（矿业工程专业论文）基于gis的开采沉陷计算与数据可视化.pdf

山东科技大学t 程硕士学位论文 摘要 摘要 在概率积分法的基础上，本文建立了多种条件下的开采沉陷模拟计算方 法，提出了开采沉陷模拟计算的数据组织与转化方法。采用v i s u a lb a s i c 语言 结合m a p b a s ic 语言二次开发出矿山开采沉陷模拟计算系统，整个系统实现了数 据的内部传递、交换、和数据的可视化表达，为解决建筑物下、铁路下等开采问 题提供了强有力的计算方法和分析工具。对矿山开采沉陷的三维计算方法和塌陷 数据的组织及可视化进行了探讨，给出了丘陵和低平山地条件下地表塌陷的三维 可视化预计方法，实现了d e m 和地表塌陷盆地的可视化表达，并对三维地形图与 三维塌陷图的可视化叠置进行了探索。 关键词：开采沉陷、概率积分法、数据可视化、g i s 、d e m 、m a p i r l j f o 山东科投人学r 程坝i + 学位论文 摘要 a b s r a c t o nt h eb a s iso fp r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o d ，t h is p a p e rs e tu pm i d in g s u b s i d e t i c es i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d i nd i f f e r e n tm i n i n g c o n d i t i o n ，a n dp u tf o r w a r dd a t ao r g a n i z ea n dt r a n s f o r mm e t h o do fm i n in g s u b s i d e n c es i m u l a t i o na n dc a l c u l a tj o n t h r o u g hs e c o n d a r yd e i e l o p m e n t w i t hv is u a lb a s i ca n d m a p b a s i c 1 a n g u a g e ，d e v e l o pm i n i n gs u b s i d e n c e s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o ns y s t e m t h ew h o l es y s t e mr e a l i z et h ei n s id e t r a n s f e r r in g ，e x c h a n g i n ga n dv is u a e x p r e s s i o n o ft h ed a t a o f f e r p o w e r f u lc o m p u t i n gm e t h o da n da n a l y s ist o o l sf o rs o l v i n gm i n i n gu n d e r b u i l d i n g ，r a i l w a y t h ep a p e rd is c u s st h eo r g a n iz a t i o na n + dv is u a l e x p r e s s i o no ft h r e ed i m e n s i o nc a l e u l a t i o nm e t h o da n ds u b s i d e n c ed a t ao f m i n in gs u b s id e n c e ，g i v ea n da p p e a rh i l lsa n dt h r e e - d i m e n s i o nv is u a l p r e d i c t io n m e t h o di nh i l la n d1 0 wa n df l a ta r e a ，r e a l iz et h ev is u a 】 e x p r e s s i o no fd e ma n dt h ee a r t h ss u r f a c es u b s i d e n c eb a s i n ，p r o b ev is u a l o v e r l a pb e t w e e nt h r e e d i m e n s i o nt o p o g r a p h i cm a pa n ds u b s i d e n c em a p k e y w o r d s ：m i n i n gs u b s i d e n c e ，p r o b a b i l i t yi n t e g r a l m e t h o d ，d a t a v i s u a l iz a t i o n ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，d i g i t a le 1 e v a t i o dm o d e l ， m a p i n f o 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文 献和所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论 文尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。 