煤礦巷道錨桿支護智能繪圖系統開發與應用

馬鑫民，楊仁樹，張京泉，岳中文，郭東明

(1. 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；3.新汶礦業集團協莊煤礦，山東 新泰 271221)

煤礦錨桿支護可顯著提高支護效果，降低成本，減輕工人勞動強度，改善作業環境，已成為我國煤礦巷道主要的支護形式[1]。在我國礦山生產一線，巷道支護設計的技術工作多采用傳統的手工勞動，施工圖表的繪制是煤礦生產管理決策中十分重要而又經常性的技術工作。由于支護設計工程量大、圖形數量多，即使現在利用了CAD，也很難在一定的時間內完全滿足需求，尤其是各種斷面錨桿的布置斷面圖的繪制費時費力，對井下施工進度和生產效率產生很大影響[2]。隨著計算機技術的高速發展及迅速普及化，信息化已逐漸深入到了國民經濟發展的各行各業。采用計算機智能化工程圖的繪制，是煤礦生產的迫切要求。目前，國內外礦山技術人員已經在這方面做了大量的研究和開發工作。肖福坤等[3]采用面向對象的計算機編程技術和可視化的設計方法，利用人工智能等，科學開發了井巷支護設計的智能專家系統，并將神經網絡技術應用到專家系統，進行支護設計決策。王小平等[4]開發了煤礦采掘工程圖形管理系統軟件，利用了Visual Basic開發平臺，多任務開放環境技術、面向對象的數據庫技術、圖形與數據的動態交換技術、視窗軟件界面技術等，與傳統的采礦工程圖形設計和管理技術結合起來。王奇生，郭森[5]利用了AutoCAD二次開發技術，實現了巷道斷面繪制程序，煤礦、地質和測量專業符號繪制程序等,為西峪煤礦的設計工作帶來了便利。

在目前該領域研究的基礎上，以協莊煤礦實際生產為模板，基于CAD平臺并利用VC++ & ObjectARX開發語言，豐富的井巷繪圖知識庫，開發具有智能化、自動化和良好人機交互界面的巷道錨桿支護繪圖系統，實現準確、快捷、合理、自動繪制巷道錨桿支護斷面圖，指導井下安全高效施工。

1 系統開發設計

1.1 系統開發流程

依據我國煤礦巷道支護斷面圖繪制標準和實際工程應用的具體要求，在掌握系統的服務對象、設計目的、結構要素、性能指標、工作環境、工作流程及系統保護策略的基礎上，分析系統的業務和數據現狀，逐步建立系統的實體模型和概念模型。系統開發既要滿足目前的實用性，也要考慮到未來的發展與功能的需求，由此確定基本服務對象和內容。開發流程如圖1所示。

圖1 系統開發流程圖

1.2 系統結構設計

圖2是系統結構設計圖，系統結構分兩大部分，分別對應著不同的巷道斷面形式。內部又細分為主設計頁和設施布置，分別實現不同功能。用戶選擇不同的斷面形式時，系統會根據需求發出相應信息，對用戶選擇進行判斷的同時并給出相應的參數輸入界面。結構的合理設計，充分實現了系統的高速、合理、安全、穩定運行，同時也實現了使用簡便、易于操作。

