煤礦巷道錨桿支護(hù)智能繪圖系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

馬鑫民，楊仁樹，張京泉，岳中文，郭東明

(1. 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊煤礦，山東 新泰 271221)

煤礦錨桿支護(hù)可顯著提高支護(hù)效果，降低成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境，已成為我國(guó)煤礦巷道主要的支護(hù)形式[1]。在我國(guó)礦山生產(chǎn)一線，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的技術(shù)工作多采用傳統(tǒng)的手工勞動(dòng)，施工圖表的繪制是煤礦生產(chǎn)管理決策中十分重要而又經(jīng)常性的技術(shù)工作。由于支護(hù)設(shè)計(jì)工程量大、圖形數(shù)量多，即使現(xiàn)在利用了CAD，也很難在一定的時(shí)間內(nèi)完全滿足需求，尤其是各種斷面錨桿的布置斷面圖的繪制費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)井下施工進(jìn)度和生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大影響[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展及迅速普及化，信息化已逐漸深入到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各行各業(yè)。采用計(jì)算機(jī)智能化工程圖的繪制，是煤礦生產(chǎn)的迫切要求。目前，國(guó)內(nèi)外礦山技術(shù)人員已經(jīng)在這方面做了大量的研究和開發(fā)工作。肖福坤等[3]采用面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)編程技術(shù)和可視化的設(shè)計(jì)方法，利用人工智能等，科學(xué)開發(fā)了井巷支護(hù)設(shè)計(jì)的智能專家系統(tǒng)，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到專家系統(tǒng)，進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)決策。王小平等[4]開發(fā)了煤礦采掘工程圖形管理系統(tǒng)軟件，利用了Visual Basic開發(fā)平臺(tái)，多任務(wù)開放環(huán)境技術(shù)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、圖形與數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交換技術(shù)、視窗軟件界面技術(shù)等，與傳統(tǒng)的采礦工程圖形設(shè)計(jì)和管理技術(shù)結(jié)合起來(lái)。王奇生，郭森[5]利用了AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巷道斷面繪制程序，煤礦、地質(zhì)和測(cè)量專業(yè)符號(hào)繪制程序等,為西峪煤礦的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了便利。

在目前該領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)上，以協(xié)莊煤礦實(shí)際生產(chǎn)為模板，基于CAD平臺(tái)并利用VC++ & ObjectARX開發(fā)語(yǔ)言，豐富的井巷繪圖知識(shí)庫(kù)，開發(fā)具有智能化、自動(dòng)化和良好人機(jī)交互界面的巷道錨桿支護(hù)繪圖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快捷、合理、自動(dòng)繪制巷道錨桿支護(hù)斷面圖，指導(dǎo)井下安全高效施工。

1 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

依據(jù)我國(guó)煤礦巷道支護(hù)斷面圖繪制標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工程應(yīng)用的具體要求，在掌握系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象、設(shè)計(jì)目的、結(jié)構(gòu)要素、性能指標(biāo)、工作環(huán)境、工作流程及系統(tǒng)保護(hù)策略的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，逐步建立系統(tǒng)的實(shí)體模型和概念模型。系統(tǒng)開發(fā)既要滿足目前的實(shí)用性，也要考慮到未來(lái)的發(fā)展與功能的需求，由此確定基本服務(wù)對(duì)象和內(nèi)容。開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分兩大部分，分別對(duì)應(yīng)著不同的巷道斷面形式。內(nèi)部又細(xì)分為主設(shè)計(jì)頁(yè)和設(shè)施布置，分別實(shí)現(xiàn)不同功能。用戶選擇不同的斷面形式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)需求發(fā)出相應(yīng)信息，對(duì)用戶選擇進(jìn)行判斷的同時(shí)并給出相應(yīng)的參數(shù)輸入界面。結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，充分實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高速、合理、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了使用簡(jiǎn)便、易于操作。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

(1)輸入模塊：巷道地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件等基本數(shù)據(jù)的輸入。