研究生签名 日期 a f f i r m a t i o n id e c la r et h a tt h isd iss e r t a t i o n s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n t 0 ft h er e q u ir e m e n t sf o rt h ea w a r d0 fm a s t e ro fe n g in e e r in g ， i ns h a l 3 d o n gur l iv e r s i t y0 fs c i e n c ea n dt e c h l 3 0 l o g y ，isw h o l ly m yo w nw o r ku n l e ssr e f e r e n c e d0 fa o k n o w l e d g e t h ed o c u m e l 3 th a s n o tb e e ns u b m i t t e df o ra u a l i f ic a t i o na tanv0 t h e ra c a d e m ic in s t i t u te ， s i g n a t u r e ：m 叼 d a t e ：。乙醇。孓、；d 山东科技大学工程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 开采沉陷的基本概念及现状 1 1 1 开采沉陷的定义及影响开采沉陷的因素 1 1 1 1 开采沉陷的概念 煤炭从地下被开采出来后，原始应力状态遭到破坏，导致应力重新分布，从而达到 新的平衡状态。在此过程中，岩体产生下沉、变形、移动，向上波及地表，形成地袭移 动盆地，从而对地表物造成破坏，这就是开采沉陷“1 。 1 1 1 2 影响开采沉陷的因素 开采沉陷的分布规律取决于地质和采矿因素的综合影响。这些地质和采矿因素中， 一类是人们无法对其产生影响的，称为自然地质因素；另一类为采矿技术因素。自然地 质因素包括煤层厚度、倾角、埋藏厚度、松散层厚度、构造因素、物理力学和化学性质 等：采矿技术因素包括采出煤量、采空区的位置、开采厚度、巷道尺寸、开采方法、顶 板管理方法、开采系统、工作面推进速度、选择开采等“。 1 1 2 开采沉陷的危害 矿山开采沉陷造成地表下沉而带来一系列灾难性的后果，如平地积水、农田减产、 道路裂缝、房屋倒塌等，不仅是耕地减少的重要原因，也是制约矿山生产的瓶颈之一。 采矿塌陷造成诸多的灾难性后果，如破坏耕地、果园、森林、草地、地表水和地下 水，导致土地荒芜、沙化、盐碱化，矿山生态环境严重恶化。所以，就破坏矿区生念环 境而言。从全国范围看，每年矿山地质沉陷灾害的总体损失不亚于一次地震或洪水【旧1 1 2 1 。 1 1 3 我国开采沉陷的现状 我国现有矿山企业几万家，年采矿总量约2 0 多亿吨。在各种矿产中i 煤炭的产量 比例最大。在各类矿山中，井下开采又是最主要的方式。据调查测算，井下开采每万吨 原煤造成的土地塌陷在o 8 8 亩之间，平均为2 3 亩。按我国原煤产量推算，每年仪 采煤行业导致的土地塌陷即达4 0 万亩。据不完全统计，我国因采矿业造成的地面塌陷 当堡! ! 些查堂! 堡塑兰：兰些堡苎 ：! 塑堡 面积己达5 0 0 万一6 0 0 万亩，其中耕地为】3 0 万亩，这对于土地资源本来就十分紧缺的 我国无异于雪上加霜。 与我国经济发展长期存在的东强西弱状，奁相对应，采矿业也是东强西弱。而东部地 区又恰恰是城镇密布、村落集中、人口稠密，所以地面塌陷所带来的灾害性后果更显突 出。这种经济格局也决定了东部地区是矿山沉陷的重灾区。以煤矿为例，我国现有统配 煤矿和地方煤矿数干家，东、中部地区约占7 0 ，东部地区的许多市镇都是以采煤业为 基础工业逐步发展起来的，如鸡西、鹤岗等。这些市镇都存在着矿山沉陷问题。华中的 淮北矿区，从投产之年至2 0 0 0 年，塌毁农日 累计达1 0 万余亩，其中常年积水的占3 8 。 由于历史原因，许多矿区地上城市、建筑与地下开采活动缺少统一规划，城市往往围绕 矿井自由发展，新老采区的地表不断下沉，致使地面城镇建筑、管线等遭到不断的、严 重的损坏。不少重灾区城市多次搬迁、重新投资建设l 】“。 1 2 开采沉陷预计的基本概念及研究现状 1 2 1 开采沉陷预计的基本概念 对一个计划进行的开采，在开采之前根据其地质采矿条件和选用的预计函数、参 数、预先计算出受此开采影响的岩层和地表的移动和变形的工作，称为丌采沉陷预计， 也称岩层和地表移动预计。 开采沉陷预计时用到的地质采矿条件有：煤层的法向开采厚度( 采高i t i ) ，煤层倾 角一采空区下山边界、上山边界、走向主断面上的和平均的开采深度h l 、h 2 、h 、h 。， 采空区走向长d 3 、倾向斜长d l ，项板管理方法，上覆岩层的性质，工作面形状和工作 面推进进度等。 