CN103077287A - 一种煤矿软岩巷道锚注支护设计专家系统 - Google Patents

Abstract

一种煤矿软岩巷道锚注支护设计专家系统，属于煤矿巷道压力与围岩控制。系统包括：(1)软岩巷道锚注支护设计专家知识库模块；(2)软岩巷道锚注支护工程实践成功案例数据库模块；(3)新建软岩巷道工程原始数据输入模块；(4)软岩巷道锚注支护形式推理设计模块；(5)软岩巷道锚注支护参数推理设计模块；(6)软岩巷道锚注支护结构承载能力评价模块；(7)软岩巷道锚注支护设计报告自动生成模块；(8)软岩巷道锚注支护施工布置图形绘制模块。系统将软岩巷道锚注支护设计中涉及到的数学、力学计算分析过程嵌入到了系统的后台中处理，根据设计结果，快速地编写锚注支护设计报告和绘制锚注支护施工布置图形。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。

Description

一种煤矿软岩巷道锚注支护设计专家系统

技术领域

本发明涉及一种煤矿巷道压力与围岩控制，特别是一种煤矿软岩巷道锚注支护设计专家系统。

背景技术

随着计算机的普及，专家系统已在很多工程上都进行了应用。西南交通大学开发的“锚网喷支护设计专家系统PTES”，煤科院北京开采所开发的“回采巷道支护选型与参数确定专家系统”等。但是，这些专家系统涉及的对象仅是煤矿巷道的锚杆支护，而没有涉及煤矿复杂困难条件下软岩巷道的锚注支护。

锚注支护技术是维护煤矿复杂困难条件下软岩巷道围岩稳定的一项有效技术。但是，进行煤矿软岩巷道锚注支护是一个涉及到煤层开采条件、水文地质、工程地质和岩石力学等诸多因素的复杂问题，往往需要具备专业的数学力学知识以及丰富的工程经验，同时需要花费大量时间和精力来进行复杂的力学计算和工程绘图，这些对于煤矿现场工程技术人员来讲是很难做到的。

目前，我国煤矿每年掘进的复杂困难条件下的软岩巷道总长度达到百万米以上，但是对这些软岩巷道的锚注支护却凭借猜测和假设，主观随意性对结果影响很大。当强度过低时，由于锚注支护效果不能得到充分发挥，将导致巷道出现冒顶偏帮等事故，而当设计强度较高时则会造成支护材料的浪费，严重影响矿井的经济效益。对煤矿软岩巷道的锚注支护设计，尚未有一种能够定量、全面地考虑新建软岩巷道工程的具体地质力学环境，以及结合新建软岩巷道工程周围其它矿区可借鉴的实际软岩巷道工程的基础数据和锚注支护设计参数，来进行新建软岩巷道锚注支护技术方案与参数的设计和优化，并根据设计结果自动进行锚注支护设计报告编制和工程施工布置图形绘制的计算机辅助设计系统。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是要提供一种煤矿软岩巷道锚注支护设计专家系统，解决无法合理、准确、规范地设计煤矿软岩巷道锚注支护方案与参数的问题。

根据本发明的目的是这样实现的：煤矿软岩巷道锚注支护设计专家系统包括：(1)软岩巷道锚注支护设计专家知识库模块；(2)软岩巷道锚注支护工程实践成功案例数据库模块；(3)新建软岩巷道工程原始数据输入模块；(4)软岩巷道锚注支护形式推理设计模块；(5)软岩巷道锚注支护参数推理设计模块；(6)软岩巷道锚注支护结构承载能力评价模块；(7)软岩巷道锚注支护设计报告自动生成模块；(8)软岩巷道锚注支护施工布置图形绘制模块；

所述的软岩巷道锚注支护设计专家知识库模块，获取煤矿巷道锚注支护领域中知名专家与学者的设计经验与知识，并将这些知识以“基础知识”和“推理知识”两种形式存于系统的知识库中，供系统计算推理时使用；

所述的软岩巷道锚注支护工程实践成功案例数据库模块，存储全国范围内各大煤矿成功的软岩巷道锚注支护工程实践的案例资料，包括软岩巷道的基本工程地质资料、软岩巷道的锚注支护形式以及支护参数，为新建软岩巷道锚注支护设计提供借鉴；

所述的新建软岩巷道工程原始数据输入模块，基本输入数据包括：新建软岩巷道的基本工程地质概况数据、新建软岩巷道地应力数据、新建软岩巷道围岩力学性质数据和新建软岩巷道围岩结构性质数据；

