CN101968825A - 一种煤矿巷道锚杆支护智能设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤矿巷道锚杆支护智能设计方法，属于煤矿巷道锚杆支护设计方法。该设计方法包括收集巷道基本情况资料，测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平，建立锚杆支护设计基础数据库；利用智能专家系统进行围岩地质力学评估，获得锚杆支护设计所需参数；利用智能专家系统建立锚杆支护方案及参数推理、计算、优化模型，确定初始设计方案；在现场施工、监测，将监测信息实时反馈到智能专家系统中；利用智能专家系统判断初始设计方案的合理性，进行必要的修正，修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计形成。本方法解决了煤矿支护材料浪费严重、巷道安全性差等问题，能够面向现场工程技术人员，有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿巷道锚杆支护设计方法，特别是一种煤矿巷道锚杆支护智能设计方法。
背景技术
锚杆支护是一项系统工程，它涉及到设计、施工、支护材料、实测技术手段等各个方面。锚杆支护设计是锚杆支护工程中的一项关键技术，关系到锚杆支护工程的质量优劣、是否安全可靠以及经济是否合理等重要问题。如果锚杆支护形式和参数选择不合理，往往会造成两种极端，即要么巷道支护强度不够，不能有效控制围岩的变形，进而导致巷道出现冒顶偏帮等事故；要么巷道支护强度太高，不仅浪费支护材料，而且降低了巷道掘进速度，严重影响了矿井经济效益的提高。
我国煤矿每年掘进巷道总长度达千万米，但是由于煤矿工程地质条件以及生产技术条件的复杂性，巷道锚杆支护设计一直存在着很大的问题，锚杆支护设计方法广泛地采用工程类比分析法，这种设计方法缺乏有效的技术手段去从根本上定量地计算分析锚杆支护的一些关键性的技术问题，譬如，在支护设计上无法定量的考虑地应力这一最重要因素的影响，对许多问题只能凭猜测和假设，在实际应用中暴露出了很大的缺点和局限性，设计者的主观随意性对设计结果影响很大。
目前，国内锚杆支护设计方法长期地停留在工程类比法或经验法的水平上，没有真正建立起符合巷道围岩变形破坏特征的锚杆支护理论和设计方法。锚杆支护方式的先进性与支护参数设计的粗糙性之间的矛盾是制约煤矿锚杆支护技术发展的瓶颈。煤矿复杂困难条件下锚杆支护方案设计以及一般条件下锚杆支护设计优化是难以解决的问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种煤矿巷道锚杆支护智能设计方法，解决煤矿复杂困难条件下锚杆支护方案设计以及一般条件下锚杆支护设计优化难题。
本发明的目的是这样实现的：该设计方法是利用智能专家系统进行锚杆支护动态信息反馈设计的方法，具体步骤为：
(1) 收集巷道基本地质及生产情况资料，测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平，建立锚杆支护设计的基础数据库；
(2) 利用智能专家系统进行巷道围岩地质力学评估，评价巷道围岩稳定性等级，获得锚杆支护设计所需的相关参数；
(3) 利用智能专家系统建立巷道锚杆支护方案及参数推理、计算、优化模型，确定一种或几种合理的锚杆支护初始设计方案；
(4) 选择一种初始方案在现场施工、监测，将监测信息实时反馈到智能专家系统中；
(5) 利用智能专家系统判断初始设计方案的合理性，对锚杆支护结构与参数进行必要的修正，修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计形成；
