巷道掘進中超前預報綜合決策系統

侯群磊

(河南煤業化工集團永煤公司，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掘進工作提出了更高要求。因為巷道掘進是一項地下隱蔽工程，地質條件復雜且不易控制，易發生重大傷亡事故，造成不可估量的損失，而如何確保安全生產，杜絕隱患是目前煤礦迫切需要解決的問題。地下煤礦巷道掘進過程中主要的地質災害有地下突水、巖爆、塌方以及圍巖大變形等，這些地質災害直接威脅生產人員生命安全，甚至引發次生災害造成更大的損失，如發生劇烈巖爆會引起地震，造成地表建筑破壞等，以至于危害到地面工作人員安全。王家嶺煤礦透水事故充分體現了巷道掘進中超前地質預報的重要性，而在巷道掘進生產過程中有效預防地質災害的方法即對地質災害進行準確預測，并根據預測結果及時反饋，以采取有效安全措施，這對于煤礦安全生產具有重要意義，也成為眾多學者致力研究的課題。

1 系統設計的目標和數據信息來源

1.1 系統設計的目標

系統是以煤礦巷道生產掘進中地質災害信息數據管理為研究對象，以煤礦超前預報的地質綜合分析技術為指導［2］，在全面收集巷道工程地質勘察資料以及設計資料的基礎上，采用野外調研與室內試驗分析相結合、巖體力學與工程地質相結合、定性與定量分析評價相結合、系統評價與國家統一規范相結合的思想，建立一套科學、合理的巷道生產掘進中超前地質預報綜合分析系統，其設計的具體目標如下:

1)系統主要實現設計、生產掘進階段信息以及超前預報數據的管理，實現對巷道斷面信息(包括地質信息以及超前預報信息等)的綜合查詢與分析，預報生產掘進過程中圍巖類別、巖爆、圍巖大變形、地下突水等煤礦災害。

2)利用CLIPS開發專門的專家系統并結合計算機技術來實現煤礦巷道生產掘進中災害的綜合分析、預報及反饋，針對某項巷道生產掘進工程地質災害信息進行規律研究及決策分析，并實現各類信息的統一管理和共享，以求實現煤礦安全高效生產。

1.2 系統設計的數據信息來源

1)設計階段數據信息，主要包括工程勘查概況、區域地質概況、水文地質工程地質條件、巖石的物理力學性質、開采技術條件等基礎信息。

2)巷道生產掘進中信息，主要包括生產掘進地質信息記錄、地應力測試資料及圍巖監測數據等動態變化數據，開挖后平面展示圖等圖件信息。

3)超前地質預報信息，主要包括地質雷達GPR探測數據、瞬變電磁探測數據、超前鉆探數據等超前勘探資料。

2 系統設計

2.1 系統功能模塊設計

根據系統所實現的功能的不同，可將系統分為:基礎信息管理模塊、數據錄入及編輯模塊、工程地質、水文地質及開采條件預報模塊、災害決策預報及應急處理模塊。各模塊的功能如下:

1)基礎信息管理模塊，即基礎信息管理子系統，該系統主要用于管理基本的用戶信息，防止數據被惡意修改刪除，以保證數據的完整性，為后續提供準確的預報結果奠定基礎。

2)數據輸入及編輯模塊，要對巷道生產掘進中的災害進行預報預測，首先要獲得大量的基礎數據，系統能否做出合理準確的決策預測取決于系統收集到的數據的可靠性，輸入的數據包括室內物理力學試驗數據、物探解譯資料以及超前鉆探等資料存儲于數據庫中。本模塊還提供數據的編輯及打印功能，方便用戶調用修改。

3)工程地質、水文地質及開采條件預報模塊。本文對工程地質、水文地質及開采條件的預報，主要是通過處理分析用戶輸入的數據來進行預報，主要預報巖石性質，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。通過系統處理分析將得到的結果與原有數據進行再對比分析，將取得的綜合結論替換原有結論存儲于數據庫中，輔助后期的決策。

4)災害決策預報及應急處理模塊，在獲得巷道生產掘進中工程地質水文地質以及開采條件，結合物探、鉆探等超前勘探資料以及室內物理力學試驗參數，便可以對災害的發生情況進行決策預報，主要預報:巖爆、圍巖大變形、塌方以及突水，目前系統主要實現了對巖爆和突水兩種災害的綜合決策預測，根據預測結果系統列出防治措施，并綜合多種防治措施提供幾種最優防治措施，供用戶選擇或作為參考。

2.2 系統總體結構設計

本系統主要針對煤礦生產部門，利用先進的計算機技術結合PBR/CBR專家系統，建立一套科學、合理的煤礦巷道生產掘進超前地質預報計算機輔助決策系統，采用統一的數據模式，軟件設計標準，其系統的總體結構示意圖見圖1。

圖1 系統總體結構設計示意圖

3 系統實現技術路線

目前，系統主要實現巖爆預測與地下突水預測，即以巖爆預測為例來說明系統具體的實現方法，巖爆是煤礦地下深部巷道掘進過程中，圍巖發生劇烈破壞的現象，巖爆不僅會威脅工作人員的生命安全，更有甚者會引發地震，高強度的巖爆烈度可達7～8度，震級在3～4.6級以上。目前普遍采用的預測方法有:單軸抗壓強度UCS;波蘭A.Q.奇代賓斯基提出Wet.彈性應變能指數;巖石脆性指數法，巖石脆性越高，越易發生巖爆;我國“工程巖體分級標準”規定了可能發生巖爆的極高地應力與高地應力的判別標準;應力強度比指數法;模糊綜合評判法等，本文采用人工智能的專家系統，應用CLIPS進行開發，通過多影響巖爆的各個主控因素分析并結合現場實際條件進行綜合決策。系統實現的技術路線圖見圖2。

4 結語

巷道掘進是一項地下隱蔽工程，地質條件復雜且不易控制，易發生重大傷亡事故，造成不可估量的損失，而如何確保安全生產，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掘進中地質災害信息數據管理為研究對象，以煤礦超前預報的地質綜合分析技術為指導，在全面收集巷道工程地質勘察資料以及設計資料的基礎上，采用野外調研與室內試驗分析相結合、巖體力學與工程地質相結合、定性與定量分析評價相結合、系統評價與國家統一規范相結合的思想，旨在建立一套科學、合理巷道生產掘進中超前地質預報綜合分析系統，為煤礦巷道生產掘進中災害預測與防治提供科學的決策依據。

圖2 系統技術路線圖

［1］郭 立.深部硬巖巖爆傾向性動態預測模型及其應用［D］.長沙:中南大學博士論文:2004.

［2］賀懷建，白世偉，陳 鍵.巖土工程專家系統中的推理及其應用［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(8):1239－1242.

［3］史忠植.高級人工智能［M］.北京:科學出版社，2006:42－55.

［4］楊濱濱，郭偉鵬.近松散含水層下煤層安全開采分區方法研究［J］.煤炭科學技術，2012，40(7):96－98.

［5］彭蘇萍.深部煤炭資源賦存規律與開發地質評價研究現狀及今后發展趨勢［J］.煤，2008，17(2):6－9.

［6］(波)M.鮑萊茨基，M.胡戴克，著，于振海，劉天泉，譯.礦山巖體力學［M］.北京:煤炭工業出版社，1985:66－85.

［7］國家安全生產監督總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定［S］.北京:煤炭工業出版社，2009.

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