所述的软岩巷道锚注支护形式推理设计模块，实现如下功能：A. 构建软岩巷道锚注支护形式推理机；B. 通过推理机的演绎计算，确定软岩巷道的最佳锚注支护形式；

所述的软岩巷道锚注支护参数推理设计模块，实现如下功能：A. 构建软岩巷道锚注支护参数推理机；B. 通过推理机的演绎计算，确定软岩巷道的最佳锚注支护参数；

所述的软岩巷道锚注支护结构承载能力评价模块，实现如下功能：A. 对系统设计的软岩巷道锚注支护形式与支护参数进行支护结构承载能力评价；B. 根据评价结果，进一步修正与优化软岩巷道的锚注支护形式与参数；

所述的软岩巷道锚注支护设计报告自动生成模块，通过建立专家系统与Microsoft Office Word软件之间的数据交换接口，实现自动编制规范的软岩巷道锚注支护设计报告的功能；

所述的软岩巷道锚注支护施工布置图形绘制模块，通过建立专家系统与AutoCAD软件之间的数据交换接口，实现自动绘制规范的软岩巷道锚注支护方案施工布置图形的功能。

有益效果，由于采用了上述方案，该系统建立在煤矿软岩锚注支护设计专家丰富的知识和经验以及全国各大煤矿软岩巷道锚注支护工程实践成功案例的基础上，通过模拟“专家”思维进行科学的计算、推理和演绎，对煤矿复杂困难条件下的软岩巷道的锚注支护进行了准确、定量、规范和自动化的设计，确保了软岩巷道锚注支护结构与参数选择的科学性与合理性，提高了软岩巷道锚注支护系统的可靠性。由于该系统将软岩巷道锚注支护设计中涉及到的复杂的数学、力学计算分析过程嵌入到了系统的后台处理中，使得使用者不需要具备专业的数学、力学基础和现场工程经验，因而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。同时，该专家系统还通过建立与Microsoft Office Word软件和Auto CAD软件之间的数据交换接口，实现了自动编制规范的软岩巷道锚注支护设计报告以及绘制规范的软岩巷道锚注支护方案施工布置图形的功能，将煤矿现场工程技术人员从繁重的报告编写和工程图形绘制工作中解脱出来，并大大减少了实际工作中的一些不必要的差错。解决了无法合理、准确、规范地设计煤矿软岩巷道锚注支护方案与参数的问题。

附图说明

图1是本发明的一种煤矿软岩巷道锚注支护设计专家系统的模块图。

具体实施方式

实施例1：在图1中，该专家系统包括：软岩巷道锚注支护设计专家知识库模块Ⅰ、软岩巷道锚注支护工程实践成功案例数据库模块Ⅱ、新建软岩巷道工程原始数据输入模块Ⅲ、软岩巷道锚注支护形式推理设计模块Ⅳ、软岩巷道锚注支护参数推理设计模块Ⅴ、软岩巷道锚注支护结构承载能力模块Ⅵ、软岩巷道锚注支护设计报告自动生成模块Ⅶ以及软岩巷道锚注支护施工布置图形绘制模块Ⅷ。下面结合附图，分别对以上8个模块进行详细阐述：

软岩巷道锚注支护设计专家知识库模块Ⅰ：主要用于获取煤矿巷道锚注支护领域中知名专家与学者的设计经验与知识，并将这些知识以“基础知识”和“推理知识”两种形式存于系统的知识库中，以供系统计算推理时使用。具体地，通过与锚注支护领域专家合作，挖掘和搜集有关锚注支护设计的领域知识，并将这些知识进行筛选、整理、归纳后，以“基础知识”和“推理知识”两种形式存入知识库中。其中，“基础知识”是一类用于说明对象的属性或者条件的知识，例如：“某矿2^#煤层老顶砂岩单轴抗压强度是91.07MPa”，这就是一条典型的基础知识，它反应客观的实际情况，这类知识通过一张简单的二维关系表就能实现在知识库中的存储；“推理知识”是将“基础知识”通过一定的逻辑关系组合起来而形成的知识，可采用产生式规则法(Production Rules)来描述，其基本模式为：IF <前提> THEN <结论>，例如：IF  <巷道为破坏较轻型岩石巷道> AND <巷道围岩裂隙不发育> THEN <注浆锚杆可采用普通注浆锚杆>，“推理知识”在知识库中也以一张二维关系表来存储。通过对知识库中的知识进行存取、管理和维护，从而为煤矿软岩巷道锚注支护设计提供服务。