(2)知識(shí)庫(kù)模塊：是系統(tǒng)的核心部分，是系統(tǒng)智能化的體現(xiàn)，為推理提供支持。

(3)推理機(jī)模塊：與知識(shí)庫(kù)構(gòu)成了系統(tǒng)的核心，用來(lái)控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)。

(4)數(shù)據(jù)模塊：存儲(chǔ)用戶輸入問(wèn)題的初始數(shù)據(jù)和推理過(guò)程中得到的各種信息。

(5)繪圖模塊：系統(tǒng)執(zhí)行模塊，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程圖繪制的最后環(huán)節(jié)。

(6)解釋模塊：主要任務(wù)是處理人機(jī)對(duì)話，即對(duì)用戶的提問(wèn)作出回答。

2 系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)

區(qū)別于其他一般繪圖工具的主要特點(diǎn)在于智能性，知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)是系統(tǒng)的核心部分。

2.1 知識(shí)庫(kù)

2.1.1 知識(shí)獲取

知識(shí)是一切智能行為的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)采取的知識(shí)獲取方式有：

(1) 走訪煤礦巷道支護(hù)專家獲取知識(shí)；

(2) 在有關(guān)巷道錨桿支護(hù)的理論著作、規(guī)范、學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中提取知識(shí)；

(3) 從新汶礦區(qū)各煤礦工程實(shí)例中總結(jié)知識(shí)；

(4) 與協(xié)莊煤礦礦區(qū)技術(shù)人員交流獲取經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)。

2.1.2 知識(shí)內(nèi)容

(1) 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)國(guó)家規(guī)范：包括經(jīng)過(guò)理論和大量實(shí)踐總結(jié)的巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)，安全規(guī)范措施。特殊情況下的包括煤巷和巖巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案和參數(shù)選取范圍要求。

(2) 行業(yè)性的礦圖繪制規(guī)范：參照國(guó)家煤礦制圖標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)煤礦行業(yè)礦圖做出了具體和詳細(xì)的要求，統(tǒng)一礦圖繪制標(biāo)準(zhǔn)和圖例符號(hào)。

(3) 專家及工程技術(shù)人員知識(shí)：包括巷道錨桿支護(hù)領(lǐng)域?qū)＜遗c工程技術(shù)人員的支護(hù)理論和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

(4) 特殊巷道類型及支護(hù)參數(shù)知識(shí)：搜集、分析新汶礦業(yè)集團(tuán)所屬礦區(qū)四所煤礦典型支護(hù)案例，進(jìn)行歸納和總結(jié)。

2.1.3 知識(shí)表示

知識(shí)表示是將巷道支護(hù)設(shè)計(jì)繪圖知識(shí)表達(dá)成計(jì)算機(jī)能接受的語(yǔ)言形式，以利于開發(fā)、效率、速度和維護(hù)。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)繪圖知識(shí)具有模糊性及離散性，繪圖涉及較多的參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)性、規(guī)范性的問(wèn)題。如兩幫巷道最上部的錨桿的角度的控制，要在一定的范圍之內(nèi)；錨桿外露的長(zhǎng)度也有一定的限制。巖巷和煤巷錨桿支護(hù)又有一定的特殊要求。受煤礦地質(zhì)條件及生產(chǎn)條件等影響，繪圖知識(shí)具有一定的復(fù)雜性和不確定性。

經(jīng)過(guò)對(duì)巷道支護(hù)理論及經(jīng)驗(yàn)的調(diào)研、分析，確定以產(chǎn)生式規(guī)則來(lái)表示。產(chǎn)生式規(guī)則的基本思想是從初始的事實(shí)出發(fā)，不斷推出新的事實(shí)，直到得出結(jié)論為止。可較簡(jiǎn)潔地表達(dá)繪圖的經(jīng)驗(yàn)性和規(guī)范性知識(shí)；易于理解推理，便于人機(jī)交換信息。

規(guī)則X:如果(IF)前提1：巷道為梯形斷面；前提2：兩幫靠近底板的錨桿距離底板大于等于300mm；THEN：繼續(xù)按照兩幫設(shè)定的間距繪制最后一根錨桿。

2.2 推理機(jī)

