劉慶娜 王泮飛 曲培臣 徐永俊 尤春安，3

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東能源龍口礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 煙臺 265700；3.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590)

軟巖巷道支護(hù)設(shè)計自動生成系統(tǒng)

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(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東能源龍口礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 煙臺 265700；3.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590)

為提高軟巖巷道支護(hù)設(shè)計的科學(xué)性、客觀性以及工作效率，將數(shù)據(jù)庫技術(shù)與AutoCAD二次開發(fā)相結(jié)合，實現(xiàn)巷道斷面支護(hù)設(shè)計CAD圖的自動生成。以山東龍口礦業(yè)集團(tuán)礦區(qū)為例，以其工程地質(zhì)資料為依據(jù)建立相應(yīng)的地應(yīng)力、軟巖性質(zhì)及巷道支護(hù)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。根據(jù)巷道圍巖類別、地應(yīng)力、巷道用途等信息，通過系統(tǒng)智能分析和人工干預(yù)的方式獲得支護(hù)參數(shù)；繼而利用參數(shù)化繪圖思想完成軟巖巷道斷面支護(hù)設(shè)計。參數(shù)化繪圖依靠AutoCAD內(nèi)嵌的AutoLISP編寫繪圖程序，再配以DCL語言編制的人機(jī)交流對話框完成，如此，最終完成軟巖巷道支護(hù)設(shè)計自動生成系統(tǒng)。

巷道支護(hù) 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) AutoLISP 人工智能 自動成圖

隨著我國煤炭行業(yè)的快速發(fā)展和安全問題的日趨嚴(yán)重，巷道的支護(hù)設(shè)計工作越來越重要。傳統(tǒng)煤礦巷道設(shè)計僅僅依賴于設(shè)計者的個人經(jīng)驗[1]，且設(shè)計工作重復(fù)勞動多，而現(xiàn)有的計算機(jī)輔助繪圖軟件大多為參數(shù)化繪圖軟件。因此，使用更加科學(xué)規(guī)范、人工智能的設(shè)計制圖系統(tǒng)，高質(zhì)高效地完成巷道斷面支護(hù)的設(shè)計工作勢在必行。

巷道支護(hù)設(shè)計自動生成系統(tǒng)主要是針對煤礦現(xiàn)場的工程技術(shù)人員，通過運(yùn)用巷道支護(hù)專家解決實際問題的推理機(jī)制，對輸入信息進(jìn)行智能分析處理，與工程地質(zhì)信息、巷道支護(hù)案例數(shù)據(jù)庫信息等進(jìn)行比對分析，最終給出巷道最優(yōu)化支護(hù)方案，并自動生成巷道斷面支護(hù)圖。目前，馬鑫民、王麗針對回采巷道進(jìn)行了錨桿支護(hù)設(shè)計系統(tǒng)的研究[1-2]。張新蠻針對霍州煤電集團(tuán)的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件進(jìn)行了錨桿支護(hù)系統(tǒng)的研究[3]。張軍針對四核煤礦特點進(jìn)行了巷道支護(hù)計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)研究[4]。但是這些研究都是針對錨桿支護(hù)系統(tǒng)，缺乏其他支護(hù)方式的運(yùn)用，使用局限性較大，而且沒有相應(yīng)的支護(hù)數(shù)據(jù)庫作為支護(hù)設(shè)計基礎(chǔ)和參考依據(jù)，合理性受到質(zhì)疑且不具備智能特點。

1 軟巖巷道支護(hù)設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計思路

首先針對山東龍口礦區(qū)的具體工程地質(zhì)條件建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，根據(jù)巷道位置、用途、服務(wù)年限及要求查詢數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)利用這些條件自動搜索匹配數(shù)據(jù)庫中支護(hù)案例的各參數(shù)條件，進(jìn)行相似度計算，給出匹配度較高的成功支護(hù)案例，并參考支護(hù)案例，確定巷道斷面支護(hù)設(shè)計的各參數(shù)，然后利用參數(shù)化繪圖系統(tǒng)完成巷道斷面支護(hù)圖的設(shè)計繪制工作，最終實現(xiàn)人工智能設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 軟巖巷道支護(hù)設(shè)計系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of the soft rock roadway design system

2 巷道斷面支護(hù)設(shè)計數(shù)據(jù)

根據(jù)以往礦山巷道支護(hù)設(shè)計的經(jīng)驗[5]，巷道支護(hù)設(shè)計需要考慮的因素主要有：

(1)圍巖類別、地應(yīng)力。圍巖類別和地應(yīng)力大小不僅是決定區(qū)域穩(wěn)定性的重要因素，而且直接決定了支護(hù)的難易程度。就采礦工程而言，圍巖類別和地應(yīng)力的大小、方向?qū)飻嗝嫘螒B(tài)優(yōu)化、方位的合理選擇及巷道支護(hù)等都是重要的科學(xué)依據(jù)。因而只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)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(hù)形式和支護(hù)參數(shù)等。

根據(jù)工程地質(zhì)資料等確定地應(yīng)力(包括水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力)、巖石類別，系統(tǒng)通過應(yīng)力條件、巖石類別及斷面形式尺寸等參數(shù)進(jìn)行人工智能分析，自動比對成功支護(hù)案例，給出巷道條件最為類似的成功支護(hù)方案，然后參考成功案例選取支護(hù)方式及參數(shù)來進(jìn)行支護(hù)設(shè)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(jù)巷道圍巖壓力的大小、方向和巷道用途、服務(wù)年限來確定的。參考龍口礦區(qū)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(shù)化繪圖系統(tǒng)以這6種斷面形式為基礎(chǔ)，完成巷道斷面支護(hù)設(shè)計程序的編制工作。