1 2 2 开采沉陷预计的内容 根据预计的要求，保护对象的空阳 位置和开采矿层的情况，一次预计可以包括f 别 内容中的项或几项： ( 1 ) 晟大值预计：预计地表或岩体内指定部位的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水 平变形的最大值及其出现的位置： ( 2 ) 主断面上的移动和变形预计：预计地袭沿_ f 沉盆地的走向和倾向主断面的移动 ( 2 ) 主断面上的移动和变形预计：预计地袭沿下沉盆地的走向和倾向主断面的移动 和变形分析i 2 山东科投大学t 程硕士学位论文 l 绪论 ( 3 ) 地表任意点移动及变形值预计：预计地表下沉盆地内任一点的下沉值及该点沿 指定方向的倾斜、曲率、水平移动、水平变形、扭曲和剪应变值。 ( 4 ) 岩体内任意点及变形值预计：预计受盯采影响的岩体内任意点的移动和变形值。 ( 5 ) 多工作面和多煤层开采时岩层和地表移动变形预计：此时地表或岩体内任意点 可能受到重复开采的影响，预计时应考虑所有影响的总和。 1 。2 3 开采沉陷预计理论的研究现状 1 2 3 1 开采沉陷预计的连续介质理论 ( 1 ) 利用塑性力学理论对岩层移动进行了分析。以理论计算结果为指导建立了地表 移动变形的计算方法。 ( 2 ) 利用弹性基础粱理论得出了波动性的下沉剖面。 ( 3 ) 将整个岩体视为均质线弹性体，分为平面各向同性、平面横观各向同性及空间 问题进行了分析。 ( 4 ) 三维直接边界积分法。三维直接边界积分法是依据弹性物理学上的边界积分法 原理建立并延展的。在弹性力学中有一个功的互等定理，即弹性体在两组不伺的力系作 用下处于平衡状态时，则第一组力系在由第二组所产生的位移上所做的功a 】2 等于第二 组力系在有第一组力系所产生的位移上所做的功a 2 i 。即 ( 艿州” 2 + 参。l ”，2 + 占“：2 ) d s = i ( 占n 2 ”m + 占n 2 “，l + 占：! ，、7 7 ( 1 1 ) ( 5 ) 提出了更为一般的线弹性分析原理一而1 w ( x ，y ) = l s ( x ，y ) f ( p 2 ) 枷 ( 1 2 ) ，式中：s ( x ，y ) 为顶底板闭合的分布，f ( p 2 ) 为影响函数a 芳 采影响的先进的变换形式。 ( 6 ) 将覆岩看成是横观各向同性，纵嬲 触，求出了开采沉陷的位移和应变公式。该； 至地表的。 。理论为开 性的弹性 沣接 。问砭层传递 ( 7 ) 半解析数值方法充分吸取了有限单元法和解析计算方法的优点，如能解决岩体 力学参数的求取问题也是一种非常成功的以连续介质理论为基础的开采沉陷计算方法。 ( 8 ) 中外学者逐渐认识到岩体结构的控制作用，及强度结构对岩体力学性质的影 3 山东科技大学1 一程硕士学位论文 l 绪论 响，对开采沉陷岩体结构效应作了专题研究。该研究应用了损伤力学原理、相似材料模 拟和有限元计算等理论和方法，研究了节理对岩层及地表移动变形的一贯系，得出了一 些定性和定量的结论。同时提出了“层面滑移的多层岩梁模型”。 目前，国内外广泛使用的弹性体及粘弹塑性有限元、边界元和半解析等数值方法也 都是建立在连续介质理论上的计算方法。 1 2 3 2 丌采沉陷预计的非连续介质理论 ( 1 ) 用于开采沉陷计算的非连续介质理论中最有成效的是随机介质理论，在我国发 展成概率积分法。经过我国开采沉陷工作者近半个世纪的研究，目前已成为我国应用最 广泛的开采沉陷计算方法之一。 ( 2 ) 将岩体看作由椭圆形介质点所构成的具有抗压和抗剪能力，而抗剪能力较小的 松散介质，在求解双层岩体问题时得出了缓倾斜煤层开采的下沉剖面方程。 ( 3 ) 将岩体假设为由采动破坏引起的、原生的节理及裂隙等分割的不连续介质，可 以用碎块体模型描述；岩体是各向异性的、非均质的、不连续的；承认“叠加原理”。 仿照随机介质理论的分析方法，得到地表移动变形计算的威布尔分布法，该方程可描述 不对称移动盆地。 ( 4 ) 模糊概率理论应用于开采沉陷的研究。因采动引起的地面塌陷即开采沉陷问题 是多种地质采矿因素的综合表现，而每种因素都以不同的程度和方式影响着地表的，r 采 沉陷。依次，可以把地下开采引起的地表下沉问题看成一个模糊事件，采用模糊数学中 的模糊概率理论进行求解。 ( 5 ) 引入了孔隙扩散和空源等概念，建立孔隙扩散微分方程，并初步研究了该方程 在开采沉陷中的应用。是随机介质理论的发展和补充。 ( 6 ) 离散单元法也是非连续介质理论应用于岩层与地表移动规律研究的重要数值 分析手段。 ( 7 ) 基于数值流形方法的非连续变形分析。有限覆盖技术是在流形分析中经常采用 的方法，在数值计算中很少有人采用。这一方法是首次采用现代数学流形于数值分 析中，它用流形的覆盖技术，建立了有限元、非连续变形分析方法和解析方法包含在内 的一种全新的统计算方法，有着深远的发展前景和应用价值，被誉为2 1 世纪的新一 代方法，受到理论界和工程界的关注和欢迎。此方法可解决开采沉陷的非连续变形问题。 4 生查型垫查兰王堡堡主兰竺堡壅一! 塑鱼 但至今尚未见国内外将此法应用于开采沉陷领域的相关文献。 1 2 3 3 丌采沉陷计算方法 按计算手段分为；( 1 ) 解析法；( 2 ) 图解法；( 3 ) 电子计算机法。 按计算时采用的函数分为：( 1 ) 剖面函数法；( 2 ) 影响函数法。 按建立计算方法的途径分为三类：( 1 ) 经验方法( 2 ) 分布函数法( 3 ) 理论模型法 1 2 3 4 开采沉陷预计的研究现状 我国开采沉陷研究工作者经过几十年的努力，己建立了适合我国实际情况的多种预 计方法。