所述的智能专家系统，首先通过用户接口进入围岩地质力学评估模块，在该模块中输入相关围岩地质力学参数后，系统在后台自动建立围岩地质力学数据库和知识库；然后进入系统初始设计推理模块，在该模块中，系统自动调用已建立的围岩地质力学数据库，分别进行巷道围岩变形破坏的数值计算分析、巷道围岩稳定性评价分析、锚杆初始支护方案优化计算分析，初步确定一种或几种合理的支护设计方案；然后进入系统的后处理模块中，通过后处理模块将系统设计结果反馈给用户，在系统后处理模块中，用户可以根据自己需要查看锚杆支护施工布置图，分析锚杆支护成本及经济效益，生成锚杆初始支护设计报告；当用户接受系统的设计方案以后，可立即组织工人进行现场施工和监测，并将监测结果及时地反馈到系统修正设计模块中；在系统修正设计模块中，系统自动判断初始设计方案的合理性，对不合理的支护方案依据一定的原则自动进行修正，给出反馈修正设计方案和设计报告；当用户接受反馈修正设计方案以后需再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计方案形成。
有益效果是：将锚杆支护设计看作一个动态过程，能较好地适应煤矿巷道地质条件复杂、多变的特点；以实验室围岩物理力学性质的测试结果以及现场地质力学的评估信息为基础，利用智能专家系统对锚杆支护的全过程进行动态、定量的分析与优化设计，有效地保证了锚杆支护结构与参数的科学性与合理性，提高了锚杆支护系统的可靠性，实现了锚杆支护的效益最大化，从根本上改变了目前我国锚杆支护广泛采用的工程类比法的缺点和局限性，促进了我国煤矿巷道锚杆支护技术的健康发展；锚杆支护动态设计的过程有机地集成于智能专家系统，繁杂的计算、优化、推理过程嵌入到软件的后台处理中，不需要操作者具备深厚的数学和力学基础和丰富的现场锚杆支护经验，能够广泛地面向煤矿现场一线的工程技术人员，具有很强的实用性。解决了煤矿复杂困难条件下锚杆支护方案设计以及一般条件下锚杆支护设计优化的难题，达到了本发明的目的。
优点：利用智能专家系统对锚杆支护的全过程进行动态、定量的分析与优化设计，有效地保证了锚杆支护结构与参数的科学性与合理性；从根本上改变了目前我国锚杆支护广泛采用的工程类比法的缺点和局限性，促进了我国煤矿巷道锚杆支护技术的健康发展；不需要操作者具备深厚的数学和力学基础和丰富的现场锚杆支护经验，能够广泛地面向煤矿现场一线的工程技术人员，具有很强的实用性。
附图说明
图1是本发明利用智能专家系统进行锚杆支护动态设计的方法流程图。
图2是本发明的智能专家系统的基本功能模型图。
图3是本发明的智能专家系统的设计流程图。
具体实施方式
实施例1：本发明将锚杆支护设计视为一个随围岩条件变化的动态过程，主要包括以下步骤：
(1) 收集巷道基本地质及生产情况资料，测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平，建立锚杆支护设计的基础数据库；
对矿井进行全面的地质力学调查，系统测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平，获得锚杆支护设计所需的基本地质力学参数。
(2) 利用智能专家系统进行巷道围岩地质力学评估，评价巷道围岩稳定性等级，获得锚杆支护设计所需的相关参数；
进行围岩地质力学评估主要包括地应力评估、围岩力学性质评估、工程地质状况评估以及巷道围岩稳定性评价。
① 地应力评估：针对具体矿区地域分布特点以及岩层构造的特征，采用应力解除法或其它方法，进行系统的地应力实测工作，建立整个矿区的地应力数据库，以供专家系统进行支护设计时查询使用。
② 围岩力学性质评估：主要包括两个方面，一是从具体矿井的主采煤层中收集典型的岩石试样，对其围岩物理力学性质进行实验室的测试与分析，建立巷道围岩物理力学性质数据库；二是考虑岩体节理裂隙以及地下水等情况，对岩体质量进行综合评估，并根据评估结果对实验室获得的岩石力学参数进行修正，得出可以用于指导工程实践的岩体力学参数。
③ 工程地质状况评估：主要包括巷道使用特征调查、地质构造影响程度评估和巷道受到周围采动影响程度评估。其中，巷道使用的特征主要包括巷道类型、巷道断面尺寸和方位、巷道埋深以及巷道掘进方式等；地质构造影响程度评估依据地质构造的不同作用特征进行，将其对巷道围岩稳定性的影响程度分为4个等级：轻微、较重、严重和很严重；巷道受到周围采动影响程度评估采用采动影响时围岩的最大法向应力值与巷道所处位置的自重应力的比值来描述。
④ 巷道围岩稳定性评价：通过对巷道地应力、围岩力学性质以及巷道工程地质状况进行准确、科学评估，依据具体矿区的调研、统计和实测样本，采用模糊聚类分析方法和人工神经网络相结合的方法对巷道围岩稳定性状况评价。
(3) 利用智能专家系统进行锚杆支护初始设计，建立巷道锚杆支护方案及参数推理、计算、优化模型，确定一种或几种合理的锚杆支护初始设计方案；
