一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法及系统的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法及系统，该方法包括：获取地面空间数据以及开采工作面布置情形和采矿地质数据；将地面空间数据进行空间插值，形成预设分辨率的格网DEM面域数据；对格网DEM面域数据以及开采工作面布置情形、采矿地质数据进行分析以确定开采下沉影响区域，构建元胞自动机模型；利用构建的元胞自动机模型对地表下沉过程进行仿真。该方法能够仿真较为复杂地质采矿条件下的矿产开采引起的下沉过程，动态模拟开采沉陷的开采影响范围、下沉活跃的强度和面积等，并且得到接近真实情况的地表下沉结果，从而在很大程度上提高了对复杂地质采矿条件下矿产开采时的地表沉陷预测的准确性。
【专利说明】—种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法及系统
【技术领域】
[0001]本申请涉及工业监测【技术领域】，更具体地说，涉及一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法及系统。
【背景技术】
[0002]大规模矿产资源的开发和利用，给人类带来巨大的经济和社会效益的同时，也对人类生存的环境带来了巨大的破坏影响。由于地下矿产资源在开采过程中，开采矿层的上覆岩层将出现位移和变形，引起的开采沉陷可导致一系列环境问题，甚至引发重大的地质灾害事故，造成巨大的经济损失及严重的社会问题。据不完全统计，我国自20世纪90年代以来，因煤炭开采形成的地表塌陷每年约2.2万hm2，到本世纪初，我国的采矿业每年占用和破坏的土地达3.4万hm2。
[0003]而开采沉陷涉及到地质、采矿等多种因素，是一种复杂的三维、时空动态过程，地表移动是岩层移动传播到地表的沉陷现象，反映了岩层移动的传播方式和移动状况。因此，在开采前就对可能引起的开采沉陷状况进行一个合理的预测，并在开采过程中，实时对引起的沉陷过程进行监测，这样才便于对安全生产进行指导。
[0004]目前，对矿区的地质分析以及沉陷过程的监测仅是借鉴地面观测站的监测与预计研究成果。由于其利用的数据资料是位于观测线上离散点集数据，即只利用了地面沉降观测站布设的观测线上的有限观测点数据，因此所得的预测结果可靠性差，从而导致开采时地表沉陷的无法准确预知，造成环境的破坏以及经济的巨大损失。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本申请提供了一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法及系统，可以实现对复杂地质采矿条件下矿产开采时的地表沉陷更加准确地预测。
[0006]为了实现上述目的，现提出的方案如下:
[0007]一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法，包括:
[0008]获取地面空间数据以及开采工作面布置情形和采矿地质数据；
[0009]将所述地面空间数据进行空间插值，形成预设分辨率的格网DEM面域数据；
[0010]对所述格网DEM面域数据以及开采工作面布置情形、采矿地质数据进行分析以确定开采下沉影响区域，构建元胞自动机模型；
[0011]利用构建的所述元胞自动机模型对地表下沉过程进行仿真。
[0012]优选的，所述地面空间数据包括:地面三维激光扫描采集的数据和/或摄影测量获取的数据以及沉降观测站采集的数据。
[0013]优选的，所述构建元胞自动机模型包括:
[0014]A、将所述开采下沉影响区域进行划分，以构建元胞自动机模型运行的元胞空间，并确定所述元胞空间中的每个元胞的邻居结构；
[0015]B、根据经典预计方法和/或地面观测站布置情形，在观测线上确定初始失稳点，将所述初始失稳点所在的元胞加入失稳元胞集合；
