煤矿巷道锚杆支护智能绘图系统开发与应用

马鑫民，杨仁树，张京泉，岳中文，郭东明

(1. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；3.新汶矿业集团协庄煤矿，山东 新泰 271221)

煤矿锚杆支护可显著提高支护效果，降低成本，减轻工人劳动强度，改善作业环境，已成为我国煤矿巷道主要的支护形式[1]。在我国矿山生产一线，巷道支护设计的技术工作多采用传统的手工劳动，施工图表的绘制是煤矿生产管理决策中十分重要而又经常性的技术工作。由于支护设计工程量大、图形数量多，即使现在利用了CAD，也很难在一定的时间内完全满足需求，尤其是各种断面锚杆的布置断面图的绘制费时费力，对井下施工进度和生产效率产生很大影响[2]。随着计算机技术的高速发展及迅速普及化，信息化已逐渐深入到了国民经济发展的各行各业。采用计算机智能化工程图的绘制，是煤矿生产的迫切要求。目前，国内外矿山技术人员已经在这方面做了大量的研究和开发工作。肖福坤等[3]采用面向对象的计算机编程技术和可视化的设计方法，利用人工智能等，科学开发了井巷支护设计的智能专家系统，并将神经网络技术应用到专家系统，进行支护设计决策。王小平等[4]开发了煤矿采掘工程图形管理系统软件，利用了Visual Basic开发平台，多任务开放环境技术、面向对象的数据库技术、图形与数据的动态交换技术、视窗软件界面技术等，与传统的采矿工程图形设计和管理技术结合起来。王奇生，郭森[5]利用了AutoCAD二次开发技术，实现了巷道断面绘制程序，煤矿、地质和测量专业符号绘制程序等,为西峪煤矿的设计工作带来了便利。

在目前该领域研究的基础上，以协庄煤矿实际生产为模板，基于CAD平台并利用VC++ & ObjectARX开发语言，丰富的井巷绘图知识库，开发具有智能化、自动化和良好人机交互界面的巷道锚杆支护绘图系统，实现准确、快捷、合理、自动绘制巷道锚杆支护断面图，指导井下安全高效施工。

1 系统开发设计

1.1 系统开发流程

依据我国煤矿巷道支护断面图绘制标准和实际工程应用的具体要求，在掌握系统的服务对象、设计目的、结构要素、性能指标、工作环境、工作流程及系统保护策略的基础上，分析系统的业务和数据现状，逐步建立系统的实体模型和概念模型。系统开发既要满足目前的实用性，也要考虑到未来的发展与功能的需求，由此确定基本服务对象和内容。开发流程如图1所示。

图1 系统开发流程图

1.2 系统结构设计

图2是系统结构设计图，系统结构分两大部分，分别对应着不同的巷道断面形式。内部又细分为主设计页和设施布置，分别实现不同功能。用户选择不同的断面形式时，系统会根据需求发出相应信息，对用户选择进行判断的同时并给出相应的参数输入界面。结构的合理设计，充分实现了系统的高速、合理、安全、稳定运行，同时也实现了使用简便、易于操作。