针对矿区的具体工程地质条件与生产技术条件，以正交数值模拟试验分析为主，以工程类比与理论计算分析为辅的方法，确定锚杆几何参数、力学参数、钻孔与锚固参数、锚杆布置参数、护网参数、托梁参数及锚索补强参数等。确定锚杆支护方案后，需对每种方案的锚杆支护成本进行核算分析，力求以最少的生产耗费取得最大的经济效益。
① 正交数值模拟试验分析：依据巷道围岩稳定性分类结果，从宏观上确定巷道所需支护强度，初步选择几种可行的锚杆支护参数，按照正交试验设计法的基本原理，合理地安排具有代表性的各种试验方案，借助大变形数值模拟软件FLAC进行数值计算，最后根据数值计算的结果，通过极差分析确定出最优的支护参数组合。
② 理论计算分析：根据巷道围岩的具体条件，选择合适的锚杆支护理论(如悬吊理论、组合拱理论等)，建立力学模型，通过计算给出锚杆支护参数解析解。
③ 专家系统推理分析：通过收集锚杆支护专家的丰富经验知识及地质学和岩石力学信息知识，将其总结分析，形成锚杆支护设计知识库，系统利用知识库与推理机模拟专家思维进行推理，全面考虑各种影响因素，合理的确定各种可行的支护方案。锚杆支护专家系统的水平和实用化程度取决于专家知识的水平和推理的科学性，系统结构的核心是知识库的结构和推理机制。根据知识库中的知识选用合适的搜索控制策略去求解问题，是推理机的任务。根据锚杆支护工程专家在处理巷道支护问题时的基本思维过程，采用3类基本推理机制(即产生式规则推理、神经网络推理，计算模式推理)来合理地确定巷道锚杆支护方案。
④ 锚杆支护成本分析：为了保证矿井在安全生产的前提下节约巷道成本，需要对矿井生产经营过程的各个环节进行科学、合理的管理，力求以最少的生产耗费取得最大的经济效益。锚杆支护成本的计算并不复杂，只需要罗列出每米巷道所用到的各种锚杆支护材料单价和数量，则很容易计算出每米巷道锚杆支护成本。设每米巷道顶板锚杆、左帮锚杆、右帮锚杆、锚索数量分为 
， ，
，
套/米，其单价为
，
，
，
元/套；托梁数量为
千克/米，其单价为
元/千克；护网为数量为米，其单价为
元/米2；树脂锚固剂的数量为
根/米，其单价为
元/根，则每米巷道锚杆支护成本
可用下式计算：
因此，整条巷道的锚杆支护成本
可以表示为：
式中：
—每米巷道的锚杆支护成本，元/米；
(4) 进行现场施工监测，将监测信息实时反馈到智能专家系统中；
依据锚杆初始支护设计所提供的参数进行实际施工以后，第二阶段的现场施工监控即随之开始。现场施工监测主要是对巷道围岩变形与破坏状况，锚杆(索)受力分布和大小进行全面、系统的监测，获得巷道围岩及支护的实际信息，从而验证锚杆初始支护设计的合理性和可靠性，判断巷道围岩的稳定程度和安全性，并为下一步修正锚杆支护设计参数提供科学准确可靠的信息。
选择与巷道顶板围岩稳定状况有关的监控内容包括顶板下沉量，锚固区内、外的离层值，围岩深部位移，锚杆受力及其分布状况；选择与巷道两帮围岩稳定状况有关的监测内容包括巷道表面收敛、围岩深部位移、锚杆受力等，基本内容包括：巷道表面收敛、围岩深部位移、帮锚杆的受力、顶板下沉量、顶板锚固区内外的离层值、顶板锚杆受力的大小及分布。
(5) 利用智能专家系统进行信息反馈修正设计，判断初始设计方案的合理性，对锚杆支护结构与参数进行必要的修正，修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计形成。
根据现场众多的监测数据，从中筛选出能够综合反映巷道围岩稳定状况和锚杆支护效果的反馈指标，利用工程数学方法进行回归分析，给出观测数据变化曲线，得出信息反馈内容；结合巷道具体的条件和围岩稳定性分类情况，综合考虑确定每个反馈指标的一个极限“警界值”，如果信息反馈数据中的一项或多项超过该“警界值”时，就需要对初始支护设计进行及时地修正。修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计形成。
监测信息反馈指标选取及警界值确定：选择巷道锚杆支护顶板离层值、两帮相对移近量、锚杆与锚索受力3个方面的6个指标作为监测信息反馈指标，分别采用
、
、
、
、
、
表示：