主要有：概率积分法，负指数函数法，典型曲线法，积分格网法，威布尔分布 法，样条函数法，双曲线函数法，皮尔森函数法，山区地表移动变形预计法，三维层状 介质理论预计法和基于托板理论的条带开采的预计法，还建立了力学预计法。 在众多预计法中，积分格网法已很少应用，双曲线函数法是基于淮南矿区具有厚冲 积层情况下的开采沉陷预计方法，皮尔森函数法是基于淮南矿区急倾斜煤层时的开采沉 陷预计方法，一般仅限于该矿区使用，三维层状介质理论和托板理论是针对条带开采提 出的新的计算方法，还有待予进一步的实践检验和完善f 。 1 2 3 5 目前开采沉陷研究中存在的问题 ( 1 ) 开采沉陷机理研究尚不充分。由于开采沉陷涉及学科较多，而以前的研究多 在某单一学科的基础上建立起来的。因此，要准确认识开采沉陷机理，就必须把整个采 动影响视作一个系统，多学科相瓦交叉配合由下至上地研究采动覆岩内部和地表移动， 分析出岩层移动的力学过程，找出控制岩层移动的力学规律，为减缓开采沉陷提供理论 基础。 ( 2 ) 开采沉陷的动态过程研究尚不充分。在以往的研究中人们特别注重于开采沉 陷的最终结果，而放弃了开采沉陷的动态过程研究，这对地表建筑物保护是极其不利的。 ( 3 ) 影响开采沉陷的地质采矿因素定量性研究不充分。开采沉陷受到多种地质采 矿因素影响，多数研究成果包含着综合因素的影响，而没有对某一特定影响因素的定量 分析，这直接影响控制开采沉陷措施的有效性。 ( 4 ) 连续介质力学理论在开采沉陷中的实用化程度较低。应用连续介质力学理论 研究开采沉陷问题一直受到重视，由于研究对象的复杂性在建立力学模型、确定计算 边界以及岩体参数选取等方面都进行了大量简化，使得计算模型与实际阀题偏差较大， 5 些查型垫盔兰! 堡堡主堂垒丝苎 一一三! 鲨 因此许多研究成果尚未得到应用。 ( 5 ) 现代非线性科学在开采沉陷中的研究处在探讨阶段。各种各样的新理论在开 采沉陷中的应用还处在探讨阶段，离实际应 尚有一段距离【4 7 】。 1 3 地理信息系统研究现状 1 3 1 地理信息系统的定义及应用 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 简称g i s ，一般被定义为：以地理空 间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、 分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息， 为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统7 1 。 地理信息系统作为空间分析和辅助决策的计算机工具现已广泛应用于全球变化分 析、资源环境调查、土地利用分析和城市规划以及矿业开采、生产与管理等所有涉及地 球空间信息分析与制图的各种领域【8 1 。 1 3 2 地理信息系统的发展嗍 ( 1 ) 6 0 年代为地理信息系统开拓期 初期地理信息系统发展的动力来自于诸多方面，如学术探讨、新技术的应用、大量 空间数据处理的生产需求等。对于这个时期地理信息系统的发展来说，专家兴趣以及政 府的推动起着积极的引导作用，并且大多地理信恩系统工作限于政府及大学的范畴，国 际交往甚少。这个时期注重于空间数据的地学处理。 ( 2 ) 7 0 年代为地理信息系统的巩固发展期 地理信息系统的真正发展应是7 0 年代的事情。这种发展应归结于以下几方面的原 因：第一是资源开发、利用乃至环境保护问题成为政府首要解决之疑难，而这些都需要 一种能有效地分析、处理空间信息的技术、方法与系统。第二，计算机技术迅速发展， 数据处理速度加快，内存容量增大，超小型、多用户系统的出现，尤其是计算机价格下 降，使得政府部门、学校以及科研机构、私营公司也能够购置计算机系统；在软件方面， 第一套利用关系数据库管理系统的软件问世新兴的地理信息系统软件不断出现。第三， 专业化人爿不断增加许多大学开始提供地理信息系统培训，一些商业性的咨询服务公司 6 些查型垫盔兰：! 矍塑土兰垡堡苎一! ! ! 堕 开始从事地理信息系统工作，如美国环境信息系统研究所( e s r i ) 成立与1 9 6 9 年。这 个时期地理信息系统发展的总体特点是：地理信息系统在继承6 0 年代技术基础上，充分 利用了新的计算机技术，但系统的数据分析能力仍然很弱；在地理信息系统技术方嘶未 有新的突破；系统的应用与开发多限于某个机构；专家个人的影响削弱，而政府影响增 强。这个时期注重于空间地理信息的管理。 ( 3 )8 0 年代为地理信息系统技术大发展时期 地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业 服务的区域划分到政治选举分区等，设计到了许多的学科与领域，如古人类学、景观 生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等。这个时期注重于空间决策支持分 析。 ( 4 ) 9 0 年代为地理信息系统的用户时代 一方面，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门存 定程度上由于受地理信息系统影响而改交了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。 