软岩巷道支护设计自动生成系统

刘庆娜 王泮飞 曲培臣 徐永俊 尤春安，3

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590；2.山东能源龙口矿业集团有限公司，山东 烟台 265700；3.山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590)

软岩巷道支护设计自动生成系统

刘庆娜1王泮飞2曲培臣2徐永俊2尤春安1，3

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590；2.山东能源龙口矿业集团有限公司，山东 烟台 265700；3.山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590)

为提高软岩巷道支护设计的科学性、客观性以及工作效率，将数据库技术与AutoCAD二次开发相结合，实现巷道断面支护设计CAD图的自动生成。以山东龙口矿业集团矿区为例，以其工程地质资料为依据建立相应的地应力、软岩性质及巷道支护的数据管理系统。根据巷道围岩类别、地应力、巷道用途等信息，通过系统智能分析和人工干预的方式获得支护参数；继而利用参数化绘图思想完成软岩巷道断面支护设计。参数化绘图依靠AutoCAD内嵌的AutoLISP编写绘图程序，再配以DCL语言编制的人机交流对话框完成，如此，最终完成软岩巷道支护设计自动生成系统。

巷道支护 数据管理系统 AutoLISP 人工智能 自动成图

随着我国煤炭行业的快速发展和安全问题的日趋严重，巷道的支护设计工作越来越重要。传统煤矿巷道设计仅仅依赖于设计者的个人经验[1]，且设计工作重复劳动多，而现有的计算机辅助绘图软件大多为参数化绘图软件。因此，使用更加科学规范、人工智能的设计制图系统，高质高效地完成巷道断面支护的设计工作势在必行。

巷道支护设计自动生成系统主要是针对煤矿现场的工程技术人员，通过运用巷道支护专家解决实际问题的推理机制，对输入信息进行智能分析处理，与工程地质信息、巷道支护案例数据库信息等进行比对分析，最终给出巷道最优化支护方案，并自动生成巷道断面支护图。目前，马鑫民、王丽针对回采巷道进行了锚杆支护设计系统的研究[1-2]。张新蛮针对霍州煤电集团的具体工程地质条件与生产技术条件进行了锚杆支护系统的研究[3]。张军针对四核煤矿特点进行了巷道支护计算机辅助设计系统研究[4]。但是这些研究都是针对锚杆支护系统，缺乏其他支护方式的运用，使用局限性较大，而且没有相应的支护数据库作为支护设计基础和参考依据，合理性受到质疑且不具备智能特点。

1 软岩巷道支护设计系统的设计思路

首先针对山东龙口矿区的具体工程地质条件建立数据管理系统，根据巷道位置、用途、服务年限及要求查询数据管理系统，系统利用这些条件自动搜索匹配数据库中支护案例的各参数条件，进行相似度计算，给出匹配度较高的成功支护案例，并参考支护案例，确定巷道断面支护设计的各参数，然后利用参数化绘图系统完成巷道断面支护图的设计绘制工作，最终实现人工智能设计。系统设计流程如图1所示。

图1 软岩巷道支护设计系统流程Fig.1 Flow chart of the soft rock roadway design system

2 巷道断面支护设计数据

根据以往矿山巷道支护设计的经验[5]，巷道支护设计需要考虑的因素主要有：

(1)围岩类别、地应力。围岩类别和地应力大小不仅是决定区域稳定性的重要因素，而且直接决定了支护的难易程度。就采矿工程而言，围岩类别和地应力的大小、方向对井巷断面形态优化、方位的合理选择及巷道支护等都是重要的科学依据。因而只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定巷道的方向、最佳断面形状、尺寸、开挖步骤、支护形式和支护参数等。

根据工程地质资料等确定地应力(包括水平应力、垂直应力)、岩石类别，系统通过应力条件、岩石类别及断面形式尺寸等参数进行人工智能分析，自动比对成功支护案例，给出巷道条件最为类似的成功支护方案，然后参考成功案例选取支护方式及参数来进行支护设计工作。

(2)断面几何形状尺寸。通常巷道断面几何形状跟尺寸是根据巷道围岩压力的大小、方向和巷道用途、服务年限来确定的。参考龙口矿区的巷道断面形式，归纳出煤矿巷道的主要断面形式有矩形、圆形、梯形(包括等腰梯形和异性梯形)、直墙拱(半圆形直墙拱和三心拱形直墙拱)。因此参数化绘图系统以这6种断面形式为基础，完成巷道断面支护设计程序的编制工作。

(3) 断面支护方式及参数。根据地质条件和围岩、煤岩性质不同，巷道的支护方式也不尽相同。针对软岩巷道特点，总结了喷射混凝土、锚网、石材支护、棚支护(棚式支护分为木棚和金属棚支护，金属支架一般采用矿用工字钢和“U”型钢等)、锚杆支护(主要有普通树脂锚杆、高强树脂锚杆、中空注浆锚杆、变形锚杆)、反底拱支护(主要有混凝土反底拱、钢筋混凝土反底拱、金属反底拱、料石反底拱)等支护方式[6]。在实际支护过程中往往用到复合支护方法，因此在系统设计过程中需要实现不同支护方式的自由组合。