监测信息反馈指标的警界值必须准确确定，它是关系到巷道锚杆支护的安全性和经济性的重要指标，如果反馈指标值过于保守，将增加巷道支护成本，导致材料浪费；反之，不能保证巷道安全，容易出现事故，失去监测的意义。针对矿区具体工程地质条件与生产技术条件，可以通过现场较长时间的矿压观测与支护监测，总结巷道围岩位移发展规律，结合巷道围岩稳定性的分类结果，利用岩土工程力学计算软件FLAC2D进行的数值模拟优化分析计算，来初步确定巷道的锚杆支护监测信息反馈指标的警界值，分别记为
、、
、、
、
。
由于煤矿巷道围岩条件的复杂性，因此根本不可能理想地确定锚杆支护监测信息反馈指标的警界值，初步提出的监测信息反馈指标警界值在使用时必须考虑一定的安全系数。此外，由于不同巷道的监测指标数据相差很大，因此，必须针对待研究巷道的具体条件及特殊性，将参考值与实测数值进行对比分析，及时调整监测信息反馈指标警界值。
② 修正设计：修正设计是根据监测结果和信息反馈的情况，依据已经确定的反馈指标警界值，将实测值与其进行逐项比较分析，进而判断初始支护设计的合理性，并及时地进行修正。设锚杆支护监测指标的实测值为、
、、
、
、
，各指标的“警界值”为、
、
、
、
、；则根据它们之间的相互关系，可以确定修正与不修正锚杆初始支护设计的准则。
当监测信息反馈指标同时满足以下6个条件时，锚杆初始支护设计不需要进行修正：
；；
；
；
；
。
在上述6个条件中有1个或者多个不满足时，就需要修正初始支护设计。修正时，需遵循以下基本准则：
(a) 锚固区内顶板位移量处于临界警界值或超过警界值，即
，说明锚杆间排距过大，应适当减小锚杆间排距或外加锚杆根数；若岩层变形位移量过小，说明锚杆间排距过小，可适当放大锚杆间排距。
(b) 锚固区外顶板位移量处于临界警界值或超过警界值，即
，说明锚杆长度不够，应适当增加锚杆长度；若岩层变形位移量过小，说明锚杆长度偏大，可适当减小锚杆长度。
(c) 两帮表面位移量处于临界警界值或超过警界值，即
，说明两帮锚杆长度和间排距不够，应适当增加锚杆长度和减小锚杆问排距；反之若两帮相对位移量过小可适当增大锚杆间排距。
(d) 若锚杆受力过大，锚杆处于临界屈服状态，即
，说明锚杆杆体太细，应适当增大锚杆杆体直径或采用锚索补强。
(e) 若锚杆或锚索的锚固力过小，即
或者
，说明锚杆结构不合理，应增加锚杆或锚索长度，改进托盘形状与锚杆锚固方式。
以上5条准则在具体实施的过程中，可以按照表1来确定具体的锚杆初始支护设计的修正方案与参数。
表1 信息反馈修正设计准则
所述的智能专家系统是利用人工智能(Artificial Intelligence，AI)领域的专家系统(Expert System，ES)的基本原理开发的锚杆支护智能设计专家系统软件，该系统将围岩地质力学评估、锚杆支护初始设计、现场施工监测、信息反馈修正设计等4个过程集成于一体，系统主要包括以下7个模块：
(1) 地质力学评估模块：根据用户输入的巷道基本工程地质条件，进行巷道围岩地质力学评估，从而获得进行巷道围岩稳定性分类、初始支护设计以及反馈设计所需要的基础参数；
(2) 围岩分类模块：根据BP人工神经网络的基本原理以及专家的经验知识预测巷道围岩稳定性类别；
(3) 初始支护设计模块：综合运用理论计算法、工程类比法、数值模拟法以及专家的经验知识推理巷道最优的初始支护设计方案；
(4) 反馈支护设计模块：处理现场围岩变形等有关监测信息数据，并根据处理结果进行反馈设计；
(5) 数据库管理模块：为用户提供有效地管理和维护系统数据库以及知识库的平台；
(6) 系统设置模块：处理用户对系统所做的修改和设置；
(7) 系统后处理模块：主要包括经济效益分析；生成巷道支护设计报告、作业规程、反馈设计报告以及绘制巷道施工断面图形等功能。
系统具有如下9种功能：巷道围岩变形破坏情况数值分析、巷道围岩稳定性类别预测、锚杆初始支护设计、绘制锚杆支护施工布置图、巷道锚杆支护效果数值分析、锚杆支护经济效益分析、编制巷道初始支护设计报告、锚杆反馈支护设计、编制巷道反馈支护设计报告。为了实现智能专家系统的各项功能，采用以下9种关键技术：
(1) 系统采用更符合现实的面向对象的知识表示方法；
(2) 系统采用科学的推理机制，将人工神经网络和产生式系统的理论应用于知识的表示和推理，使系统更加接近现实中专家处理问题的方式。