圖2 系統結構設計圖

1.3 系統模塊化設計

(1)輸入模塊：巷道地質條件、生產條件等基本數據的輸入。

(2)知識庫模塊：是系統的核心部分，是系統智能化的體現，為推理提供支持。

(3)推理機模塊：與知識庫構成了系統的核心，用來控制、協調整個系統。

(4)數據模塊：存儲用戶輸入問題的初始數據和推理過程中得到的各種信息。

(5)繪圖模塊：系統執行模塊，是系統實現工程圖繪制的最后環節。

(6)解釋模塊：主要任務是處理人機對話，即對用戶的提問作出回答。

2 系統智能化設計

區別于其他一般繪圖工具的主要特點在于智能性，知識庫與推理機是系統的核心部分。

2.1 知識庫

2.1.1 知識獲取

知識是一切智能行為的基礎。該系統采取的知識獲取方式有：

(1) 走訪煤礦巷道支護專家獲取知識；

(2) 在有關巷道錨桿支護的理論著作、規范、學術文獻中提取知識；

(3) 從新汶礦區各煤礦工程實例中總結知識；

(4) 與協莊煤礦礦區技術人員交流獲取經驗性知識。

2.1.2 知識內容

(1) 錨桿支護設計國家規范：包括經過理論和大量實踐總結的巷道錨桿支護設計技術，安全規范措施。特殊情況下的包括煤巷和巖巷錨桿支護設計方案和參數選取范圍要求。

(2) 行業性的礦圖繪制規范：參照國家煤礦制圖標準化，對煤礦行業礦圖做出了具體和詳細的要求，統一礦圖繪制標準和圖例符號。

(3) 專家及工程技術人員知識：包括巷道錨桿支護領域專家與工程技術人員的支護理論和實際工程經驗。

(4) 特殊巷道類型及支護參數知識：搜集、分析新汶礦業集團所屬礦區四所煤礦典型支護案例，進行歸納和總結。

2.1.3 知識表示

知識表示是將巷道支護設計繪圖知識表達成計算機能接受的語言形式，以利于開發、效率、速度和維護。巷道支護設計繪圖知識具有模糊性及離散性，繪圖涉及較多的參數和經驗性、規范性的問題。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；錨桿外露的長度也有一定的限制。巖巷和煤巷錨桿支護又有一定的特殊要求。受煤礦地質條件及生產條件等影響，繪圖知識具有一定的復雜性和不確定性。

經過對巷道支護理論及經驗的調研、分析，確定以產生式規則來表示。產生式規則的基本思想是從初始的事實出發，不斷推出新的事實，直到得出結論為止。可較簡潔地表達繪圖的經驗性和規范性知識；易于理解推理，便于人機交換信息。

規則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：繼續按照兩幫設定的間距繪制最后一根錨桿。

2.2 推理機

推理機實質是一組程序，用來控制、協調整個系統的工作[6]。它根據輸入的數據，依據知識庫中的知識，按一定的推理策略去分析、判斷并解決問題。本系統采用的正向推理策略，即從基本事實出發，不斷推出新的事實，直至推出最終結論。

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

(2)錨桿布置的判定及推理計算：當圖形繪制的基本參數確定后，系統依據巷道類型并根據輸入的原始數據對錨桿數量分析計算，根據知識庫中相關匹配知識的要求，進行后臺錨桿數量的計算和位置布置。

(3)合理安排附屬設施布置：對相應的附屬設施布置，如軌道、風筒等位置給予推理計算和自動繪制。

(4)自動控制用戶原始數據輸入：對用戶輸入的原始數據進行校驗和提醒，當用戶輸入的數據超出規定范圍或誤差時，系統根據推理進行提醒或修正輸入，對于常用的數據系統會給出默認值。

3 系統運行及應用實例

在協莊煤礦進行了系統現場調試。新汶礦區是我國開采深度最大的礦區之一，平均開采深度已超過1000 m，最深達1300m。它集中了采深大、地質構造復雜、礦井災害多等條件, 使巷道維護極為困難[7]。巷道支護具有一定的代表性。以兩個典型的實例來說明系統的應用。

3.1 -850二采回風上山

(1)實驗巷道地質及生產條件

掘進巷道為-850二采回風上山。掘進目的是形成生產系統，滿足通風、行人、管線敷設的需要。巷道設計長度760m，服務10年。根據礦壓資料，斷層等特殊地點圍巖應力集中。正常掘進沿四層煤頂板施工，直接頂為細砂巖，直接底為粉砂巖，老底為細砂巖。