3 系统设计的实现过程

3.1 数据管理系统

数据管理系统由3个子系统构成，分别为地应力数据、岩石性质参数、软岩支护数据管理系统。采用界面友好、操作简单、拥有可视化程序设计工具的VFP(Visual FoxPro)作为数据库开发系统，且各子系统均由3大模块组成：安全管理模块，包括登陆界面，数据浏览、查询和具有管理员权限的录入、更新、删除等的操作管理；数据查询模块，主要是根据查询条件对所需数据进行查询；数据管理模块，包括数据的数据录入、更新、删除等数据管理操作。

(1)地应力数据查询系统。地应力数据查询系统的数据主要来源于矿区生产过程中积累的大量地应力相关数据和利用地应力反演计算得出的地应力值。查询时根据需要查询地点的地理坐标等对数据进行查询，可获取该坐标点处3个主应力的大小、方位与倾角，以及该坐标点附近已有坐标点的地应力值。数据结构如表1所示。

表1 地应力数据管理系统数据结构Table 1 Data Structure of Crustal Stress Database Management System

(2)岩石性质参数数据管理系统。针对龙口矿区软岩采取岩样进行分类、测试，得到岩石基本物理力学性质参数。主要有岩石单轴压缩试验、三轴抗压试验、干燥饱和吸水率试验等。数据库包含的岩石性质参数主要有单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、内摩擦角、密度、空隙率和膨胀性参数、变形参数、天然含水量、胶结系数、岩块膨胀率、自由膨胀率、变形模量和泊松比等等。

其中变形参数在数据录入管理系统时要注明变形参数的测定方法，如承压板法、狭缝法、钻孔变形法、水压洞室法、地震法和声波法等，以便提供更具实际参考价值的数据，方便用户对后期支护方式及参数的选取。岩石性质参数查询界面如图2所示。

图2 岩石性质参数查询界面Fig.2 The parameters database inquiry interface of rock properties

(3)软岩支护数据管理系统。支护数据管理系统由龙口各矿区巷道断面支护整理汇总而得。每一个支护案例不仅包括巷道断面现有的支护方式、参数，还包括曾经的优化设计过程(包括曾使用过的支护及失败原因)，为后期支护设计提供参考依据。可根据“巷道用途”、“顶板岩性”、“巷道类别”、“底板岩性”等条件，选择查询“巷道形状”、“断面面积”、“巷道埋深”、“巷道支护形”等数据。

3.2 参数化绘图系统

参数化绘图系统以AutoCAD为图形支撑软件，利用其内嵌AutoLISP语言进行二次开发，编制绘图程序“.lsp”。在此基础上，使用AutoCAD提供的对话框空间语言DCL，再配以AutoLISP的PDB函数(可编程对话框技术)，创建、编写支护参数对话框，实现人机交互功能。具体步骤如下[7]：

(1) 分析巷道断面、各支护形式特征，确定断面及支护参数。绘图参数包括巷道断面形式及尺寸，各支护形式与参数，具体有喷射混凝土厚度，锚杆、锚索、锚网规格及大小，钢(木)棚规格，反底拱尺寸等。

(2)设计编写参数对话框。参考煤矿巷道主要断面形式尺寸、支护形式、支护参数以及最终成图所需要的图框参数、文字说明等确定各控件。

(3) 确定参数代表的物理实际意义与几何关系，编写绘图程序。根据各绘图参数所对应的结构尺寸，按照绘制支护图的顺序编制程序，通过计算点位、坐标变换、调用AutoCAD 系统的绘图命令等编写绘图程序。

(4) 加载程序。绘图程序编写完成后，加载运行程序文件“lk.lsp”。在“COMMAND:”下输入“Appload”或“ap”并回车；或打开“ Tools(工具) ”主菜单，单击“LOAD APPLICATION……” (加载应用程序) ，选择.lsp文件并加载，然后运行。在对话框中输入参数后点击“确定”按钮，在界面内指定一个基准点，即可自动生成断面支护图。参数界面图如图3所示。

图3 巷道支护设计生成系统参数界面Fig.3 The parameter interface of the roadway support design system

4 结 语

(1)本系统基于龙口矿区软岩性质、支护等数据库设计编制而成，比一般参数化绘图更加智能、科学，但也只适用于特定软岩巷道，故使用广泛性有待加强。

(2)系统界面友好，操作简单，实用性强，规范性好，专业性强，绘图出图质量高。

(3)本系统只适用于Windows 7系统中的AutoCAD 12.0或以上版本，对低版本CAD不适用。

[1] 王 丽.煤矿回采巷道支护设计专家系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，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] 杨仁树,马鑫民.煤矿巷道掘进爆破智能设计系统及应用[J].煤炭学报，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] 张新蛮.巷道支护专家系统实现[J].中国矿业，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] 张 军.寺河煤矿巷道支护计算机辅助设计系统研究[D].北京：中国矿业大学，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] 张金山,侯殿坤.矿山巷道支护设计专家咨询系统[J].金属矿山，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] 姚宝珠.软岩分类及软岩巷道支护方法[J]．煤矿安全，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参数化绘图[J].现代机械，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．

(责任编辑 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

国家自然科学基金项目(编号：51274131)。

刘庆娜(1990—)，女，硕士研究生。

TD263

A

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