軟巖巷道支護設計自動生成系統

劉慶娜 王泮飛 曲培臣 徐永俊 尤春安，3

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2.山東能源龍口礦業集團有限公司，山東 煙臺 265700；3.山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590)

軟巖巷道支護設計自動生成系統

劉慶娜1王泮飛2曲培臣2徐永俊2尤春安1，3

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2.山東能源龍口礦業集團有限公司，山東 煙臺 265700；3.山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590)

為提高軟巖巷道支護設計的科學性、客觀性以及工作效率，將數據庫技術與AutoCAD二次開發相結合，實現巷道斷面支護設計CAD圖的自動生成。以山東龍口礦業集團礦區為例，以其工程地質資料為依據建立相應的地應力、軟巖性質及巷道支護的數據管理系統。根據巷道圍巖類別、地應力、巷道用途等信息，通過系統智能分析和人工干預的方式獲得支護參數；繼而利用參數化繪圖思想完成軟巖巷道斷面支護設計。參數化繪圖依靠AutoCAD內嵌的AutoLISP編寫繪圖程序，再配以DCL語言編制的人機交流對話框完成，如此，最終完成軟巖巷道支護設計自動生成系統。

巷道支護 數據管理系統 AutoLISP 人工智能 自動成圖

隨著我國煤炭行業的快速發展和安全問題的日趨嚴重，巷道的支護設計工作越來越重要。傳統煤礦巷道設計僅僅依賴于設計者的個人經驗[1]，且設計工作重復勞動多，而現有的計算機輔助繪圖軟件大多為參數化繪圖軟件。因此，使用更加科學規范、人工智能的設計制圖系統，高質高效地完成巷道斷面支護的設計工作勢在必行。

巷道支護設計自動生成系統主要是針對煤礦現場的工程技術人員，通過運用巷道支護專家解決實際問題的推理機制，對輸入信息進行智能分析處理，與工程地質信息、巷道支護案例數據庫信息等進行比對分析，最終給出巷道最優化支護方案，并自動生成巷道斷面支護圖。目前，馬鑫民、王麗針對回采巷道進行了錨桿支護設計系統的研究[1-2]。張新蠻針對霍州煤電集團的具體工程地質條件與生產技術條件進行了錨桿支護系統的研究[3]。張軍針對四核煤礦特點進行了巷道支護計算機輔助設計系統研究[4]。但是這些研究都是針對錨桿支護系統，缺乏其他支護方式的運用，使用局限性較大，而且沒有相應的支護數據庫作為支護設計基礎和參考依據，合理性受到質疑且不具備智能特點。

1 軟巖巷道支護設計系統的設計思路

首先針對山東龍口礦區的具體工程地質條件建立數據管理系統，根據巷道位置、用途、服務年限及要求查詢數據管理系統，系統利用這些條件自動搜索匹配數據庫中支護案例的各參數條件，進行相似度計算，給出匹配度較高的成功支護案例，并參考支護案例，確定巷道斷面支護設計的各參數，然后利用參數化繪圖系統完成巷道斷面支護圖的設計繪制工作，最終實現人工智能設計。系統設計流程如圖1所示。

圖1 軟巖巷道支護設計系統流程Fig.1 Flow chart of the soft rock roadway design system

2 巷道斷面支護設計數據

根據以往礦山巷道支護設計的經驗[5]，巷道支護設計需要考慮的因素主要有：

(1)圍巖類別、地應力。圍巖類別和地應力大小不僅是決定區域穩定性的重要因素，而且直接決定了支護的難易程度。就采礦工程而言，圍巖類別和地應力的大小、方向對井巷斷面形態優化、方位的合理選擇及巷道支護等都是重要的科學依據。因而只有掌握了具體工程區域的地應力條件，才能合理確定巷道的方向、最佳斷面形狀、尺寸、開挖步驟、支護形式和支護參數等。

根據工程地質資料等確定地應力(包括水平應力、垂直應力)、巖石類別，系統通過應力條件、巖石類別及斷面形式尺寸等參數進行人工智能分析，自動比對成功支護案例，給出巷道條件最為類似的成功支護方案，然后參考成功案例選取支護方式及參數來進行支護設計工作。

(2)斷面幾何形狀尺寸。通常巷道斷面幾何形狀跟尺寸是根據巷道圍巖壓力的大小、方向和巷道用途、服務年限來確定的。參考龍口礦區的巷道斷面形式，歸納出煤礦巷道的主要斷面形式有矩形、圓形、梯形(包括等腰梯形和異性梯形)、直墻拱(半圓形直墻拱和三心拱形直墻拱)。因此參數化繪圖系統以這6種斷面形式為基礎，完成巷道斷面支護設計程序的編制工作。