另一方面，社会对地理信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系 统应用的扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题，例如 地理信息系统已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划；美国前副总统戈尔提出的 “数字地球”战略、我国的“2 1 世纪议程”和“三金工程”，也包括地理信息系统。毫 无疑问。地理信息系统将发展成现代社会最基本的服务系统。 ( 5 ) 2 l 世纪是地理信息系统社会时代 现代信息技术的发展及知识经济的形成，促进了整个信息社会的发展，地理信息系 统作为信息基础设施的重要组成部分，提供有关自然、社会、文化、军事等方面的各种 空间信息，成为关系到每个人日常生活所必要的基本信息。 1 3 3 地理信息系统的特点： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态 性： ( 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段。具有区域空间分析， 多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息； 7 山东科技大学t 程坝卜学位论文 1 绗沧 ( 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专 门的地理分析方法、作用于空间数据，产生有用的信息，完成人类难以完成的任务。 g i s 是地理学的第三代语吉。它以地图表达方式，对区域空间进行认识和分析， 通过计算机把数字和图形融为一体，以数据表示空间分布，提取空间向量、量测数据和 数字分析的结果。并以空间图形表达出来。它是以图形的数学性质与数据的图形模型进 行定量研究和空间分析。它不仅具有地理意义明确的空间数据管理能力，更重要的是可 以通过地理空间分析产生常规方法难以得到的分析决策信息。并可在系统支持下进行空 i 到过程的模拟和预测，以高效率，高精度定量、定性、定位三结合，实现真正地理意义 上的区域空间分析和过程模拟预测( 1 6 】 1 4g 1 8 在开采沉陷研究中的优越性 矿区开采沉陷的研究工作主要是研究开采沉陷的一般规律、数据处理方法、预计和 模拟方法、沉陷的防治方法及开采沉陷对环境的影响及治理等。针对矿区开采沉陷的特 点及日常管理和治理工作中存在的问题，用g i s 技术对矿区开采沉陷进行管理具有一定 的优越性3 1 。 、 ( 1 ) 为矿区丌采沉陷工作建立的大量的地表观测站观测数据，需要有大量的日常数 据的计算处理工作，以获得地表移动变形规律结果，同时必须根据开采状况，动态预计 地表下一步可能移动变形规律，为进一步的开采和沉陷防治提供依据。这些工作都与图 形的操作紧密相连，如地表观测站平面图，采掘工作面图，地表移动变形曲线图等等。 这些图形的处理和数据的处理紧密相关；运用g i s 软件在地理空间数据管理中的功能可 以很好的完成对图形和数据操作的处理。 ( 2 ) 对矿区不同区域和开采时间沉陷的预报和预测工作是必不可少的。利用g i s 软件二次开发或独立编程开发可较容易实现预测预报的程序算法功能。 ( 3 ) 矿区开采沉陷具有动态变化特征，运用g i s 技术，在及时获取开采沉陷信息 的同时，可以有效地对各时期的沉陷变化进行动态监测和分析比较，研究其变化规律， 从而做出沉陷的预测和预报，为科学决策提供依据。 ( 4 ) 对矿区开采沉陷的治理、监测、预防工作是一项复杂的综合性管理工作，利 用g i s 的空间查询功能可以方便地进行数据查询、检索。以便及时向各级技术管理部门 r 坐奎型垫查兰工堡型主兰些熊苎一一! ! i 兰 提供有关沉陷的最新情况：如不同区域某不同时间内沉陷区的范围、大小、破坏情况以 及治理后沉陷区可能产生的各种效益等等。 ( 5 ) 对矿区开采沉陷采取的治理方法上。充分利用地理信息系统在空问分析功能、 综合评价分析功能上的优势，如对沉陷区土地的分等定级，对沉陷区开发再利用的适宜 性分析等等，以求得出的解决方案最科学、最符合实际情况，获得最大的社会效益、经 济效益和生态效益。 ( 6 ) 充分发挥地理信息的网络优势，同时连接不同矿区，实现各个矿区的数据共享， 信息互补，及时反馈各地沉陷信息综合分析预测，及时采取多方面防范措施。 1 5 研究课题的提出及本文的内容安排 1 5 1 研究课题的提出 ) t 采沉陷对矿区环境和经济发展造成了严重的影响，我国有些矿区每年为此支付的 赔偿达数千万元。为了能最大限度的减少由于开采沉陷而造成的损失，必须能够在采前 就对开采过程中将会出现的沉陷状况有一个正确的预测，对开采将造成的环境破坏作f 确的影响评价：在采动过程中能够随时根据各种监测手段得到的资料对开采方案作适当 的调整或者采取适当的措施降低开采对上不境的影响。随着社会经济的不断发展，人类对 地下资源的需求量也不断增大，这就使开采沉陷愈来愈成为影响环境的重要因素，而开 采沉陷的预测与模拟是开采沉陷控制和保护地层环境的关键问题。 丌采沉陷作为地学的一个分支，也应该充分利用地理信息系统的最新成果，提高本 学科数据处理和分析的效率。目前，有许多学者正在研究将g i s 应用到矿业工程中，但 应用到开采沉陷理论的研究较少还没有形成系统、成熟的理论。