[0016]C、判断所述失稳元胞集合中各元胞的稳定状态，若所述失稳元胞集合中的元胞没有达到下沉停止状态，则更新该元胞的下沉状态，并将该元胞的邻居结构中没有被引起失稳的元胞加入影响元胞集合中；
[0017]D、判断所述影响元胞集合中的高危失稳元胞的稳定状态，若所述高危失稳元胞的失稳概率大于设定阈值，则更新所述高危失稳元胞的下沉状态，并将该元胞加入所述失稳元胞集合；
[0018]E、迭代执行上述步骤C?D，直到所述失稳元胞集合为空。
[0019]优选的，所述邻居结构具体为Moore型的邻居结构。
[0020]优选的，还包括:绘制所述仿真结果对应的地面三维模型图和/或下沉等值线图和/或三维剖面图。
[0021]一种基于元胞自动机的地表下沉仿真系统，包括:获取单元、空间插值单元、分析单元、构建单元以及仿真单元，其中:
[0022]所述获取单元，用于获取地面空间数据以及开采工作面布置情形和采矿地质数据；
[0023]与所述获取单元相连的所述空间插值单元，用于将所述地面空间数据进行空间插值，形成预设分辨率的格网DEM面域数据；
[0024]与所述获取单元、空间插值单元相连的所述分析单元，用于对所述格网DEM面域数据以及开采工作面布置情形、采矿地质数据进行分析以确定开采下沉影响区域；
[0025]与所述分析单元相连的所述构建单元，用于根据所述分析单元确定的开采下沉影响区域构建元胞自动机模型；
[0026]与所述构建单元相连的所述仿真单元，用于利用构建的所述元胞自动机模型对地表下沉过程进行仿真。
[0027]优选的，所述地面空间数据包括:地面三维激光扫描采集的数据和/或摄影测量获取的数据以及沉降观测站采集的数据。
[0028]优选的，所述构建单元包括:划分单元、确定单元、失稳元胞集合判断单元、影响元胞集合判断单元以及迭代单元，其中:
[0029]所述划分单元，用于将所述开采下沉影响区域进行划分，以构建元胞自动机模型运行的元胞空间，并确定所述元胞空间中的每个元胞的邻居结构；
[0030]与所述划分单元相连的所述确定单元，用于根据经典预计方法和/或地面观测站布置情形，在观测线上确定初始失稳点，将所述初始失稳点所在的元胞加入失稳元胞集合；
[0031]与所述确定单元相连的所述失稳元胞集合判断单元，用于判断所述失稳元胞集合中各元胞的稳定状态，若所述失稳元胞集合中的元胞没有达到下沉停止状态，则更新该元胞的下沉状态，并将该元胞的邻居结构中没有被引起失稳的元胞加入影响元胞集合中；
[0032]与所述失稳元胞集合判断单元相连的所述影响元胞集合判断单元，用于判断所述影响元胞集合中的高危失稳元胞的稳定状态，若所述高危失稳元胞的失稳概率大于设定阈值，则更新所述高危失稳元胞的下沉状态，并将该元胞加入所述失稳元胞集合；
[0033]与所述失稳元胞集合判断单元、影响元胞集合判断单元相连的所述迭代单元，用于控制所述失稳元胞集合判断单元以及所述影响元胞集合判断单元迭代执行判断过程，直到所述失稳元胞集合为空。
[0034]优选的，所述邻居结构具体为Moore型的邻居结构。
[0035]优选的，还包括:绘制单元，用于绘制所述仿真单元输出的仿真结果所对应的地面三维模型图和/或下沉等值线图和/或三维剖面图。
[0036]从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法及系统，该方法通过获取地面空间数据以及开采工作面布置情形和采矿地质数据，并对地面空间数据进行空间插值，形成预设分辨率的格网DEM面域数据，然后对格网DEM面域数据以及开采工作面布置情形、采矿地质数据进行分析以确定开采下沉影响区域，从而构建元胞自动机模型，以对地表下沉过程进行仿真。该方法能够仿真较为复杂地质采矿条件下的矿产开采引起的下沉过程，动态模拟开采沉陷的开采影响范围、下沉活跃的强度和面积等，并且得到接近真实情况的地表下沉结果，从而在很大程度上提高了对复杂地质采矿条件下矿产开采时的地表沉陷预测的准确性，而且能够更加精细的刻画地表某一时刻下沉盆地的。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0038]图1为本申请实施例一公开的一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法的流程图；
