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中图分类号：U492文献标识码： A
摘要：本文主要讨论了矿区开采沉陷预测系统的预测模型、程序设计和实现方法，探讨了关于利用ArcGIS Engine技术在矿区开采沉陷预测方面的应用，及可视化表达的方法。
关键词 ArcGIS Engine 开采沉陷 概率积分法
1 引言
煤矿地表开采沉陷一直是危害矿区生产和居民生命财产安全的主要地质灾害之一，如何有效的预测和防治矿区开采沉陷灾害一直是矿区开采研究的主要内容。开采沉陷是一个复杂的地质活动，地表沉陷情况受开采深度、采煤厚度、上覆岩层情况、煤层倾角、顶板管理方法等一系列因素的影响，预测模型涉及的参数较多，中间产生的图形图件也比较多，对空间数据的管理和可视化表达有较高的要求。
地理信息系统是20世纪60年代以来迅速发展起来的一门空间科学技术，具有良好的空间数据存储和表达能力。将GIS技术有效的应用于矿区开采沉陷研究中，对矿区开采沉陷预测和表达能起到良好的效果。其中，ArcGIS是GIS技术中比较优秀的软件之一，基于ArcGIS Engine平台的二次开发能够很好的满足矿区开采沉陷预测过程中所涉及的模型计算和空间表达等要求。
2 系统设计与实现
系统采用Visual Stadio 2010作为开发平台，C#作为软件开发语言，使用ArcGIS Engine工具进行二次开发。软件根据实际生产中对煤矿开采工作面地表开采沉陷情况的具体处理过程，进行程序设计和编写。系统的主流程图如图2.1所示。
2.1 应用模型
矿区地表开采沉降预测的方法有很多，目前常用的模型有概率积分法、负指数函数法、典型曲线法、积分网格法等。其中，概率积分法使用最为广泛，同时方法简单易行，又是从实测资料进行总结，极为符合我国煤矿开采情况，在相似地质采矿条件下有着较好的预测精度，误差较小，所以系统采用概率积分法进行开采沉陷预测。系统采用的是西安科技大学汤伏全教授的厚松散层覆盖矿区开采沉陷预测模型进行预测。该模型是概率积分法模型的一种，是将厚松散层和其它覆盖岩层分开，进行二次积分的一种模型。
2.2 数据准备
系统需要数据包括工作面地形图，工作面地质数据（包括工作面基岩厚度、厚松散层厚度、煤层厚度、煤层倾角等），工作面预测数据（包括下沉系数，水平移动系数、充分采动角等）。根据这两组数据，可以进行任意开采长度的沉陷预测。同时，在与实测数据比较功能中，需要工作面实测数据和工作面开采进度，使实测数据和预测数据形成联系，对预测参数进行进一步的纠正。
2.3 沉降预测
由于概率积分法是积分公式，很难计算其精确值，所以系统采用迭代方法进行逼近，迭代次数默认为100次，用户可以根据自己需要进行修改。在沉降预测时，录入地质参数、预测参数和开采长度。系统会首先根据录入的参数判断上覆岩层的沉陷状态，是弯曲下沉、断裂下沉还是充分下沉。根据下沉状态，选择相应的公式，进行迭代计算，从而求得工作面各点的沉陷值。系统默认选点密度为十米，用户可以根據需要自行设置。迭代计算完毕后，生成一个ArcGIS图层文件，储存并显示预测数据。
2.4 实测数据管理和比对
由于预测数据往往存在偏差，所以系统增加了实测数据管理和比对功能，将工作面实测数据和预测数据比对，从而调整预测参数，以取得更加精确的预测数据。实测数据可以是CAD数据、ArcGIS数据或者Excel数据。系统将数据保存为ArcGIS图层文件，并和相对应的预测数据比较，从而得出现有参数的改正数，实现更精确的沉陷预测。
2.5 数据显示及分析
系统采用ArcGIS Engine工具中的MapControl控件进行二维图形显示，SceneControl控件进行三维显示。主要生成的图件有沉陷预测图，沉陷预测地形图，预测实测对比图，沉陷预测剖面图，滑坡预计图等。图件可以通过按钮进行二维或者三维间的显示转换，在三维显示时，可以调整纵向显示比例，以达到最好的显示效果。如图2.2所示。
图2.2 三维显示示例
对数据的分析主要包括高程融合，绘制剖面和滑坡预计等功能。高程融合是指将预测数据和已有地形图进行叠加，是对工作面地表开采沉陷情况的整体预测，生成的地形图是在当前预测参数下所形成的沉陷预测地形图。绘制剖面功能是指根据指定的直线，绘制出选定的一个或多个图层沿这条直线所形成的剖面图，并可以输出为图形文件。滑坡预计是根据高程融合后的数据，指定预测下沉值、坡度值、水平移动值这三个属性的界限，根据缓冲距离，得到可能发生滑坡的地表范围。数据分析功能主要在图形显示页面进行操作，同时生成相应的图形。