但是从某种意义上， 地理信息系统为开采沉陷模拟计算提供了一种认识和理解地理信息的新方式。 煤矿地质、采矿及区域环境等各因素大都属于三维地理信息，如何建立适用于矿山 地理信息系统的三维数据结构己成为矿山地理信息系统研究中迫切需要解决的问题 ”】 ”。基于g i s 的开采沉陷模拟计算和数据组织研究，利用g i s 强大的数据管理与空问 分析功能，充分发挥g i s 对空间信息方便管理的优势，提高由计算机进行煤矿开采沉 陷模拟的效率和效果，克服对煤矿开采沉陷空间信息难于查询、识别和更新的弱点。所 9 山东科挫大学t 程矧卜学位论文 i 绪论 以，该课题的研究具有很强的实用性。 1 5 2 本文的内容安排 本文第二章阐述了开采沉陷地理信息系统的总体设计，主要介绍系统的模 型、模块、数据组织等。第三章探讨了在各种开采条件下开采沉陷区的模拟预测； 第四章对开采沉陷区进行数字高程模型分析，进而进行可视化显示和各种空问分 丰厅。第五章介绍了一个实例；第六章结论，总结了有关开采沉陷地理信息系统集成 的问题。 1 6 本章小节 ( 1 ) 综合国内外大量专业文献，较系统的总结介绍了开采沉陷理论的发展历史与研究 现状，并对开采沉陷数据管理现状进行了总结； ( 2 ) 总结了地理信息系统的发展过程及其在矿山上的应用： ( 3 ) 提出了本文的研究目标和研究内容。 1 0 山东科技大学t 程钡卜学位论文 2 甚于g i s 的开采沉陷汁算，q j 税化系统 2 基于g i s 的开采沉陷计算与可视化系统 基于g i s 的开采沉陷模拟预测系统是煤矿地理信息系统( m g i s ) 中的一个有机组 成部分1 2 2 】。它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要的价值。利用该系统获得 的结果可以定量地研究受开采影响的岩层与地表移动在时间上和空间上的分布规律。预 测所得的结果常用来判别建筑物受开采的影响程度，及如何采取相应的预防、保护和维 修措施：判断铁路、水体下采矿的可行性及采取相应的技术手段；全面掌握矿区地的 塌陷情况，以便开展矿区土地复垦，保护矿区生态环境。准确可靠的模拟可以有效、经 济地进行采矿生产和矿区生态保护。 2 1 系统目标 根据矿区开采特点和实际工作需要，分析矿山开采沉陷区有关资料；完成开采沉陷 区的预计；进行矿区开采沉陷盆地的三维显示和分析，从而为开采方案的比较、优化、 选择，环境影响的评价，沉陷区综合治理方案的抉择等服务。 2 1 1 信息管理 包括实现对矿区信息( 包括地面和井下数据) 的存储、查询、统计的计算机管理， 节约大量的人力物力；实现信息共享，便于整个开采沉陷地理信息系统中的予系统的数 据调用共享；实现专题图的生成和输出，提供系列化的数据。 信息时代的一个特征是实现信息或数掘在社会中的通讯与共享。而数据共享的最关 键一步是数据的标准化和规范化。 2 1 2 开采沉陷的模拟计算 对各种开采条件下的开采沉陷值进行计算，如矩形工作面，任意形状工作面多 工作面联合开采等。 山东科技大学r 程倾1 1 学位论文 2 基于g i s 的开采沉陷计算与可视化系 2 1 3 开采沉陷盆地的三维显示与分析 通过对开采沉陷值的插值、三角剖分、生成等值线，可以进行开采沉陷瓮地的三绷 显示，然后与实际地形图叠加，产生， ：采沉陷区的立体效果图。并且通过数字商程模望 的构建，可以进行坡度、坡向、通视和土方计算等地形分析，同时也可以进行塌陷数掳 叠置进行塌陷程度( 塌陷体积、塌陷面积) 、塌陷损害( 塌陷变形量) 评价。 2 2 系统结构与数据组织 该系统属于区域性专题地理信息系统。主要包括数据采集、数据管理、沉陷值计算 三维显示，分析查询，可视化输出等2 ”。系统的结构图如图2 1 所示 2 2 1 数据库 应用子系统 矿 区 沉 陷 数 据 采 集 数 据 的 存 储 与 管 理 地颈 表测 沉 及 陷耸 动 田 杰 狍 志 矿 区 土 地 沉 陷 预 报 开 采 沉 陷 的 = 罐 疆 不 图2 1 系统结构图 f i 9 2 2p i c t u r eo f s y s t e ms t r u c t u r e 空 闽 分 析 与 壹 淘 可 视 化 输 出 对任何一个系统来说，数据结构对组织和建立数据库都是十分重要的。因为没有 哪一个系统可以离开数据的输入输出而存在。当然对开采沉陷各功能模块的实现也必须 要把数据库的建立作为首先考虑的对象。 沉陷各功能模块的实现，首先必须拥有反映矿山生产情况的地质采矿资料和分析评 价区的生产生活资料，然后通过扫描、数字化、r s 影像解译等方法来组建实现丌采沉 陷各功能的空间数据库和属性数据库以及空间和属性数据的相互连接；对“三下”采煤 方案设计功能的实现，还必须要建立专家知识库。 山东科技大学r 程颧一卜学位论文 2 基于g i s 的开采沉陷计算与可视化系统 对于矿山开采沉陷各功能的实现，要用到矿山测量数据、煤层开采方法、地质采矿 条件、覆岩岩性和地质构造情况、地表建筑物现状、土地利用现状以及当地的社会经济 和风俗民情等各方面的数据资料。对于如此丰富、庞大的数据需求，如何组织这些数据， 使其为矿山开采服务无疑是一个关键性的技术问题。我们必须充分利用各种现有的资料 和最新的技术手段来获得这些数据，采用多种手段来实现数据的采集。 2 2 1 1 空间数据库 基本图件包括矿区地形地质图，煤层采掘平面图，矿区地籍图等。