(2)系統算法及繪圖的實現

基于巷道地質條件、生產條件以及巷道支護參數進行原始參數輸入。基于繪圖知識庫，推理機對用戶輸入和選擇的原始數據進行分析判斷，并給出相應的推理結果，對斷面圖的關鍵部分進行計算控制。該梯形輪廓圖是在JX函數(自定義)下的代碼來實現的。在該函數里完成了巷道寬度、左右幫高以及中心線的實現。而對于該類型巷道的錨桿布置以及標注等的實現，是在函數Topanchor(頂板函數)、Sidesanchor(兩幫函數)、Railway、Windchannel、Waterpipe、Cable里完成的。函數的實現，是根據推理結果進行分步控制。

在附屬函數里，Topanchor與Sidesanchor功能實現最為關鍵和復雜。Topanchor函數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量(包括奇偶數)，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回風巷(車場)

(1)實驗巷道地質及生產條件

掘進目的是為形成1202E工作面生產系統，滿足通風、安裝、行人、運料及管線敷設需要。設計長度195m，服務兩年。根據附近已掘巷道的礦壓觀測資料，施工范圍內地壓顯現明顯，斷層附近圍巖應力集中，但對生產不構成威脅。巷道正常沿二煤頂板掘進。直接頂為砂質頁巖，性脆致密，水平層理發育，破碎易冒落；直接底為粘土巖，遇水膨脹變軟。

(2)系統算法及繪圖的實現

拱形巷道的實現過程同梯形有很多相似之處，其設計開發的重點仍然是錨桿的布置，這也是不同于梯形巷道之所在。對于不同的巷道類型，知識庫里會有相應的匹配知識，推理機會根據用戶的選擇進行分析和判斷，并對特殊巷道或情況給出合理的繪圖方案。拱形巷道的實現，主要考慮錨桿數量的奇偶性以及靠近底板的錨桿的布置問題。對于梯形巷道，也分為了頂部(拱形部分)、左幫、右幫以及兩幫最低部的錨桿布置。對于拱形與直墻的連接處，也依據知識庫進行了分析與判斷，目的是使錨桿的間距在整個圖形中做到一致。基于巷道地質及生產條件及前期的巷道支護設計參數。

3.3 智能繪圖系統應用效果分析

系統可依據知識庫及現場實際需求實現繪圖，保證了圖形的精確和規范。系統適應各種類型巷道，生成的工程圖可以滿足井下施工的實際需要。系統運行可靠性、高效。

4 結 論

(1) 建立了以巷道錨桿支護相關知識為背景繪圖系統知識庫，知識庫的設計具有一定的前瞻性，并根據系統的通用性豐富并完善了知識庫內容，在此基礎上，進行巷道錨桿支護設計斷面圖的繪制。實現了繪圖的智能、規范、準確、合理。

(2) 基于CAD平臺并利用面向對象的編程語言和可視化的開發方法，利用CAD強大的繪圖功能，實現圖形的最大化修改、編輯等操作，以滿足不同情況的實際需要。

(3) 系統以具代表性的協莊煤礦生產實際為背景進行開發，現場應用效果良好。

[1] 王金華.我國煤巷錨桿支護技術的新發展[J].煤炭學報，2007，32(2).

[2] 楊仁樹，馬鑫民，張博，等.協莊煤礦巷道爆破設計專家系統研究.中國爆破新技術II[M]，北京： 冶金工業出版社，2008.

[3] 肖福坤，孫豁然，劉曉軍，等.煤礦巷道支護智能決策系統[J]. 遼寧工程技術大學學報，2004，23(3).

[4] 王小平，林在康，李向陽.煤礦采掘工程圖形CAD管理系統軟件的研制[J]. 中國礦業大學學報，1996，25(3).

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

[6] 李效甫，姚建國.回采巷道支護形式與參數合理選擇專家系統[M].北京：煤炭工業出版社，1993.

[7] 王懷新，周明.高強錨桿支護材料在深井的開發應用[J].礦山壓力與頂板管理，2002，19 (1).