图2 系统结构设计图

1.3 系统模块化设计

(1)输入模块：巷道地质条件、生产条件等基本数据的输入。

(2)知识库模块：是系统的核心部分，是系统智能化的体现，为推理提供支持。

(3)推理机模块：与知识库构成了系统的核心，用来控制、协调整个系统。

(4)数据模块：存储用户输入问题的初始数据和推理过程中得到的各种信息。

(5)绘图模块：系统执行模块，是系统实现工程图绘制的最后环节。

(6)解释模块：主要任务是处理人机对话，即对用户的提问作出回答。

2 系统智能化设计

区别于其他一般绘图工具的主要特点在于智能性，知识库与推理机是系统的核心部分。

2.1 知识库

2.1.1 知识获取

知识是一切智能行为的基础。该系统采取的知识获取方式有：

(1) 走访煤矿巷道支护专家获取知识；

(2) 在有关巷道锚杆支护的理论著作、规范、学术文献中提取知识；

(3) 从新汶矿区各煤矿工程实例中总结知识；

(4) 与协庄煤矿矿区技术人员交流获取经验性知识。

2.1.2 知识内容

(1) 锚杆支护设计国家规范：包括经过理论和大量实践总结的巷道锚杆支护设计技术，安全规范措施。特殊情况下的包括煤巷和岩巷锚杆支护设计方案和参数选取范围要求。

(2) 行业性的矿图绘制规范：参照国家煤矿制图标准化，对煤矿行业矿图做出了具体和详细的要求，统一矿图绘制标准和图例符号。

(3) 专家及工程技术人员知识：包括巷道锚杆支护领域专家与工程技术人员的支护理论和实际工程经验。

(4) 特殊巷道类型及支护参数知识：搜集、分析新汶矿业集团所属矿区四所煤矿典型支护案例，进行归纳和总结。

2.1.3 知识表示

知识表示是将巷道支护设计绘图知识表达成计算机能接受的语言形式，以利于开发、效率、速度和维护。巷道支护设计绘图知识具有模糊性及离散性，绘图涉及较多的参数和经验性、规范性的问题。如两帮巷道最上部的锚杆的角度的控制，要在一定的范围之内；锚杆外露的长度也有一定的限制。岩巷和煤巷锚杆支护又有一定的特殊要求。受煤矿地质条件及生产条件等影响，绘图知识具有一定的复杂性和不确定性。

经过对巷道支护理论及经验的调研、分析，确定以产生式规则来表示。产生式规则的基本思想是从初始的事实出发，不断推出新的事实，直到得出结论为止。可较简洁地表达绘图的经验性和规范性知识；易于理解推理，便于人机交换信息。

规则X:如果(IF)前提1：巷道为梯形断面；前提2：两帮靠近底板的锚杆距离底板大于等于300mm；THEN：继续按照两帮设定的间距绘制最后一根锚杆。

2.2 推理机

推理机实质是一组程序，用来控制、协调整个系统的工作[6]。它根据输入的数据，依据知识库中的知识，按一定的推理策略去分析、判断并解决问题。本系统采用的正向推理策略，即从基本事实出发，不断推出新的事实，直至推出最终结论。

(1)巷道类型的判定：当用户选择某种类型巷道时，推理机给出该巷道断面图绘制必要的绘图参数、需要考虑的设施布置参数。

(2)锚杆布置的判定及推理计算：当图形绘制的基本参数确定后，系统依据巷道类型并根据输入的原始数据对锚杆数量分析计算，根据知识库中相关匹配知识的要求，进行后台锚杆数量的计算和位置布置。

(3)合理安排附属设施布置：对相应的附属设施布置，如轨道、风筒等位置给予推理计算和自动绘制。

(4)自动控制用户原始数据输入：对用户输入的原始数据进行校验和提醒，当用户输入的数据超出规定范围或误差时，系统根据推理进行提醒或修正输入，对于常用的数据系统会给出默认值。

3 系统运行及应用实例

在协庄煤矿进行了系统现场调试。新汶矿区是我国开采深度最大的矿区之一，平均开采深度已超过1000 m，最深达1300m。它集中了采深大、地质构造复杂、矿井灾害多等条件, 使巷道维护极为困难[7]。巷道支护具有一定的代表性。以两个典型的实例来说明系统的应用。

3.1 -850二采回风上山

(1)实验巷道地质及生产条件

掘进巷道为-850二采回风上山。掘进目的是形成生产系统，满足通风、行人、管线敷设的需要。巷道设计长度760m，服务10年。根据矿压资料，断层等特殊地点围岩应力集中。正常掘进沿四层煤顶板施工，直接顶为细砂岩，直接底为粉砂岩，老底为细砂岩。