[0039]图2为本申请实施例一公开的一种构建元胞自动机模型的流程图；
[0040]图3为本申请实施例二公开的一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法的流程图；
[0041]图4(a)为本申请实施例二公开的一种元胞自动机模型绘制的下沉等值线图；
[0042]图4(bl)为本申请实施例二公开的一种元胞自动机模型仿真模拟的沉陷区三维模型图；
[0043]图4(b2)为本申请实施例二所仿真模拟绘制的三维沉陷区模型图对应的同期地面三维激光扫描获取的真实的沉陷区三维模型图；
[0044]图5为本申请实施例三公开的一种基于元胞自动机的地表下沉仿真系统的结构示意图；
[0045]图6为本申请实施例三公开的一种构建单元的结构示意图；
[0046]图7为本申请实施例四公开的一种基于元胞自动机的地表下沉仿真系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0047]下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
[0048]由于现有技术中，对矿区的地质分析以及沉陷过程的监测仅是借鉴地面观测站的监测与预计研究成果，其利用的数据资料是位于观测线上离散点集数据，即只利用了地面沉降观测站布设的观测线上的有限观测点数据，因此所得的预测结果可靠性差，从而导致开采时地表沉陷的无法准确预测，造成环境的破坏以及经济的巨大损失。因此，本发明公开了一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法及系统，以实现对复杂地质采矿条件下矿产开采时的地表沉陷更加准确地监测，以避免环境的破坏以及经济的损失。
[0049]实施例一
[0050]请参阅附图1，为本申请实施例一公开的一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法的流程图，主要包括以下步骤:
[0051]SlOl:获取地面空间数据以及开采工作面布置情形和采矿地质数据。
[0052]本步骤中，获取的地面空间数据包括:地面三维激光扫描采集的数据和/或摄影测量获取的数据以及沉降观测站采集的数据。
[0053]开采工作面布置情形可包括:埋藏的几何条件、构造因素等自然地质因素，采区几何因素以及技术因素等，
[0054]确定地质采矿条件的相关数据，如下山开采边界采深Hl、上山开采边界采深H2、平均采深H和采厚m等，其中，采深是指矿埋藏深度，采厚是指采出的矿产的厚度。选定参数:边界角βρ Ytl，下沉系数q，拐点偏距Sl。
[0055]其中，开采工作面布置情形以及采矿地质数据均是从收集到的采矿沉陷区资料获取的。
[0056]S102:将地面空间数据进行空间插值，形成预设分辨率的格网DEM (DigitalElevation Model,数字高程模型)面域数据。
[0057]预设分辨率可以为米级:5m*5m、lm*lm等，也可以为其他分辨率，在此不作限制，可以根据具体情况进行选择。
[0058]S103:对格网DEM面域数据以及开采工作面布置情形、采矿地质数据进行分析以确定开采下沉影响区域，构建元胞自动机模型。
[0059]根据预测影响区域的格网DEM数据和开采工作面布置情形及采矿地质数据，采用合适方法，如概率积分法、典型曲线法、样条函数法等初步预计开采影响范围，划分确定的下沉影响区域，构建模型运行的元胞空间，并分别建立影响元胞集合和失稳元胞集合。其中，需要说明的是，元胞是指元胞自动机模型中演化的单元，本发明中是指地面划分的格网，影响元胞集合是指地面受到下沉影响区域划分的格网中所有格网的集合，失稳元胞指的是处于地面下沉期的格网单元，是由它周围格网单元的状态决定。