推理機(jī)實(shí)質(zhì)是一組程序，用來(lái)控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作[6]。它根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，依據(jù)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，按一定的推理策略去分析、判斷并解決問(wèn)題。本系統(tǒng)采用的正向推理策略，即從基本事實(shí)出發(fā)，不斷推出新的事實(shí)，直至推出最終結(jié)論。

(1)巷道類型的判定：當(dāng)用戶選擇某種類型巷道時(shí)，推理機(jī)給出該巷道斷面圖繪制必要的繪圖參數(shù)、需要考慮的設(shè)施布置參數(shù)。

(2)錨桿布置的判定及推理計(jì)算：當(dāng)圖形繪制的基本參數(shù)確定后，系統(tǒng)依據(jù)巷道類型并根據(jù)輸入的原始數(shù)據(jù)對(duì)錨桿數(shù)量分析計(jì)算，根據(jù)知識(shí)庫(kù)中相關(guān)匹配知識(shí)的要求，進(jìn)行后臺(tái)錨桿數(shù)量的計(jì)算和位置布置。

(3)合理安排附屬設(shè)施布置：對(duì)相應(yīng)的附屬設(shè)施布置，如軌道、風(fēng)筒等位置給予推理計(jì)算和自動(dòng)繪制。

(4)自動(dòng)控制用戶原始數(shù)據(jù)輸入：對(duì)用戶輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和提醒，當(dāng)用戶輸入的數(shù)據(jù)超出規(guī)定范圍或誤差時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)推理進(jìn)行提醒或修正輸入，對(duì)于常用的數(shù)據(jù)系統(tǒng)會(huì)給出默認(rèn)值。

3 系統(tǒng)運(yùn)行及應(yīng)用實(shí)例

在協(xié)莊煤礦進(jìn)行了系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。新汶礦區(qū)是我國(guó)開采深度最大的礦區(qū)之一，平均開采深度已超過(guò)1000 m，最深達(dá)1300m。它集中了采深大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、礦井災(zāi)害多等條件, 使巷道維護(hù)極為困難[7]。巷道支護(hù)具有一定的代表性。以兩個(gè)典型的實(shí)例來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.1 -850二采回風(fēng)上山

(1)實(shí)驗(yàn)巷道地質(zhì)及生產(chǎn)條件

掘進(jìn)巷道為-850二采回風(fēng)上山。掘進(jìn)目的是形成生產(chǎn)系統(tǒng)，滿足通風(fēng)、行人、管線敷設(shè)的需要。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度760m，服務(wù)10年。根據(jù)礦壓資料，斷層等特殊地點(diǎn)圍巖應(yīng)力集中。正常掘進(jìn)沿四層煤頂板施工，直接頂為細(xì)砂巖，直接底為粉砂巖，老底為細(xì)砂巖。

(2)系統(tǒng)算法及繪圖的實(shí)現(xiàn)

基于巷道地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件以及巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行原始參數(shù)輸入?；诶L圖知識(shí)庫(kù)，推理機(jī)對(duì)用戶輸入和選擇的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，并給出相應(yīng)的推理結(jié)果，對(duì)斷面圖的關(guān)鍵部分進(jìn)行計(jì)算控制。該梯形輪廓圖是在JX函數(shù)(自定義)下的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在該函數(shù)里完成了巷道寬度、左右?guī)透咭约爸行木€的實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于該類型巷道的錨桿布置以及標(biāo)注等的實(shí)現(xiàn)，是在函數(shù)Topanchor(頂板函數(shù))、Sidesanchor(兩幫函數(shù))、Railway、Windchannel、Waterpipe、Cable里完成的。函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，是根據(jù)推理結(jié)果進(jìn)行分步控制。

在附屬函數(shù)里，Topanchor與Sidesanchor功能實(shí)現(xiàn)最為關(guān)鍵和復(fù)雜。Topanchor函數(shù)的功能是繪制梯形巷道的頂部錨桿，由于頂部錨桿的繪制不僅要考慮錨桿的數(shù)量(包括奇偶數(shù))，還要考慮到靠近兩幫的傾斜錨桿的傾斜度與錨固端距兩幫的距離。

