巷道掘進(jìn)中超前預(yù)報(bào)綜合決策系統(tǒng)

侯群磊

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)永煤公司，河南 商丘 476000)

我國煤炭資源豐富，然而目前90%以上的煤炭是地下開采，露天開采的儲量很少，因此，對煤礦巷道的安全生產(chǎn)掘進(jìn)工作提出了更高要求。因?yàn)橄锏谰蜻M(jìn)是一項(xiàng)地下隱蔽工程，地質(zhì)條件復(fù)雜且不易控制，易發(fā)生重大傷亡事故，造成不可估量的損失，而如何確保安全生產(chǎn)，杜絕隱患是目前煤礦迫切需要解決的問題。地下煤礦巷道掘進(jìn)過程中主要的地質(zhì)災(zāi)害有地下突水、巖爆、塌方以及圍巖大變形等，這些地質(zhì)災(zāi)害直接威脅生產(chǎn)人員生命安全，甚至引發(fā)次生災(zāi)害造成更大的損失，如發(fā)生劇烈?guī)r爆會引起地震，造成地表建筑破壞等，以至于危害到地面工作人員安全。王家?guī)X煤礦透水事故充分體現(xiàn)了巷道掘進(jìn)中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要性，而在巷道掘進(jìn)生產(chǎn)過程中有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的方法即對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果及時(shí)反饋，以采取有效安全措施，這對于煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義，也成為眾多學(xué)者致力研究的課題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和數(shù)據(jù)信息來源

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)

系統(tǒng)是以煤礦巷道生產(chǎn)掘進(jìn)中地質(zhì)災(zāi)害信息數(shù)據(jù)管理為研究對象，以煤礦超前預(yù)報(bào)的地質(zhì)綜合分析技術(shù)為指導(dǎo)［2］，在全面收集巷道工程地質(zhì)勘察資料以及設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，采用野外調(diào)研與室內(nèi)試驗(yàn)分析相結(jié)合、巖體力學(xué)與工程地質(zhì)相結(jié)合、定性與定量分析評價(jià)相結(jié)合、系統(tǒng)評價(jià)與國家統(tǒng)一規(guī)范相結(jié)合的思想，建立一套科學(xué)、合理的巷道生產(chǎn)掘進(jìn)中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的具體目標(biāo)如下:

1)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)掘進(jìn)階段信息以及超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的管理，實(shí)現(xiàn)對巷道斷面信息(包括地質(zhì)信息以及超前預(yù)報(bào)信息等)的綜合查詢與分析，預(yù)報(bào)生產(chǎn)掘進(jìn)過程中圍巖類別、巖爆、圍巖大變形、地下突水等煤礦災(zāi)害。

2)利用CLIPS開發(fā)專門的專家系統(tǒng)并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)煤礦巷道生產(chǎn)掘進(jìn)中災(zāi)害的綜合分析、預(yù)報(bào)及反饋，針對某項(xiàng)巷道生產(chǎn)掘進(jìn)工程地質(zhì)災(zāi)害信息進(jìn)行規(guī)律研究及決策分析，并實(shí)現(xiàn)各類信息的統(tǒng)一管理和共享，以求實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)信息來源

1)設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)信息，主要包括工程勘查概況、區(qū)域地質(zhì)概況、水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、開采技術(shù)條件等基礎(chǔ)信息。

2)巷道生產(chǎn)掘進(jìn)中信息，主要包括生產(chǎn)掘進(jìn)地質(zhì)信息記錄、地應(yīng)力測試資料及圍巖監(jiān)測數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，開挖后平面展示圖等圖件信息。

3)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息，主要包括地質(zhì)雷達(dá)GPR探測數(shù)據(jù)、瞬變電磁探測數(shù)據(jù)、超前鉆探數(shù)據(jù)等超前勘探資料。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能的不同，可將系統(tǒng)分為:基礎(chǔ)信息管理模塊、數(shù)據(jù)錄入及編輯模塊、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及開采條件預(yù)報(bào)模塊、災(zāi)害決策預(yù)報(bào)及應(yīng)急處理模塊。各模塊的功能如下:

1)基礎(chǔ)信息管理模塊，即基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于管理基本的用戶信息，防止數(shù)據(jù)被惡意修改刪除，以保證數(shù)據(jù)的完整性，為后續(xù)提供準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果奠定基礎(chǔ)。