利用g i s 可以连 接属性数据库，为开采沉陷管理提供可直接利用的空间属性数据。 g i s 一般不存储派生数据，系统中原始数据包括：地表移动观测站数据，沉陷区地 面数字高程，采区煤层顶底板高程，还应以煤层采掘平面图，矿区平面图，矿区地面控 制网图，井下控制网图，水文地质图，土地利用或地籍图等为基础采集所需原始数，并 派生其它图件。 2 2 1 2 属性数据库 根据系统的目的、任务和实际情况，包括以下几个方面的数据源： ( 1 ) 野外实测资料，如地表移动观测站的各次观测数据，工作面的实际回采尺寸， 回采进度等。 ( 2 ) 有关统计资料，如矿区的岩移参数，原观测站总结报告等。 ( 3 ) 有关法规的条款，以此作为资源开发应用保护的依据。如中华人民共和国 土地管理法土地复垦规定建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤丌采 规程等1 2 4 。 2 2 1 3 数据库管理 开采沉陷区域的空间数据主要以矢量形式进行存储，属性数据以表格或文本文件 的形式存储。空间数据和属性数据相对应，空间数据有编码统一的属性数据文件来具体 1 3 山东科技大学t 程坝卜学位论文 2 基于g i s 的开采沉陷计算。可视化系统 描述各类别的具体属性。数据库中的空间数据和属性数据实现共享，数据库支持信息检 索和数据更新等操作。属性数据通过a c c e s s 进行管理。 2 2 2 开采沉陷区预计模型 ( 1 ) 丌采沉陷区数据处理，主要通过观测站实测资料分析。确定各项参数，研究 地表移动变形分布规律，建立各类参数与地质采矿条件间的函数关系【3 0 】f 3 8 】【4 0 l 。 ( 2 ) 沉陷区预计模块，可基于两类预计方法建立。一是基于实测数据的预计方法， 另一类是理论模拟预计方法。预计出沉陷区内任一点下沉值和变形值及等值线图，移动 变形曲线。 利用己经组建的数据库的各种数据( 主要是预测区覆岩性质，岩煤层赋存条件开 采工作面以及其相邻工作面的开采数据，开采方法等) 。利用g i s 所具有的空问合成 叠置分析功能、缓冲区分析和空间模拟、w m 生成、文本和图象输出等功能，通过一 定的模型，计算由于地下开采所可能造成的地表、覆岩及建筑物、土地资源的破坏情况， 把分析结果转存于g i s 空间数据库或者直接输出。也可以将预计结果以数字地面模型 ( d e m ) 的直观方式显示给用户。今后，煤矿开采的模式应该是：提出开采计划工 程可行性分析论证环境质量影响评价可行性分析论证提出开采过程中应该注意 的问题提出采后生态环境重建与土地复垦措施。因此，在预计分析阶段，我们所希望 得到的结果己不再简单的是常规的地表变形覆岩破坏等内容，而是包括整个沉陷影响 区各种环境要素在内的各种与地下开采活动有关的综合的预测对象。因此，必须针对各 种环境要素针对各种不同的地质采矿条件，研究各种预测子系统，使之为矿山开采服 务【2 2 。预测模型框图如图2 2 所示： 2 2 3 模型集成 2 2 3 1g i s 与专业模型的连接方式 应用模型和g i s 的集成方法和集成程度取决于应用模型的目标和复杂性、应用模 1 4 些查型垫查堂! 垄堡：! 兰些笙苎 ! 苎主垡! 塑堑墨塑堕生竺兰型鲨些墨竺 型对基础数据和g i s 功能的要求、界面的实用性以及数据模型的兼容性、硬件环境、 g i s 和模型软件的系统结构等。应用模型与g i s 的集成既可以是松散的集成，如通过 a s c i i 数据文件进行应用模型和g i s 软件之l 训的数据交换；也可以是复杂且完全的集 成，如将应用模型嵌入g i s 软件环境。 开采方法岩移参数钻孔资料f 地表景观 j 一一一l j 一一一一一 各种预测模型与g s 空间分析功能l l 一一 岩诼疆鲸1 建筑南破坏地摹氟永i 翦添环 图2 2 预测模型框图 f i 9 2 2f r a m ec h a r to fp r e d i c t i o r lm o d e i 2 2 3 2g i s 与应用模型的集成方式 根据集成程度的不同，将g i s 与环境模型的集成方式划分为四个级别 5 0 】 5 4 ： ( 1 ) 独立应用( i s o l a t e da p p l i c a t i o n ) g i s 和应用模型在不同的硬件环境下运行；g i s 和应用模型中不同数据模型之阳j 的 数据交换通常是通过手工进行的( 如a s c i i 数据文件) 。用户在g i s 和应用模型的接 口方面起的作用很大；虽然对用户编程能力的要求不高，但集成的效果是非常有限的。 ( 2 ) 松散耦合( 1 0 0 s ec o u p l i n g ) 松散耦合也是通过特殊的数据文件进行数据交换，常用的数据文件为二进制文件： 用户必须了解这些数据文件的结构和格式，而且数据模型之间的交叉索引非常有用。与 独立应用方式不同的是，该类集成是在同一机器上或局域网上不同机器上在线( o n 1 i n e ) 完成的。通过相对较小的编程努力，得到的结果比独立应用稍好些。这是由于它们对数 据的存取是在统一的计算机环境中。 ( 3 ) 紧密耦合( t i g h t l yc o u p l e d a p p l i c a t i o n ) 在这种集成方式中，应用模型中的数据格式与g i s 软件中的数据格式依然不同， 1 5 山东科技大学t 程硕卜学位论文 2基于g i s 的开采沉陷计算与可视化系野 但可以在没有人工干预的条件下，自动地进行双向数据存取。