[0060]在本步骤中，如图2所示，图2为本申请实施例一公开的一种构建元胞自动机模型的流程图，具体步骤如下:
[0061]S201:将开采下沉影响区域进行划分，并确定元胞的邻居结构。
[0062]本步骤中，将开采下沉影响区域进行划分，以构建元胞自动机模型运行的元胞空间，并确定所述元胞空间中的元胞的邻居结构。
[0063]对开采下沉影响区域进行划分的结果是NxN的二维空间模型，以NxN的二维空间作为初始模型。其中:N为整数，代表一维上的格子个数。根据预测影响区域的DEM数据和开采工作面布置情形及采矿地质数据，采用概率积分法或其它方法初步预计开采影响范围，取其边界条件固定为零状态，属于虚拟格子，除去边界，状态空间上格子均匀分布，每个格子代表一个元胞，同时构建模型运行的元胞空间，并分别建立影响元胞集合和失稳元胞集合。
[0064]其中，该邻居结构具体为Moore型的邻居结构，它由一个中心元胞，即要演化的地面元胞以及位于中心元胞东、西、南、北、东北、西北、东南、西南8个方位并邻近中心元胞的8个元胞组成。中心元胞在演化过程中与其本身和邻居的8个元胞的状态有关，即中心元胞的下一时刻的状态由当前时刻自身的状态和八个邻居元胞的状态来确定:
[0065]NMoore = IVi = (Vix, Viy) I I Vix-V0J ≤ 1，I Viy-Voy ≤ 1}
[0066]其中，Vix，Viy代表邻居元胞行列坐标值，Vox, Voy代表中心元胞的行列坐标值。
[0067]S202:确定初始失稳点，将初始失稳点所在的元胞加入失稳元胞集合。
[0068]在本步骤中,根据矿层走向与倾向确定相应的坐标系统Χ0Υ,依据经典预计方法和/或地面观测站布置情形，在观测线上，即走向与倾向主断面上确定初始失稳点，将初始失稳点所在的元胞加入失稳元胞集合。其中，经典预计方法包括:概率积分法、典型曲线法、样条函数法等。
[0069]初始失稳点由矿层的地质条件及地表的采动程度确定，其中地表的采动程度是根据采区尺寸大小作出判断，用倾斜方向采动系数Ii1,走向方向采动系数n3表示:
[0070]gni〈l，n3〈l，则走向和倾向均为非充分采动；
[0071]若n,I, n3>I,则走向达到超充分采动,倾向未达充分采动；
[0072]Sn1Mj3U,则走向上为非充分采动，倾向上为超充分动；
[0073]若叫=I, n3 = I,则走向和倾向均为充分采动；
[0074]若η1>1, η3>1,则走向与倾向均达到超充分采动。
[0075]此外，当采动程度较小时，可以根据工作面尺寸来判断地表移动盆地范围，而达到充分采动后，工作面尺寸对地表移动变形值无影响。
[0076]S203:将失稳元胞集合中的未达下沉停止状态的元胞的邻居结构中没有被引起失稳的元胞加入影响元胞集合中。
[0077]本步骤中，判断失稳元胞集合中各元胞的稳定状态，若失稳元胞集合中的元胞没有达到下沉停止状态或达到最大下沉值的1.2倍,则更新该元胞的下沉状态,并将该元胞的邻居结构中没有被引起失稳的元胞加入影响元胞集合中。
[0078]最大下沉值的计算方法采用概率积分法预计方法，单元开采引起地表下沉值为:
【权利要求】
1.一种基于元胞自动机的地表下沉仿真方法，其特征在于，包括: 获取地面空间数据以及开采工作面布置情形和采矿地质数据； 将所述地面空间数据进行空间插值，形成预设分辨率的格网DEM面域数据； 对所述格网DEM面域数据以及开采工作面布置情形、采矿地质数据进行分析以确定开采下沉影响区域，构建元胞自动机模型； 利用构建的所述元胞自动机模型对地表下沉过程进行仿真。
2.根据权利要求1所述的地表下沉仿真方法，其特征在于，所述地面空间数据包括:地面三维激光扫描采集的数据和/或摄影测量获取的数据以及沉降观测站采集的数据。