2)數(shù)據(jù)輸入及編輯模塊，要對巷道生產(chǎn)掘進(jìn)中的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測，首先要獲得大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能否做出合理準(zhǔn)確的決策預(yù)測取決于系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)的可靠性，輸入的數(shù)據(jù)包括室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、物探解譯資料以及超前鉆探等資料存儲于數(shù)據(jù)庫中。本模塊還提供數(shù)據(jù)的編輯及打印功能，方便用戶調(diào)用修改。

3)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及開采條件預(yù)報(bào)模塊。本文對工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及開采條件的預(yù)報(bào)，主要是通過處理分析用戶輸入的數(shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)報(bào)，主要預(yù)報(bào)巖石性質(zhì)，含隔水層情況，斷層破碎帶的厚度位置、充填情況以及煤層厚度傾角等。通過系統(tǒng)處理分析將得到的結(jié)果與原有數(shù)據(jù)進(jìn)行再對比分析，將取得的綜合結(jié)論替換原有結(jié)論存儲于數(shù)據(jù)庫中，輔助后期的決策。

4)災(zāi)害決策預(yù)報(bào)及應(yīng)急處理模塊，在獲得巷道生產(chǎn)掘進(jìn)中工程地質(zhì)水文地質(zhì)以及開采條件，結(jié)合物探、鉆探等超前勘探資料以及室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)，便可以對災(zāi)害的發(fā)生情況進(jìn)行決策預(yù)報(bào)，主要預(yù)報(bào):巖爆、圍巖大變形、塌方以及突水，目前系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對巖爆和突水兩種災(zāi)害的綜合決策預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果系統(tǒng)列出防治措施，并綜合多種防治措施提供幾種最優(yōu)防治措施，供用戶選擇或作為參考。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要針對煤礦生產(chǎn)部門，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合PBR/CBR專家系統(tǒng)，建立一套科學(xué)、合理的煤礦巷道生產(chǎn)掘進(jìn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模式，軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線

目前，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)巖爆預(yù)測與地下突水預(yù)測，即以巖爆預(yù)測為例來說明系統(tǒng)具體的實(shí)現(xiàn)方法，巖爆是煤礦地下深部巷道掘進(jìn)過程中，圍巖發(fā)生劇烈破壞的現(xiàn)象，巖爆不僅會威脅工作人員的生命安全，更有甚者會引發(fā)地震，高強(qiáng)度的巖爆烈度可達(dá)7～8度，震級在3～4.6級以上。目前普遍采用的預(yù)測方法有:單軸抗壓強(qiáng)度UCS;波蘭A.Q.奇代賓斯基提出Wet.彈性應(yīng)變能指數(shù);巖石脆性指數(shù)法，巖石脆性越高，越易發(fā)生巖爆;我國“工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定了可能發(fā)生巖爆的極高地應(yīng)力與高地應(yīng)力的判別標(biāo)準(zhǔn);應(yīng)力強(qiáng)度比指數(shù)法;模糊綜合評判法等，本文采用人工智能的專家系統(tǒng)，應(yīng)用CLIPS進(jìn)行開發(fā)，通過多影響巖爆的各個(gè)主控因素分析并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件進(jìn)行綜合決策。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線圖見圖2。

4 結(jié)語

巷道掘進(jìn)是一項(xiàng)地下隱蔽工程，地質(zhì)條件復(fù)雜且不易控制，易發(fā)生重大傷亡事故，造成不可估量的損失，而如何確保安全生產(chǎn)，杜絕隱患是目前煤礦迫切需要解決的問題。本文以煤礦巷道生產(chǎn)掘進(jìn)中地質(zhì)災(zāi)害信息數(shù)據(jù)管理為研究對象，以煤礦超前預(yù)報(bào)的地質(zhì)綜合分析技術(shù)為指導(dǎo)，在全面收集巷道工程地質(zhì)勘察資料以及設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，采用野外調(diào)研與室內(nèi)試驗(yàn)分析相結(jié)合、巖體力學(xué)與工程地質(zhì)相結(jié)合、定性與定量分析評價(jià)相結(jié)合、系統(tǒng)評價(jià)與國家統(tǒng)一規(guī)范相結(jié)合的思想，旨在建立一套科學(xué)、合理巷道生產(chǎn)掘進(jìn)中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析系統(tǒng)，為煤礦巷道生產(chǎn)掘進(jìn)中災(zāi)害預(yù)測與防治提供科學(xué)的決策依據(jù)。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

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