软岩巷道锚注支护工程实践成功案例数据库模块Ⅱ：主要用于存储全国范围内各大煤矿成功的软岩巷道锚注支护工程实践的案例资料，包括软岩巷道的基本工程地质资料、软岩巷道的锚注支护形式以及支护参数，从而为新建软岩巷道锚注支护设计提供借鉴。其中，软岩巷道的基本工程地质资料包括巷道埋深、巷道断面尺寸、巷道岩性条件和巷道水文地质条件等；软岩巷道的锚注支护形式以及支护参数包括注浆锚杆(索)材质、注浆锚杆(索)规格、注浆锚杆(索)间排距、注浆泵型号、注浆压力、注浆时间、注浆量、注浆时机等。这些数据可通过简单的二维关系表在数据库中存储。

新建软岩巷道工程原始数据输入模块Ⅲ：输入的原始数据包括新建软岩巷道的基本工程地质概况数据、新建软岩巷道地应力数据、新建软岩巷道围岩力学性质数据和新建软岩巷道围岩结构性质数据等。其中，新建软岩巷道的基本工程地质概况数据包括软岩巷道的断面形状和尺寸、软岩巷道埋深、软岩巷道所在岩层条件、地质构造、水文地质条件、采动影响等；新建软岩巷道地应力数据包括最大水平主应力大小、最小水平主应力大小和最大水平主应力方向等；新建软岩巷道围岩力学性质数据包括单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角等；新建软岩巷道围岩结构性质数据包括岩体裂隙组数、密度、张开度和粗糙度等。以上数据可以通过数据文件导入，也可以通过键盘或鼠标进行输入。

软岩巷道锚注支护形式推理设计模块Ⅳ：通过构建软岩巷道锚注支护形式推理机，模拟软岩巷道锚注支护领域专家思维，进行推理、演绎和计算，确定软岩巷道的最佳锚注支护形式，具体实现两个方面的功能：A. 首先通过综合利用产生式规则推理策略和计算模式推理策略，来构建软岩巷道锚注支护形式推理机。其中，产生式规则推理是利用专家系统知识库中的专家知识，按照“IF-THEN”模式进行推理；计算模式推理是根据用户输入所需的条件，自动搜索知识库中相应的计算模式，并经过相应的计算后给出所需结果的一种正向推理形式。B. 将新建软岩巷道工程原始数据输入模块Ⅲ中的原始数据输入到锚注支护形式推理机中，推理机基于软岩巷道锚注支护设计专家知识库模块Ⅰ中的专家知识，并结合软岩巷道锚注支护工程实践成功案例数据库模块Ⅱ中的案例资料，对软岩巷道的不同锚注支护形式，包括“一次锚喷支护+二次锚注支护”、“局部锚注支护”、“底板卧底后锚注支护”、“全断面锚注支护”等的锚注支护效果，进行综合推理、演绎和计算分析，最后给出软岩巷道的最佳锚注支护形式。

软岩巷道锚注支护参数推理设计模块Ⅴ：通过构建软岩巷道锚注支护参数推理机，模拟软岩巷道锚注支护领域专家思维，进行推理、演绎和计算，确定软岩巷道的最佳锚注支护参数，具体实现两个方面的功能：A. 首先通过综合利用产生式规则推理策略、计算模式推理策略和专业数值模拟软件优化计算策略，来构建软岩巷道锚注支护参数推理机。其中，数值模拟软件优化计算策略是通过借助岩土工程中专业的大变形数值模拟软件FLAC、UDEC等，选择多种可行初始支护参数，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组合计算方案，并根据数值计算的结果，利用数理统计分析确定出最佳的巷道锚注支护参数组合。B. 将新建软岩巷道工程原始数据输入模块Ⅲ中的原始数据输入到软岩巷道锚注支护参数推理机中，推理机基于软岩巷道锚注支护设计专家知识库模块Ⅰ中的专家知识，并结合软岩巷道锚注支护工程实践成功案例数据库模块Ⅱ中的案例资料，对软岩巷道的不同锚注支护参数，包括注浆锚杆(索)材质、注浆锚杆(索) 几何参数、注浆锚杆(索布置参数、注浆压力、注浆时间、注浆量等的锚注支护效果，进行综合推理、演绎和计算分析，最后给出软岩巷道的最佳锚注支护参数组合。

软岩巷道锚注支护结构承载能力评价模块Ⅵ：将软岩巷道锚注支护形式推理设计模块Ⅳ和软岩巷道锚注支护参数推理设计模块Ⅴ中确定的锚注锚注支护形式与支护参数组合输入到软岩巷道锚注支护结构承载能力评价模块Ⅵ中，计算软岩巷道锚注支护围岩稳定性的安全系数                                               