虽然标准的接口极大地提 高了不同系统间数据交换的能力，但其需要更多的编程工作，如使用宏语言进行编程。 在这种集成方法中，用户依然要对数据的集成进行负责。 ( 4 ) 完全集成( i n t e g r a t e da p p l i c a t i o n ) 在g i s 和环境模型完全集成的系统中，g i s 模块与环境模型为同一综合系统的不 同模块。数据的存取是基于相同的数据模型和共同的数据库管理系统。子系统之间的相 互作用非常简单而有效。然而，这种集成方式的软件开发工作量很大且难度也非常大。 由于地理信息系统和专业模型通常都是复杂而又庞大的系统，重新实现或大幅度修改地 理信息系统或专业模型都是既费时又费力的工作，暂时还不可能也没有必要以这种方式 实现g i s 和环境模型的无缝集成。根掘目前的技术水平以及不同系统之间数据交换或 共享方式的不同，集成系统的结构可以是松散的或紧密的。松散的集成系统通过地理信 息系统与专业模型之间数据的输入与输出完成数据的交换，生成各自能接受的数据集； 紧密连接的集成系统同常都有内嵌的分析功能或宏语言集，以此构造成具有高度功能复 合和可用性的集成环境。根据构成集成系统的地理信息系统和模型的结构的不同，同时 考虑到人力、物力和时间等因素，集成系统的体系结构不可能是一样的。 2 3 系统功能 作为一个信息系统，基于g i s 的开采沉陷模拟预测系统是要对开采沉陷区的下沉、 位移、倾斜、水平移动、水平变形等模拟计算及三维显示开采沉陷盆地的信息系统。因 此，本系统应具有如下功能： 2 3 1 数据获取 在开采沉陷管理中，涉及到大量专题图件，矿区地形地质图，煤层采掘平面图，矿 区地籍图等，通过对图形的数字化、图像数字转换、数据、表格录入等手段，转为计算 机可以处理的形式。 1 6 山东科技大学啊翻暖_ ! 学位论文 2 基于g i s 的开采沉陷计算与a ，视化系统 2 3 2 数据处理 对属性数据进行统一编码，和图形图像数据分开存储。对原始数据进行处理，产生 派生的数据库，如开采沉陷的岩移计算参数数据库，开采沉陷控制参数数据库。以摊供 模型计算需要的数据。 2 3 3 数据的查询和更新 为了给矿山开采沉陷管理与决策提供信息服务，使他们在不同的时间能够按照系统 所提供的数据和信息作出合理的水土保持决策，有效地管理流域，本开采沉陷模拟预测 系统具备空间数据和属性数据的查询和更新功能。 2 3 4 计算各种条件下开采沉陷区的下沉值 对各种开采条件下的开采沉陷值( 下沉、倾斜、曲率、水平变形、水平移动) 等进 行计算。 2 3 5 数字离程模型的生成 在g i s 的支持下，根据预测的开采沉陷值生成t i n 结构，然后进行三维显示，提 取开采沉陷翁地的坡度、坡向，计算开采沉陷翁地的面积、体积等。 2 3 6 模型参数文件建立与传递 为此建立参数文件，实现模型间参数的传递与自动调用，形成一个可以自动运行的 开采沉陷模拟预测系统。而在g i s 的支持下模型与模型、模型与g i s 的之间的接口是 本项目的研究重点，特别是模型间参数的自动调用是尚待解决的问题，是本系统研究中 的难点。 2 3 7 空间可视化 系统可以以平面或三维的形式来直观地显示和输出开采沉陷区域各种带有空间分 布特性的信息，比如等值线图、下沉贫地三维立体图，剖面图等。 g i s 具有良好的用户界面、自动制图功能、报表自动生产打印功能和文本输出功能， 1 7 山东科技大学下程 i 懿卜学位论文 2 基于g i s 的开采沉陷计算与町视化系统 充分利用g i s 本身的这些优点可以大大降低应用程序开发的工作量。 2 4 系统运行 2 4 1 建立数据库 系统运行时，先进行数据的采集和录入工作，数据的采集要遵循以下原则： 数据的科学性和准确性，数据的质量对系统的建立及实用化有着直接的关系，必须 保证采集的数据准确可靠： 各种数据的完备性，数据库中尽量保持各响指标数据的完备 数据的规范化。对各数据的量纲均进行了规范化处理。 开采沉陷区域的地形数据和模拟生成的开采沉陷值是系统的关键数据，通过g i s 对 其进行内插计算，生成数字地形高程模型d e m 和开采下沉值的高程模型，再由d e m 得到开采沉陷区域的最终下沉盆地。其中， r 采沉陷值和地形数据在计算过程中导入数 据库。 2 4 2 建立动态参数库 为了支持专业模型的自动运行，需建立动态参数库，存储模型计算需要的参数。比 如建立各个矿区的参数库，将各个矿区或各个工作面的采深、采厚、煤层倾角，采煤方 法，顶板管理方法及最大下沉角等保存在数据库中，在模拟计算的时候可以自动的调 用。 2 4 3 模型与g l s 的有机集成 模型从概念上讲是对自然实况的简化。人们建模的目的是要用简单的易于理解的模 型来描述复杂的难以捉摸的自然现象。 本系统中的开采沉陷模型模拟了各种条件下煤层开采后地表下沉的各项参数，以及 地表下沉的最终状况。 模型的集成关键在于模型间参数的调用。模型间既有共用参数的情况，又有模型给 1 8 生查型丝点堂! ：堡塑! 兰些笙苎 ! 苎兰鱼坚塑堑墨塑堕生竺兰型塑些墨竺 模型提供参数的情况。目前正在进行的工作就是建立动态参数库和实现模型接口以便于 模型问能够自动进行参数的调用，这是本项研究的难点。 把开采沉陷模型和g i s 相结合的优点在j ： 运