“线上”智能支护系统设计

周 油 周 园 王凯

（1.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；2.山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南 250000； 3.山东安科兴业智能装备有限公司，山东 济南 250000）

我国绝大多数矿区的巷道支护技术主要依靠于工程类比的方法[1]，工程类比法在相似问题的研究中具有很高的效率，但是由于煤矿地质水文条件复杂性以及现场技术人员技术的局限性，传统支护技术可能导致支护强度不足或者支护强度过大的问题。为了解决上述两个难题，提出了一种煤矿“线上”专家支护系统。在系统数据库中收集了巷道支护专家的丰富经验、地质学、岩石力学等信息，在BP 神经网络推理机制下[2]，给出支护方案，生成支护报告。该系统有效解决了煤矿集团信息传播的问题和巷道支护不能科学、经济、合理的问题。

1 煤矿集团信息展示模块

用户通过浏览器访问煤矿集团站点，发出URL请求，服务器收到相应请求后将用户所需信息通过浏览器反馈给用户，如图1。信息显示模块可以根据企业内部信息的变化随时检查其适用性然后迅速做出相应的调整或及时更换，具有很强的时效性[3]。

图1 系统响应流程图

2 专家系统支护模块

巷道支护工程受地质条件、开采深度等多方面的影响，影响因素之间具有很强的复杂性，很难建立线性数学模型，属于非线性问题。专家系统是将专家经验知识存储到计算机数据库中，模仿人类专家的推理方式，解决现实中的问题。传统的巷道支护方法设计出的支护参数与巷道变形存在一定的偏差，支护安全可靠性差[4]，专家系统能够考虑到影响问题解决的各种因素，综合考虑各种因素后给出最优解。

2.1 专家系统知识数据库的建立

知识数据库主要包括典型案例、巷道围岩地质条件数据、锚杆等支护材料数据、进行BP 神经网络算法所需要的规则、公式等数据。知识库作为专家系统的一个重要组成部分,知识的多少和正确性是专家系统开发研制成败的关键。知识库中的数据不仅要具有真实性和科学性而且还要具有典型性和普遍适用性[5]。

（1）典型案例库的建立

案例库中收集了典型的工程案例，案例的巷道围岩地质条件具有代表性；巷道支护效果显著，返修率低且经得起时间的考验；各种指标参数齐全且具有统一的标准。通过对课题组多年来的项目工程进行整理总结、向煤矿工程师走访调查得到典型工程案例36 条，并将煤矿巷道支护典型案例输入到知识数据库中。为了增加系统典型案例的数量，系统具有自学习能力，系统会将新案例和数据库中的案例作比较，两者相似度低于95%时，系统会把新案例添加到数据库中，以此不断提高案例的全面性。在锚杆等支护材料的选取上，通过查询资料和现场测试的方法选取了几种典型的支护方式：锚杆、锚杆+钢带、锚杆+钢筋梯、锚杆+钢带+网、锚杆+钢带+网+锚索。

（2）巷道支护影响因素的选择

对巷道进行支护设计时需要综合考虑各种影响参数，参数的选取应具有较强的针对性，并且物理意义明确，便于现场采集。经过查阅资料和实地研究，选取了巷道断面情况、工程地质条件、围岩应力情况。

（3）BP 神经网络设计

BP 神经网络主要包括三个模块：输入层、隐含层（中间层）和输出层[6]。BP 神经网络具有严格的层次结构，其特点是：各层神经元只能与相邻神经元相连；处于同层的神经元不连接；连接中的信息只能单向传输。输入层用来接收用户输入的各种参数，对数据进行标准化处理后将数据传输到隐含层。隐含层对各参数的权值不断调整，不断提高判断的准确性，当准确率达到设定阈值后将结果传入到输出层反馈给用户。本系统将巷道围岩和地应力等地质条件作为输入层，利用数据库中的大量成功支护案例作为学习样本，经过隐含层的分析计算，设计出最佳支护方案如图2。

图2 神经网络模型

2.2 支护报告

支护报告模块主要用来自动生成煤矿巷道支护报告。用户“提交”相应参数后，系统激活BP 神经网络计算机推理机制，结合围岩地质条件在支护报告页面分别推荐出顶板、两帮、底板以锚杆为核心的锚杆、喷射混凝土、锚索联合支护方案，包括锚杆种类、直径、间距、排距等信息。支护报告自动输出功能，是利用Microsoft Office Word 软件提供的外用程序接口功能实现的，系统由外用程序接口调用该软件程序，然后与数据库中推算出的数据结合，在支护报告中显示出巷道的具体支护信息。支护报告如图3。

图3 支护报告

3 煤矿“线上”专家支护系统应用实例

3.1 煤矿集团概括

山东矿区地理条件优越，开挖出来的煤品质优良，但是煤矿信息化建设不足，企业的知名度远远小于自身实力，丧失许多发展机会。矿区开采深度-700 m 左右，开采的3710 采煤工作面受煤岩体自重应力、采动应力及构造应力的多重影响。顶板以砂质泥岩、细砂岩为主，煤层直接底板以泥岩、砂质泥岩为主，平均厚度为5 m，无裂隙发育。巷道受来压时，顶板下沉、两帮变形及底鼓现象明显，顶板下沉平均500 mm，两帮移近量平均500 mm，并出现了锚杆、锚索破断等现象。为此，建立煤矿“线上”专家支护系统，系统的建立提高了企业的知名度，树立了企业形象，煤矿集团的实时信息有效地进行了传播，显著提高了煤矿集团的核心竞争力，对于指导井下生产实践，保证矿井的安全高效生产，提高煤矿综合效益具有重要现实意义。

3.2 专家支护系统应用

煤矿“线上”专家支护系统工作流程图如图4。

图4 系统工作流程图

3.3 支护方案及其结果分析

系统中的专家支护功能对巷道支护进行了优化设计，提出相应的控制策略，支护结果见表1。为检测支护的有效性采用FLAC3D有限差分程序，选用Mohr-Coulomb 模型对支护后的围岩进行模拟分析，如图 5。由图5 可看出，支护后，围岩应力较大，顶板较大应力区域集中在顶部，两帮集中在两帮中间区域。有效支护前顶板下沉量大于150 mm，巷道中部最大下沉量为190 mm，巷道两帮中上段围岩水平变形量均大于150 mm，左帮最大变形量为180 mm，右帮最大变形量190 mm，两帮相对移近量为370 mm，相对有效支护前顶板、两帮的变形量均有明显减小，支护效果显著，围岩自身承载能力显著增强，保证了巷道的正常安全使用，证明了系统的可靠性。

表1 支护报告基本参数

图5 支护模拟结果图

4 结论

本文建立了煤矿“线上”专家支护系统，系统采用HTML 制作技术，通过网页将智能专家系统应用于巷道支护领域。该系统主要包括信息显示模块和矿井智能支护模块。系统可通过手机或者计算机在网络环境下随时随地访问，不受时间空间的限制。信息显示模块极大地提高了煤矿集团信息的实时性传播，提高了企业知名度和形象。通过将神经网络的优点与专家系统相结合，建立了煤矿神经网络决策系统，结合office 办公软件的二次开发，实现了对煤矿巷道锚注支护方案与参数的优化设计和煤矿巷道支护报告的自动生成。将系统应用于山东矿井，并对其进行监测，取得了良好的效果。本系统的开发和应用为以后“手机办公”和智能开采提供了有益的参考，也为智能支护设计提供了一种新的途径和方法。“线上”系统具有广泛的应用前景，能够提高工作面生产技术管理能力，对实现矿山现代化管理具有实际意义。