(3) 斷面支護方式及參數。根據地質條件和圍巖、煤巖性質不同，巷道的支護方式也不盡相同。針對軟巖巷道特點，總結了噴射混凝土、錨網、石材支護、棚支護(棚式支護分為木棚和金屬棚支護，金屬支架一般采用礦用工字鋼和“U”型鋼等)、錨桿支護(主要有普通樹脂錨桿、高強樹脂錨桿、中空注漿錨桿、變形錨桿)、反底拱支護(主要有混凝土反底拱、鋼筋混凝土反底拱、金屬反底拱、料石反底拱)等支護方式[6]。在實際支護過程中往往用到復合支護方法，因此在系統設計過程中需要實現不同支護方式的自由組合。

3 系統設計的實現過程

3.1 數據管理系統

數據管理系統由3個子系統構成，分別為地應力數據、巖石性質參數、軟巖支護數據管理系統。采用界面友好、操作簡單、擁有可視化程序設計工具的VFP(Visual FoxPro)作為數據庫開發系統，且各子系統均由3大模塊組成：安全管理模塊，包括登陸界面，數據瀏覽、查詢和具有管理員權限的錄入、更新、刪除等的操作管理；數據查詢模塊，主要是根據查詢條件對所需數據進行查詢；數據管理模塊，包括數據的數據錄入、更新、刪除等數據管理操作。

(1)地應力數據查詢系統。地應力數據查詢系統的數據主要來源于礦區生產過程中積累的大量地應力相關數據和利用地應力反演計算得出的地應力值。查詢時根據需要查詢地點的地理坐標等對數據進行查詢，可獲取該坐標點處3個主應力的大小、方位與傾角，以及該坐標點附近已有坐標點的地應力值。數據結構如表1所示。

表1 地應力數據管理系統數據結構Table 1 Data Structure of Crustal Stress Database Management System

(2)巖石性質參數數據管理系統。針對龍口礦區軟巖采取巖樣進行分類、測試，得到巖石基本物理力學性質參數。主要有巖石單軸壓縮試驗、三軸抗壓試驗、干燥飽和吸水率試驗等。數據庫包含的巖石性質參數主要有單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、內摩擦角、密度、空隙率和膨脹性參數、變形參數、天然含水量、膠結系數、巖塊膨脹率、自由膨脹率、變形模量和泊松比等等。

其中變形參數在數據錄入管理系統時要注明變形參數的測定方法，如承壓板法、狹縫法、鉆孔變形法、水壓洞室法、地震法和聲波法等，以便提供更具實際參考價值的數據，方便用戶對后期支護方式及參數的選取。巖石性質參數查詢界面如圖2所示。

圖2 巖石性質參數查詢界面Fig.2 The parameters database inquiry interface of rock properties

(3)軟巖支護數據管理系統。支護數據管理系統由龍口各礦區巷道斷面支護整理匯總而得。每一個支護案例不僅包括巷道斷面現有的支護方式、參數，還包括曾經的優化設計過程(包括曾使用過的支護及失敗原因)，為后期支護設計提供參考依據。可根據“巷道用途”、“頂板巖性”、“巷道類別”、“底板巖性”等條件，選擇查詢“巷道形狀”、“斷面面積”、“巷道埋深”、“巷道支護形”等數據。

3.2 參數化繪圖系統

參數化繪圖系統以AutoCAD為圖形支撐軟件，利用其內嵌AutoLISP語言進行二次開發，編制繪圖程序“.lsp”。在此基礎上，使用AutoCAD提供的對話框空間語言DCL，再配以AutoLISP的PDB函數(可編程對話框技術)，創建、編寫支護參數對話框，實現人機交互功能。具體步驟如下[7]：

(1) 分析巷道斷面、各支護形式特征，確定斷面及支護參數。繪圖參數包括巷道斷面形式及尺寸，各支護形式與參數，具體有噴射混凝土厚度，錨桿、錨索、錨網規格及大小，鋼(木)棚規格，反底拱尺寸等。

(2)設計編寫參數對話框。參考煤礦巷道主要斷面形式尺寸、支護形式、支護參數以及最終成圖所需要的圖框參數、文字說明等確定各控件。

(3) 確定參數代表的物理實際意義與幾何關系，編寫繪圖程序。根據各繪圖參數所對應的結構尺寸，按照繪制支護圖的順序編制程序，通過計算點位、坐標變換、調用AutoCAD 系統的繪圖命令等編寫繪圖程序。