(3) 系统采用岩土工程力学计算软件FLAC2D作为数值模拟分析软件，通过接口技术的研制，实现系统与FLAC2D之间的数据交换；
(4) 系统利用AutoCAD的ActiveX Automation自动化服务功能实现系统快速、规范的绘制巷道支护设计图形的功能；
(5) 系统利用Microsoft Office Word软件提供的OLE Automation自动化程序接口实现自动行成报告的功能；
(6) 系统采用Microsoft Access数据库和“文档技术”作为数据管理后台，利用ADO数据库操作技术实现系统对知识库和数据库的访问；
(7) 系统选择Microsoft Visua1 C++语言作为开发平台，保证系统具有良好的兼容性、可移植性和可扩充性，使系统具有较长的生命周期；
(8) 系统对用户的操作反应迅速，能快速准确地生成所需的图形或数据表；
(9) 系统界面友好，操作维护方便。
智能专家系统首先通过用户接口进入围岩地质力学评估模块，在该模块中输入相关围岩地质力学参数后，系统在后台自动建立围岩地质力学数据库和知识库；然后进入系统初始设计推理模块，在该模块中，系统自动调用已建立的围岩地质力学数据库、知识库，分别进行巷道围岩变形破坏的数值计算分析、巷道围岩稳定性评价分析、锚杆初始支护方案优化计算分析，初步确定一种或几种合理的支护设计方案；然后进入系统的后处理模块中，通过后处理模块将系统设计结果反馈给用户，在系统后处理模块中，用户可以根据自己需要查看锚杆支护施工布置图，分析锚杆支护成本及经济效益，生成锚杆初始支护设计报告；当用户接受系统的设计方案以后，可立即组织工人进行现场施工和监测，并将监测结果及时地反馈到系统修正设计模块中；在系统修正设计模块中，系统自动判断初始设计方案的合理性，对不合理的支护方案依据一定的原则自动进行修正，给出反馈修正设计方案和设计报告；当用户接受反馈修正设计方案以后需再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计方案形成。
Claims (1)
1.一种煤矿巷道锚杆支护智能设计方法，其特征是：该设计方法是利用智能专家系统进行锚杆支护动态信息反馈设计的方法，具体步骤为：
(1) 收集巷道基本地质及生产情况资料，测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平，建立锚杆支护设计的基础数据库；
(2) 利用智能专家系统进行巷道围岩地质力学评估，评价巷道围岩稳定性等级，获得锚杆支护设计所需的相关参数；
(3) 利用智能专家系统建立巷道锚杆支护方案及参数推理、计算、优化模型，确定一种或几种合理的锚杆支护初始设计方案；
(4) 选择一种初始方案在现场施工、监测，将监测信息实时反馈到智能专家系统中；
(5) 利用智能专家系统判断初始设计方案的合理性，对锚杆支护结构与参数进行必要的修正，修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计形成；
所述的智能专家系统，首先通过用户接口进入围岩地质力学评估模块，在该模块中输入相关围岩地质力学参数后，系统在后台自动建立围岩地质力学数据库和知识库；然后进入系统初始设计推理模块，在该模块中，系统自动调用已建立的围岩地质力学数据库，分别进行巷道围岩变形破坏的数值计算分析、巷道围岩稳定性评价分析、锚杆初始支护方案优化计算分析，初步确定一种或几种合理的支护设计方案；然后进入系统的后处理模块中，通过后处理模块将系统设计结果反馈给用户，在系统后处理模块中，用户可以根据自己需要查看锚杆支护施工布置图，分析锚杆支护成本及经济效益，生成锚杆初始支护设计报告；当用户接受系统的设计方案以后，可立即组织工人进行现场施工和监测，并将监测结果及时地反馈到系统修正设计模块中；在系统修正设计模块中，系统自动判断初始设计方案的合理性，对不合理的支护方案依据一定的原则自动进行修正，给出反馈修正设计方案和设计报告；当用户接受反馈修正设计方案以后需再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计方案形成。
Priority Applications (1)
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