3 应用实例
软件编写完成以后，对郭家河矿区1303工作面进行了应用。实验完全按照工作面开采过程中对沉陷数据的使用步骤进行，从而得到成果。图3.1所示为工作面预测数据和实测数据对比以后的结果，由图我们可以看出，实测数据呈不规则形状分布，但大体呈盆地形沉陷，和预测数据走势基本相同，只是在数值大小上存在误差。另外，经过这个比较，计算出参数修正值，对数据进行进一步修改，可以使预测精度得到进一步的提高。
4结论
系统通过将矿区开采沉降预测和地理信息系统技术相结合，完成了开采沉陷预测、比较、显示、分析等工作，尤其在数据管理和显示方面，充分利用了GIS技术对空间数据的优秀管理和显示功能，使软件在对空间数据的管理和显示中达到了很好的效果。同时，根据对郭家河矿区1303工作面的应用，证实了软件能够满足工作面开采沉陷预测工作的需要，对矿区的安全生产和环境保护能够起到较好的指导作用。同时，运用的图形显示控件，能够直观的表达预测成果，进一步的提高了工作效率。
参考文献
[1]汤伏全,夏玉成,姚顽强.黄土覆盖矿区开采沉陷及其地面保护[M].北京:科学出版社, 2011.
[2]陕西省黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河井田勘探地质报告[R].2008.
[3]余学义,张恩强.开采损害学[M].北京:煤炭工业出版社,2004.
[4]何国清,杨伦,凌赓娣等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1994.
[5]杨伦.矿山开采沉陷对环境的损害比地震严重[J].科技导报,2001, (9): 53-55.
[6]夏玉成,石平五.关于环境变迁和矿业工程环境效应的讨论[J].中国矿业, 2002, 11(1): 63-66.
[7]吴侃.矿区沉陷预测预报系统[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1999.
[8]余学义.采动地表沉陷破坏预计评价方法[J]煤炭设计,1997,(5): 7-9.
[9]康建荣.采动覆岩动态移动破坏规律及开采沉陷预计系统(MSPS)[D].北京:中国矿业大学,1999.
摘要：本文主要讨论了矿区开采沉陷预测系统的预测模型、程序设计和实现方法，探讨了关于利用ArcGIS Engine技术在矿区开采沉陷预测方面的应用，及可视化表达的方法。
关键词 ArcGIS Engine 开采沉陷 概率积分法
1 引言
煤矿地表开采沉陷一直是危害矿区生产和居民生命财产安全的主要地质灾害之一，如何有效的预测和防治矿区开采沉陷灾害一直是矿区开采研究的主要内容。开采沉陷是一个复杂的地质活动，地表沉陷情况受开采深度、采煤厚度、上覆岩层情况、煤层倾角、顶板管理方法等一系列因素的影响，预测模型涉及的参数较多，中间产生的图形图件也比较多，对空间数据的管理和可视化表达有较高的要求。
地理信息系统是20世纪60年代以来迅速发展起来的一门空间科学技术，具有良好的空间数据存储和表达能力。将GIS技术有效的应用于矿区开采沉陷研究中，对矿区开采沉陷预测和表达能起到良好的效果。其中，ArcGIS是GIS技术中比较优秀的软件之一，基于ArcGIS Engine平台的二次开发能够很好的满足矿区开采沉陷预测过程中所涉及的模型计算和空间表达等要求。
2 系统设计与实现
系统采用Visual Stadio 2010作为开发平台，C#作为软件开发语言，使用ArcGIS Engine工具进行二次开发。软件根据实际生产中对煤矿开采工作面地表开采沉陷情况的具体处理过程，进行程序设计和编写。系统的主流程图如图2.1所示。
2.1 应用模型
矿区地表开采沉降预测的方法有很多，目前常用的模型有概率积分法、负指数函数法、典型曲线法、积分网格法等。其中，概率积分法使用最为广泛，同时方法简单易行，又是从实测资料进行总结，极为符合我国煤矿开采情况，在相似地质采矿条件下有着较好的预测精度，误差较小，所以系统采用概率积分法进行开采沉陷预测。系统采用的是西安科技大学汤伏全教授的厚松散层覆盖矿区开采沉陷预测模型进行预测。该模型是概率积分法模型的一种，是将厚松散层和其它覆盖岩层分开，进行二次积分的一种模型。
2.2 数据准备