，即

式中，

为软岩巷道的等效半径，

和

分别为软岩巷道围岩注浆前后的弹性常数，其余为系数。根据软岩巷道锚注支护围岩稳定性的安全系数的大小，可进一步修正与优化软岩巷道的锚注支护形式与参数，具体方法为：当

时，表明锚注支护结构承载能力偏弱，此时应该考虑增大注浆加固圈厚度或注浆加固圈中岩体强度以提高围岩稳定性安全系数；当

时，表明锚注支护结构承载能力偏强，此时可考虑适当减小注浆加固圈厚度和注浆加固圈中的岩体强度，以避免不必要的浪费；当

时，表明锚注支护结构承载能力比较合理，无需进行软岩巷道锚注支护形式与参数的修正与优化。对于锚注支护围岩稳定性的安全系数

和

的情况，应根据具体的修正要求，将原设计方案与参数重新输入到软岩巷道锚注支护形式推理设计模块Ⅳ和软岩巷道锚注支护参数推理设计模块Ⅴ中进行优化计算，不断提高软岩巷道锚注支护设计水平。

软岩巷道锚注支护设计报告自动生成模块Ⅶ：利用Microsoft Office Word软件提供的OLE Automation自动化程序接口，建立专家系统与Microsoft Office Word软件之间的数据交换接口；系统自动地将锚注支护设计过程中所涉及到的全部计算公式、分析图表以及推理解释文字等内容填写到支护设计报告的模板中，最后快速地输出生成准确、规范的软岩巷道锚注支护设计报告。

软岩巷道锚注支护施工布置图形绘制模块Ⅷ：利用Auto CAD软件提供的ActiveX Automation自动化界面技术，建立专家系统与Auto CAD软件之间的数据交换接口；系统自动地将软岩巷道的锚注支护设计方案与参数输入到AutoCAD软件中，最后快速地输出规范的软岩巷道锚注支护施工布置平面图、断面图以及支护材料消耗图表等。  

Claims (1)

1.一种煤矿软岩巷道锚注支护设计专家系统，其特征在于：所述的煤矿软岩巷道锚注支护设计专家系统包括(1)软岩巷道锚注支护设计专家知识库模块；(2)软岩巷道锚注支护工程实践成功案例数据库模块；(3)新建软岩巷道工程原始数据输入模块；(4)软岩巷道锚注支护形式推理设计模块；(5)软岩巷道锚注支护参数推理设计模块；(6)软岩巷道锚注支护结构承载能力评价模块；(7)软岩巷道锚注支护设计报告自动生成模块；(8)软岩巷道锚注支护施工布置图形绘制模块；

所述的软岩巷道锚注支护设计专家知识库模块，用于获取煤矿巷道锚注支护领域中知名专家与学者的设计经验与知识，并将这些知识以“基础知识”和“推理知识”两种形式存于系统的知识库中，以供系统计算推理时使用；

所述的软岩巷道锚注支护工程实践成功案例数据库模块，用于存储全国范围内各大煤矿成功的软岩巷道锚注支护工程实践的案例资料，包括软岩巷道的基本工程地质资料、软岩巷道的锚注支护形式以及支护参数，以为新建软岩巷道锚注支护设计提供借鉴；

所述的新建软岩巷道工程原始数据输入模块的基本输入数据包括：新建软岩巷道的基本工程地质概况数据、新建软岩巷道地应力数据、新建软岩巷道围岩力学性质数据和新建软岩巷道围岩结构性质数据等；

所述的软岩巷道锚注支护形式推理设计模块，实现如下功能：A. 构建软岩巷道锚注支护形式推理机；B. 通过推理机的演绎计算，确定软岩巷道的最佳锚注支护形式；

所述的软岩巷道锚注支护参数推理设计模块，实现如下功能：A. 构建软岩巷道锚注支护参数推理机；B. 通过推理机的演绎计算，确定软岩巷道的最佳锚注支护参数；

所述的软岩巷道锚注支护结构承载能力评价模块Ⅵ，实现如下功能：A. 对系统设计的软岩巷道锚注支护形式与支护参数进行支护结构承载能力评价；B. 根据评价结果，进一步修正与优化软岩巷道的锚注支护形式与参数；

所述的软岩巷道锚注支护设计报告自动生成模块，通过建立专家系统与Microsoft Office Word软件之间的数据交换接口，实现自动编制规范的软岩巷道锚注支护设计报告的功能；

所述的软岩巷道锚注支护施工布置图形绘制模块，通过建立专家系统与AutoCAD软件之间的数据交换接口，实现自动绘制规范的软岩巷道锚注支护方案施工布置图形的功能。

Images