(3) 斷面支護(hù)方式及參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)條件和圍巖、煤巖性質(zhì)不同，巷道的支護(hù)方式也不盡相同。針對軟巖巷道特點，總結(jié)了噴射混凝土、錨網(wǎng)、石材支護(hù)、棚支護(hù)(棚式支護(hù)分為木棚和金屬棚支護(hù)，金屬支架一般采用礦用工字鋼和“U”型鋼等)、錨桿支護(hù)(主要有普通樹脂錨桿、高強(qiáng)樹脂錨桿、中空注漿錨桿、變形錨桿)、反底拱支護(hù)(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(hù)方式[6]。在實際支護(hù)過程中往往用到復(fù)合支護(hù)方法，因此在系統(tǒng)設(shè)計過程中需要實現(xiàn)不同支護(hù)方式的自由組合。

3 系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)過程

3.1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為地應(yīng)力數(shù)據(jù)、巖石性質(zhì)參數(shù)、軟巖支護(hù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。采用界面友好、操作簡單、擁有可視化程序設(shè)計工具的VFP(Visual FoxPro)作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)系統(tǒng)，且各子系統(tǒng)均由3大模塊組成：安全管理模塊，包括登陸界面，數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和具有管理員權(quán)限的錄入、更新、刪除等的操作管理；數(shù)據(jù)查詢模塊，主要是根據(jù)查詢條件對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；數(shù)據(jù)管理模塊，包括數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)錄入、更新、刪除等數(shù)據(jù)管理操作。

(1)地應(yīng)力數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)。地應(yīng)力數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要來源于礦區(qū)生產(chǎn)過程中積累的大量地應(yīng)力相關(guān)數(shù)據(jù)和利用地應(yīng)力反演計算得出的地應(yīng)力值。查詢時根據(jù)需要查詢地點的地理坐標(biāo)等對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，可獲取該坐標(biāo)點處3個主應(yīng)力的大小、方位與傾角，以及該坐標(biāo)點附近已有坐標(biāo)點的地應(yīng)力值。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 地應(yīng)力數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 1 Data Structure of Crustal Stress Database Management System

(2)巖石性質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。針對龍口礦區(qū)軟巖采取巖樣進(jìn)行分類、測試，得到巖石基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。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(shù)據(jù)庫包含的巖石性質(zhì)參數(shù)主要有單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、密度、空隙率和膨脹性參數(shù)、變形參數(shù)、天然含水量、膠結(jié)系數(shù)、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(shù)在數(shù)據(jù)錄入管理系統(tǒng)時要注明變形參數(shù)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(shù)據(jù)，方便用戶對后期支護(hù)方式及參數(shù)的選取。巖石性質(zhì)參數(shù)查詢界面如圖2所示。

圖2 巖石性質(zhì)參數(shù)查詢界面Fig.2 The parameters database inquiry interface of rock properties

(3)軟巖支護(hù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。支護(hù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由龍口各礦區(qū)巷道斷面支護(hù)整理匯總而得。每一個支護(hù)案例不僅包括巷道斷面現(xiàn)有的支護(hù)方式、參數(shù)，還包括曾經(jīng)的優(yōu)化設(shè)計過程(包括曾使用過的支護(hù)及失敗原因)，為后期支護(hù)設(shè)計提供參考依據(jù)。可根據(jù)“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(hù)形”等數(shù)據(jù)。

3.2 參數(shù)化繪圖系統(tǒng)

參數(shù)化繪圖系統(tǒng)以AutoCAD為圖形支撐軟件，利用其內(nèi)嵌AutoLISP語言進(jìn)行二次開發(fā)，編制繪圖程序“.lsp”。在此基礎(chǔ)上，使用AutoCAD提供的對話框空間語言DCL，再配以AutoLISP的PDB函數(shù)(可編程對話框技術(shù))，創(chuàng)建、編寫支護(hù)參數(shù)對話框，實現(xiàn)人機(jī)交互功能。具體步驟如下[7]：

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

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

(3) 確定參數(shù)代表的物理實際意義與幾何關(guān)系，編寫繪圖程序。根據(jù)各繪圖參數(shù)所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸，按照繪制支護(hù)圖的順序編制程序，通過計算點位、坐標(biāo)變換、調(diào)用AutoCAD 系統(tǒng)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(yùn)行程序文件“l(fā)k.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(yīng)用程序) ，選擇.lsp文件并加載，然后運(yùn)行。在對話框中輸入?yún)?shù)后點擊“確定”按鈕，在界面內(nèi)指定一個基準(zhǔn)點，即可自動生成斷面支護(hù)圖。參數(shù)界面圖如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)設(shè)計生成系統(tǒng)參數(shù)界面Fig.3 The parameter interface of the roadway support design system

4 結(jié) 語

(1)本系統(tǒng)基于龍口礦區(qū)軟巖性質(zhì)、支護(hù)等數(shù)據(jù)庫設(shè)計編制而成，比一般參數(shù)化繪圖更加智能、科學(xué)，但也只適用于特定軟巖巷道，故使用廣泛性有待加強(qiáng)。

(2)系統(tǒng)界面友好，操作簡單，實用性強(qiáng)，規(guī)范性好，專業(yè)性強(qiáng)，繪圖出圖質(zhì)量高。

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

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(責(zé)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(xué)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