(4) 加載程序。繪圖程序編寫完成后，加載運行程序文件“lk.lsp”。在“COMMAND:”下輸入“Appload”或“ap”并回車；或打開“ Tools(工具) ”主菜單，單擊“LOAD APPLICATION……” (加載應用程序) ，選擇.lsp文件并加載，然后運行。在對話框中輸入參數后點擊“確定”按鈕，在界面內指定一個基準點，即可自動生成斷面支護圖。參數界面圖如圖3所示。

圖3 巷道支護設計生成系統參數界面Fig.3 The parameter interface of the roadway support design system

4 結 語

(1)本系統基于龍口礦區軟巖性質、支護等數據庫設計編制而成，比一般參數化繪圖更加智能、科學，但也只適用于特定軟巖巷道，故使用廣泛性有待加強。

(2)系統界面友好，操作簡單，實用性強，規范性好，專業性強，繪圖出圖質量高。

(3)本系統只適用于Windows 7系統中的AutoCAD 12.0或以上版本，對低版本CAD不適用。

[1] 王 麗.煤礦回采巷道支護設計專家系統的研究[D].淮南：安徽理工大學，2005． Wang Li.Research on Expert System of Mining Extraction Working Face and Tunnel Supporting[D].Huainan:Anhui University of Science and Technology 2005．

[2] 楊仁樹,馬鑫民.煤礦巷道掘進爆破智能設計系統及應用[J].煤炭學報，2013,38(7):1130-1135． Yang Renshu，Ma Xinmin.Application on intelligent system for optimization design of blasting in mine tunnel excavation of coal mine[J].Journal of China Coal Society，2013，38(7):1130-1135．

[3] 張新蠻.巷道支護專家系統實現[J].中國礦業，2012,21(3):100-102． Zhang Xinman.Development and implementation of roadway support expert system[J].China Mining Magazine,2012,21(3):100-102．

[4] 張 軍.寺河煤礦巷道支護計算機輔助設計系統研究[D].北京：中國礦業大學，2009． Zhang Jun.Research and Application of Roadway Computer Aided Design System in Sihe Coal Mine[D].Beijing:China University of Mining and Technology,2009．

[5] 張金山,侯殿坤.礦山巷道支護設計專家咨詢系統[J].金屬礦山，2003(5):7-9． Zhang Jinshan,Hou Diankun.Expert Advisory for the tunnel support design of underground mine[J].Metal Mine,2003(5):7-9．

[6] 姚寶珠.軟巖分類及軟巖巷道支護方法[J]．煤礦安全，2003,34(12):28-30． Yao Baozhu.Soft rock classification and roadway support method [J].Safety in Coal Mines,2003,34(12):28-30．

[7] 周陶勇,李 珊,王 磊，等.基于AutoLISP的AutoCAD參數化繪圖[J].現代機械，2006,178(4):69-73． Zhou Taoyong,Li Shan,Wang Lei,et al.Parametric drawing based on AutoLISP in AutoCAD[J].Modern Machinery,2006,178(4):69-73．

(責任編輯 徐志宏)

Automatically Making System of Soft Rock Roadway Support Design

Liu Qingna1Wang Yangfei2Qu Peichen2Xu Yongjun2You Chun′an1，3

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China;2.ShandongEnergyLongkouCoalMiningGroupCo.，Ltd.，Yantai265700，China；3.ShandongKeyLaboratoryofCivilEngineeringDisasterPrevention&Mitigation，Qingdao266590，China)

In order to make design of soft rock roadway support more efficiently，scientifically and objectively，database technique was integrated with AutoCAD secondary development to automatically generate the CAD drawing of roadway support.Taking the Mining Area of Shandong Energy Longkou Coal Group for example，Database Management Systems (DBMS) of crustal stress，soft rock properties and roadway support was established based on engineering geological materials.According to the information of roadway surrounding rock classification，crustal stress and roadway applications，support parameters was obtained by intelligent analysis and manual intervention.Then，soft rock roadway support design was completed through parametric drawing which relies on AutoLISP embedded in AutoCAD，and matched with man-machine dialogue frame created by DCL language programming.Thus，the automatically making system of soft rock roadway support was gained.

Roadway support，Database management system，AutoLISP ，Artificial intelligence ，Automatic mapping

2015-08-04

國家自然科學基金項目(編號：51274131)。

劉慶娜(1990—)，女，碩士研究生。

TD263

A

1001-1250(2015)-11-124-04