3.根据权利要求1所述的地表下沉仿真方法，其特征在于，所述构建元胞自动机模型包括: A、将所述开采下沉影响区域进行划分，以构建元胞自动机模型运行的元胞空间，并确定所述元胞空间中的每个元胞的邻居结构； B、根据经典预计方法和/或地面观测站布置情形，在观测线上确定初始失稳点，将所述初始失稳点所在的元胞加入失稳元胞集合； C、判断所述失稳元胞集合中各元胞的稳定状态，若所述失稳元胞集合中的元胞没有达到下沉停止状态，则更新该元胞的下沉状态，并将该元胞的邻居结构中没有被引起失稳的元胞加入影响元胞集合中； D、判断所述影响元胞集合中的高危失稳元胞的稳定状态，若所述高危失稳元胞的失稳概率大于设定阈值，则更新所述高危失稳元胞的下沉状态，并将该元胞加入所述失稳元胞集合; E、迭代执行上述步骤C~D，直到所述失稳元胞集合为空。
4.根据权利要求3所述的地表下沉仿真方法，其特征在于，所述邻居结构具体为Moore型的邻居结构。
5.根据权利要求1所述的地表下沉仿真方法，其特征在于，还包括:绘制所述仿真模结果对应的地面三维模型图和/或下沉等值线图和/或三维剖面图。
6.一种基于元胞自动机的地表下沉仿真系统，其特征在于，包括:获取单元、空间插值单元、分析单元、构建单元以及仿真单元，其中: 所述获取单元，用于获取地面空间数据以及开采工作面布置情形和采矿地质数据；与所述获取单元相连的所述空间插值单元，用于将所述地面空间数据进行空间插值，形成预设分辨率的格网DEM面域数据； 与所述获取单元、空间插值单元相连的所述分析单元，用于对所述格网DEM面域数据以及开采工作面布置情形、采矿地质数据进行分析以确定开采下沉影响区域； 与所述分析单元相连的所述构建单元，用于根据所述分析单元确定的开采下沉影响区域构建元胞自动机模型； 与所述构建单元相连的所述仿真单元，用于利用构建的所述元胞自动机模型对地表下沉过程进行仿真。
7.根据权利要求6所述的地表下沉仿真系统，其特征在于，所述地面空间数据包括:地面三维激光扫描采集的数据和/或摄影测量获取的数据以及沉降观测站采集的数据。
8.根据权利要求6所述的地表下沉仿真系统，其特征在于，所述构建单元包括:划分单元、确定单元、失稳元胞集合判断单元、影响元胞集合判断单元以及迭代单元，其中: 所述划分单元，用于将所述开采下沉影响区域进行划分，以构建元胞自动机模型运行的元胞空间，并确定所述元胞空间中的每个元胞的邻居结构； 与所述划分单元相连的所述确定单元，用于根据经典预计方法和/或地面观测站布置情形，在观测线上确定初始失稳点，将所述初始失稳点所在的元胞加入失稳元胞集合； 与所述确定单元相连的所述失稳元胞集合判断单元，用于判断所述失稳元胞集合中各元胞的稳定状态，若所述失稳元胞集合中的元胞没有达到下沉停止状态，则更新该元胞的下沉状态，并将该元胞的邻居结构中没有被引起失稳的元胞加入影响元胞集合中； 与所述失稳元胞集合判断单元相连的所述影响元胞集合判断单元，用于判断所述影响元胞集合中的高危失稳元胞的稳定状态，若所述高危失稳元胞的失稳概率大于设定阈值，则更新所述高危失稳元胞的下沉状态，并将该元胞加入所述失稳元胞集合； 与所述失稳元胞集合判断单元、影响元胞集合判断单元相连的所述迭代单元，用于控制所述失稳元胞集合判断单元以及所述影响元胞集合判断单元迭代执行判断过程，直到所述失稳元胞集合为空。
9.根据权利要求8所述的地表下沉仿真系统，其特征在于，所述邻居结构具体为Moore型的邻居结构。
10.根据权利要求6所述的地表下沉仿真系统，其特征在于，还包括:绘制单元，用于绘制所述仿真单元输出的仿 真结果所对应的地面三维模型图和/或下沉等值线图和/或三维剖面图。
【文档编号】G06F17/50GK103984839SQ201410244722
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】葛小三, 丁安民, 张彦, 付治河, 王石岩, 拓海燕 申请人:河南理工大学