系统需要数据包括工作面地形图，工作面地质数据（包括工作面基岩厚度、厚松散层厚度、煤层厚度、煤层倾角等），工作面预测数据（包括下沉系数，水平移动系数、充分采动角等）。根据这两组数据，可以进行任意开采长度的沉陷预测。同时，在与实测数据比较功能中，需要工作面实测数据和工作面开采进度，使实测数据和预测数据形成联系，对预测参数进行进一步的纠正。
2.3 沉降预测
由于概率积分法是积分公式，很难计算其精确值，所以系统采用迭代方法进行逼近，迭代次数默认为100次，用户可以根据自己需要进行修改。在沉降预测时，录入地质参数、预测参数和开采长度。系统会首先根据录入的参数判断上覆岩层的沉陷状态，是弯曲下沉、断裂下沉还是充分下沉。根据下沉状态，选择相应的公式，进行迭代计算，从而求得工作面各点的沉陷值。系统默认选点密度为十米，用户可以根據需要自行设置。迭代计算完毕后，生成一个ArcGIS图层文件，储存并显示预测数据。
2.4 实测数据管理和比对
由于预测数据往往存在偏差，所以系统增加了实测数据管理和比对功能，将工作面实测数据和预测数据比对，从而调整预测参数，以取得更加精确的预测数据。实测数据可以是CAD数据、ArcGIS数据或者Excel数据。系统将数据保存为ArcGIS图层文件，并和相对应的预测数据比较，从而得出现有参数的改正数，实现更精确的沉陷预测。
2.5 数据显示及分析
系统采用ArcGIS Engine工具中的MapControl控件进行二维图形显示，SceneControl控件进行三维显示。主要生成的图件有沉陷预测图，沉陷预测地形图，预测实测对比图，沉陷预测剖面图，滑坡预计图等。图件可以通过按钮进行二维或者三维间的显示转换，在三维显示时，可以调整纵向显示比例，以达到最好的显示效果。如图2.2所示。
图2.2 三维显示示例
对数据的分析主要包括高程融合，绘制剖面和滑坡预计等功能。高程融合是指将预测数据和已有地形图进行叠加，是对工作面地表开采沉陷情况的整体预测，生成的地形图是在当前预测参数下所形成的沉陷预测地形图。绘制剖面功能是指根据指定的直线，绘制出选定的一个或多个图层沿这条直线所形成的剖面图，并可以输出为图形文件。滑坡预计是根据高程融合后的数据，指定预测下沉值、坡度值、水平移动值这三个属性的界限，根据缓冲距离，得到可能发生滑坡的地表范围。数据分析功能主要在图形显示页面进行操作，同时生成相应的图形。
3 应用实例
软件编写完成以后，对郭家河矿区1303工作面进行了应用。实验完全按照工作面开采过程中对沉陷数据的使用步骤进行，从而得到成果。图3.1所示为工作面预测数据和实测数据对比以后的结果，由图我们可以看出，实测数据呈不规则形状分布，但大体呈盆地形沉陷，和预测数据走势基本相同，只是在数值大小上存在误差。另外，经过这个比较，计算出参数修正值，对数据进行进一步修改，可以使预测精度得到进一步的提高。
4结论
系统通过将矿区开采沉降预测和地理信息系统技术相结合，完成了开采沉陷预测、比较、显示、分析等工作，尤其在数据管理和显示方面，充分利用了GIS技术对空间数据的优秀管理和显示功能，使软件在对空间数据的管理和显示中达到了很好的效果。同时，根据对郭家河矿区1303工作面的应用，证实了软件能够满足工作面开采沉陷预测工作的需要，对矿区的安全生产和环境保护能够起到较好的指导作用。同时，运用的图形显示控件，能够直观的表达预测成果，进一步的提高了工作效率。
参考文献
[1]汤伏全,夏玉成,姚顽强.黄土覆盖矿区开采沉陷及其地面保护[M].北京:科学出版社, 2011.
[2]陕西省黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河井田勘探地质报告[R].2008.
[3]余学义,张恩强.开采损害学[M].北京:煤炭工业出版社,2004.
[4]何国清,杨伦,凌赓娣等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1994.
[5]杨伦.矿山开采沉陷对环境的损害比地震严重[J].科技导报,2001, (9): 53-55.
[6]夏玉成,石平五.关于环境变迁和矿业工程环境效应的讨论[J].中国矿业, 2002, 11(1): 63-66.
[7]吴侃.矿区沉陷预测预报系统[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1999.
[8]余学义.采动地表沉陷破坏预计评价方法[J]煤炭设计,1997,(5): 7-9.
[9]康建荣.采动覆岩动态移动破坏规律及开采沉陷预计系统(MSPS)[D].北京:中国矿业大学,1999.