diǎn)的詳細(xì)預(yù)計(jì)結(jié)果。預(yù)計(jì)結(jié)果包括了下沉、計(jì)算方向傾斜、垂直計(jì)算方向傾斜等開采沉陷指標(biāo)數(shù)據(jù)。在程序中將計(jì)算方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后所指的方向定義為垂直計(jì)算方向。與計(jì)算方向或垂直計(jì)算方向相差180°的方向?yàn)樨?fù)方向。

圖4 離散點(diǎn)預(yù)計(jì)對(duì)話框

4.6 繪制移動(dòng)變形曲線

生成的離散點(diǎn)預(yù)計(jì)結(jié)果文件包括了所有沉陷指標(biāo)的預(yù)計(jì)值，離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了各個(gè)離散點(diǎn)的坐標(biāo)，因此，可以通過程序讀取表1中某一列移動(dòng)變形指標(biāo)數(shù)值(如Uy對(duì)應(yīng)的是垂直計(jì)算方向的水平移動(dòng)數(shù)值)，同時(shí)讀取離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件中各離散點(diǎn)的坐標(biāo)，然后將其按一定比例展繪到線狀地物的一側(cè)。該程序集成了CAD內(nèi)嵌的文件讀取命令和繪制多段線命令等，實(shí)現(xiàn)了繪制曲線的程序化和自動(dòng)化。

通過在CAD圖中實(shí)地繪制線狀地物的移動(dòng)變形曲線，可為直觀研究相關(guān)問題提供便利。某礦一不規(guī)則工作面開采后鐵路線的橫向水平移動(dòng)曲線如圖5所示。由圖5可以直觀的看到當(dāng)工作面開采后鐵路線的橫向水平移動(dòng)方向和移動(dòng)量的大小，為開采期間鐵路維修時(shí)撥道、路基加寬和備料地點(diǎn)選擇等提供了依據(jù)。如想獲得鐵路沿線縱向水平變形的性質(zhì)和大小，可以繪制鐵路縱向水平變形曲線，為鐵路維修時(shí)軌縫調(diào)整提供依據(jù)。

表1 預(yù)計(jì)結(jié)果文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

圖5 鐵路線橫向水平移動(dòng)曲線

5 結(jié) 語

1)通過CAD圖元擴(kuò)展屬性功能，將開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)擴(kuò)展到常規(guī)圖元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表之中。通過創(chuàng)建帶屬性離散點(diǎn)參照塊，利用CAD二次開發(fā)語言AutoLisp和VBA讀取參照塊的序號(hào)、坐標(biāo)和方位角的方法，實(shí)現(xiàn)了離散點(diǎn)序號(hào)、坐標(biāo)和方位角的自動(dòng)提取，并快速構(gòu)建離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2)對(duì)于工作面屬性擴(kuò)展、離散點(diǎn)參照塊的創(chuàng)建、編輯、預(yù)計(jì)和移動(dòng)變形曲線的繪制等功能，分別開發(fā)了相關(guān)命令，并將其以菜單和子菜單方式集成于CAD菜單欄之中，界面友好，使用方便。

3)該軟件已在多個(gè)礦區(qū)實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的效果，極大提高了開采沉陷預(yù)計(jì)工作效率和結(jié)果準(zhǔn)確性。