(2)系统算法及绘图的实现

基于巷道地质条件、生产条件以及巷道支护参数进行原始参数输入。基于绘图知识库，推理机对用户输入和选择的原始数据进行分析判断，并给出相应的推理结果，对断面图的关键部分进行计算控制。该梯形轮廓图是在JX函数(自定义)下的代码来实现的。在该函数里完成了巷道宽度、左右帮高以及中心线的实现。而对于该类型巷道的锚杆布置以及标注等的实现，是在函数Topanchor(顶板函数)、Sidesanchor(两帮函数)、Railway、Windchannel、Waterpipe、Cable里完成的。函数的实现，是根据推理结果进行分步控制。

在附属函数里，Topanchor与Sidesanchor功能实现最为关键和复杂。Topanchor函数的功能是绘制梯形巷道的顶部锚杆，由于顶部锚杆的绘制不仅要考虑锚杆的数量(包括奇偶数)，还要考虑到靠近两帮的倾斜锚杆的倾斜度与锚固端距两帮的距离。

3.2 1202E回风巷(车场)

(1)实验巷道地质及生产条件

掘进目的是为形成1202E工作面生产系统，满足通风、安装、行人、运料及管线敷设需要。设计长度195m，服务两年。根据附近已掘巷道的矿压观测资料，施工范围内地压显现明显，断层附近围岩应力集中，但对生产不构成威胁。巷道正常沿二煤顶板掘进。直接顶为砂质页岩，性脆致密，水平层理发育，破碎易冒落；直接底为粘土岩，遇水膨胀变软。

(2)系统算法及绘图的实现

拱形巷道的实现过程同梯形有很多相似之处，其设计开发的重点仍然是锚杆的布置，这也是不同于梯形巷道之所在。对于不同的巷道类型，知识库里会有相应的匹配知识，推理机会根据用户的选择进行分析和判断，并对特殊巷道或情况给出合理的绘图方案。拱形巷道的实现，主要考虑锚杆数量的奇偶性以及靠近底板的锚杆的布置问题。对于梯形巷道，也分为了顶部(拱形部分)、左帮、右帮以及两帮最低部的锚杆布置。对于拱形与直墙的连接处，也依据知识库进行了分析与判断，目的是使锚杆的间距在整个图形中做到一致。基于巷道地质及生产条件及前期的巷道支护设计参数。

3.3 智能绘图系统应用效果分析

系统可依据知识库及现场实际需求实现绘图，保证了图形的精确和规范。系统适应各种类型巷道，生成的工程图可以满足井下施工的实际需要。系统运行可靠性、高效。

4 结 论

(1) 建立了以巷道锚杆支护相关知识为背景绘图系统知识库，知识库的设计具有一定的前瞻性，并根据系统的通用性丰富并完善了知识库内容，在此基础上，进行巷道锚杆支护设计断面图的绘制。实现了绘图的智能、规范、准确、合理。

(2) 基于CAD平台并利用面向对象的编程语言和可视化的开发方法，利用CAD强大的绘图功能，实现图形的最大化修改、编辑等操作，以满足不同情况的实际需要。

(3) 系统以具代表性的协庄煤矿生产实际为背景进行开发，现场应用效果良好。

[1] 王金华.我国煤巷锚杆支护技术的新发展[J].煤炭学报，2007，32(2).

[2] 杨仁树，马鑫民，张博，等.协庄煤矿巷道爆破设计专家系统研究.中国爆破新技术II[M]，北京： 冶金工业出版社，2008.

[3] 肖福坤，孙豁然，刘晓军，等.煤矿巷道支护智能决策系统[J]. 辽宁工程技术大学学报，2004，23(3).

[4] 王小平，林在康，李向阳.煤矿采掘工程图形CAD管理系统软件的研制[J]. 中国矿业大学学报，1996，25(3).

[5] 王奇生，郭森.AutoCAD二次开发技术在矿图绘制中的应用[J].山西焦煤科技，2007(11).

[6] 李效甫，姚建国.回采巷道支护形式与参数合理选择专家系统[M].北京：煤炭工业出版社，1993.

[7] 王怀新，周明.高强锚杆支护材料在深井的开发应用[J].矿山压力与顶板管理，2002，19 (1).