3.2 1202E回風(fēng)巷(車場(chǎng))

(1)實(shí)驗(yàn)巷道地質(zhì)及生產(chǎn)條件

掘進(jìn)目的是為形成1202E工作面生產(chǎn)系統(tǒng)，滿足通風(fēng)、安裝、行人、運(yùn)料及管線敷設(shè)需要。設(shè)計(jì)長(zhǎng)度195m，服務(wù)兩年。根據(jù)附近已掘巷道的礦壓觀測(cè)資料，施工范圍內(nèi)地壓顯現(xiàn)明顯，斷層附近圍巖應(yīng)力集中，但對(duì)生產(chǎn)不構(gòu)成威脅。巷道正常沿二煤頂板掘進(jìn)。直接頂為砂質(zhì)頁(yè)巖，性脆致密，水平層理發(fā)育，破碎易冒落；直接底為粘土巖，遇水膨脹變軟。

(2)系統(tǒng)算法及繪圖的實(shí)現(xiàn)

拱形巷道的實(shí)現(xiàn)過(guò)程同梯形有很多相似之處，其設(shè)計(jì)開發(fā)的重點(diǎn)仍然是錨桿的布置，這也是不同于梯形巷道之所在。對(duì)于不同的巷道類型，知識(shí)庫(kù)里會(huì)有相應(yīng)的匹配知識(shí)，推理機(jī)會(huì)根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行分析和判斷，并對(duì)特殊巷道或情況給出合理的繪圖方案。拱形巷道的實(shí)現(xiàn)，主要考慮錨桿數(shù)量的奇偶性以及靠近底板的錨桿的布置問(wèn)題。對(duì)于梯形巷道，也分為了頂部(拱形部分)、左幫、右?guī)鸵约皟蓭妥畹筒康腻^桿布置。對(duì)于拱形與直墻的連接處，也依據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行了分析與判斷，目的是使錨桿的間距在整個(gè)圖形中做到一致?；谙锏赖刭|(zhì)及生產(chǎn)條件及前期的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.3 智能繪圖系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

系統(tǒng)可依據(jù)知識(shí)庫(kù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)繪圖，保證了圖形的精確和規(guī)范。系統(tǒng)適應(yīng)各種類型巷道，生成的工程圖可以滿足井下施工的實(shí)際需要。系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、高效。

4 結(jié) 論

(1) 建立了以巷道錨桿支護(hù)相關(guān)知識(shí)為背景繪圖系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)具有一定的前瞻性，并根據(jù)系統(tǒng)的通用性豐富并完善了知識(shí)庫(kù)內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖的繪制。實(shí)現(xiàn)了繪圖的智能、規(guī)范、準(zhǔn)確、合理。

(2) 基于CAD平臺(tái)并利用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言和可視化的開發(fā)方法，利用CAD強(qiáng)大的繪圖功能，實(shí)現(xiàn)圖形的最大化修改、編輯等操作，以滿足不同情況的實(shí)際需要。

(3) 系統(tǒng)以具代表性的協(xié)莊煤礦生產(chǎn)實(shí)際為背景進(jìn)行開發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

[1] 王金華.我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(2).

[2] 楊仁樹，馬鑫民，張博，等.協(xié)莊煤礦巷道爆破設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)研究.中國(guó)爆破新技術(shù)II[M]，北京： 冶金工業(yè)出版社，2008.

[3] 肖福坤，孫豁然，劉曉軍，等.煤礦巷道支護(hù)智能決策系統(tǒng)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(3).

[4] 王小平，林在康，李向陽(yáng).煤礦采掘工程圖形CAD管理系統(tǒng)軟件的研制[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，25(3).

[5] 王奇生，郭森.AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)在礦圖繪制中的應(yīng)用[J].山西焦煤科技，2007(11).

[6] 李效甫，姚建國(guó).回采巷道支護(hù)形式與參數(shù)合理選擇專家系統(tǒng)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

[7] 王懷新，周明.高強(qiáng)錨桿支護(hù)材料在深井的開發(fā)應(yīng)用[J].礦山壓力與頂板管理，2002，19 (1).