“線上”智能支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 油 周 園 王凱

（1.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000； 3.山東安科興業(yè)智能裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

我國絕大多數(shù)礦區(qū)的巷道支護(hù)技術(shù)主要依靠于工程類比的方法[1]，工程類比法在相似問題的研究中具有很高的效率，但是由于煤礦地質(zhì)水文條件復(fù)雜性以及現(xiàn)場技術(shù)人員技術(shù)的局限性，傳統(tǒng)支護(hù)技術(shù)可能導(dǎo)致支護(hù)強(qiáng)度不足或者支護(hù)強(qiáng)度過大的問題。為了解決上述兩個(gè)難題，提出了一種煤礦“線上”專家支護(hù)系統(tǒng)。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中收集了巷道支護(hù)專家的豐富經(jīng)驗(yàn)、地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)等信息，在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理機(jī)制下[2]，給出支護(hù)方案，生成支護(hù)報(bào)告。該系統(tǒng)有效解決了煤礦集團(tuán)信息傳播的問題和巷道支護(hù)不能科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的問題。

1 煤礦集團(tuán)信息展示模塊

用戶通過瀏覽器訪問煤礦集團(tuán)站點(diǎn)，發(fā)出URL請求，服務(wù)器收到相應(yīng)請求后將用戶所需信息通過瀏覽器反饋給用戶，如圖1。信息顯示模塊可以根據(jù)企業(yè)內(nèi)部信息的變化隨時(shí)檢查其適用性然后迅速做出相應(yīng)的調(diào)整或及時(shí)更換，具有很強(qiáng)的時(shí)效性[3]。

圖1 系統(tǒng)響應(yīng)流程圖

2 專家系統(tǒng)支護(hù)模塊

巷道支護(hù)工程受地質(zhì)條件、開采深度等多方面的影響，影響因素之間具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，很難建立線性數(shù)學(xué)模型，屬于非線性問題。專家系統(tǒng)是將專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中，模仿人類專家的推理方式，解決現(xiàn)實(shí)中的問題。傳統(tǒng)的巷道支護(hù)方法設(shè)計(jì)出的支護(hù)參數(shù)與巷道變形存在一定的偏差，支護(hù)安全可靠性差[4]，專家系統(tǒng)能夠考慮到影響問題解決的各種因素，綜合考慮各種因素后給出最優(yōu)解。

2.1 專家系統(tǒng)知識(shí)數(shù)據(jù)庫的建立

知識(shí)數(shù)據(jù)庫主要包括典型案例、巷道圍巖地質(zhì)條件數(shù)據(jù)、錨桿等支護(hù)材料數(shù)據(jù)、進(jìn)行BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法所需要的規(guī)則、公式等數(shù)據(jù)。知識(shí)庫作為專家系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,知識(shí)的多少和正確性是專家系統(tǒng)開發(fā)研制成敗的關(guān)鍵。知識(shí)庫中的數(shù)據(jù)不僅要具有真實(shí)性和科學(xué)性而且還要具有典型性和普遍適用性[5]。

（1）典型案例庫的建立

案例庫中收集了典型的工程案例，案例的巷道圍巖地質(zhì)條件具有代表性；巷道支護(hù)效果顯著，返修率低且經(jīng)得起時(shí)間的考驗(yàn)；各種指標(biāo)參數(shù)齊全且具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通過對課題組多年來的項(xiàng)目工程進(jìn)行整理總結(jié)、向煤礦工程師走訪調(diào)查得到典型工程案例36 條，并將煤礦巷道支護(hù)典型案例輸入到知識(shí)數(shù)據(jù)庫中。為了增加系統(tǒng)典型案例的數(shù)量，系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)能力，系統(tǒng)會(huì)將新案例和數(shù)據(jù)庫中的案例作比較，兩者相似度低于95%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)把新案例添加到數(shù)據(jù)庫中，以此不斷提高案例的全面性。在錨桿等支護(hù)材料的選取上，通過查詢資料和現(xiàn)場測試的方法選取了幾種典型的支護(hù)方式：錨桿、錨桿+鋼帶、錨桿+鋼筋梯、錨桿+鋼帶+網(wǎng)、錨桿+鋼帶+網(wǎng)+錨索。

（2）巷道支護(hù)影響因素的選擇

對巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各種影響參數(shù)，參數(shù)的選取應(yīng)具有較強(qiáng)的針對性，并且物理意義明確，便于現(xiàn)場采集。經(jīng)過查閱資料和實(shí)地研究，選取了巷道斷面情況、工程地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力情況。

（3）BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要包括三個(gè)模塊：輸入層、隱含層（中間層）和輸出層[6]。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)格的層次結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是：各層神經(jīng)元只能與相鄰神經(jīng)元相連；處于同層的神經(jīng)元不連接；連接中的信息只能單向傳輸。輸入層用來接收用戶輸入的各種參數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫[含層。隱含層對各參數(shù)的權(quán)值不斷調(diào)整，不斷提高判斷的準(zhǔn)確性，當(dāng)準(zhǔn)確率達(dá)到設(shè)定閾值后將結(jié)果傳入到輸出層反饋給用戶。本系統(tǒng)將巷道圍巖和地應(yīng)力等地質(zhì)條件作為輸入層，利用數(shù)據(jù)庫中的大量成功支護(hù)案例作為學(xué)習(xí)樣本，經(jīng)過隱含層的分析計(jì)算，設(shè)計(jì)出最佳支護(hù)方案如圖2。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 支護(hù)報(bào)告

支護(hù)報(bào)告模塊主要用來自動(dòng)生成煤礦巷道支護(hù)報(bào)告。用戶“提交”相應(yīng)參數(shù)后，系統(tǒng)激活BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)推理機(jī)制，結(jié)合圍巖地質(zhì)條件在支護(hù)報(bào)告頁面分別推薦出頂板、兩幫、底板以錨桿為核心的錨桿、噴射混凝土、錨索聯(lián)合支護(hù)方案，包括錨桿種類、直徑、間距、排距等信息。支護(hù)報(bào)告自動(dòng)輸出功能，是利用Microsoft Office Word 軟件提供的外用程序接口功能實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)由外用程序接口調(diào)用該軟件程序，然后與數(shù)據(jù)庫中推算出的數(shù)據(jù)結(jié)合，在支護(hù)報(bào)告中顯示出巷道的具體支護(hù)信息。支護(hù)報(bào)告如圖3。

圖3 支護(hù)報(bào)告

3 煤礦“線上”專家支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

3.1 煤礦集團(tuán)概括

山東礦區(qū)地理?xiàng)l件優(yōu)越，開挖出來的煤品質(zhì)優(yōu)良，但是煤礦信息化建設(shè)不足，企業(yè)的知名度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自身實(shí)力，喪失許多發(fā)展機(jī)會(huì)。礦區(qū)開采深度-700 m 左右，開采的3710 采煤工作面受煤巖體自重應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力的多重影響。頂板以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主，煤層直接底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為5 m，無裂隙發(fā)育。巷道受來壓時(shí)，頂板下沉、兩幫變形及底鼓現(xiàn)象明顯，頂板下沉平均500 mm，兩幫移近量平均500 mm，并出現(xiàn)了錨桿、錨索破斷等現(xiàn)象。為此，建立煤礦“線上”專家支護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)的建立提高了企業(yè)的知名度，樹立了企業(yè)形象，煤礦集團(tuán)的實(shí)時(shí)信息有效地進(jìn)行了傳播，顯著提高了煤礦集團(tuán)的核心競爭力，對于指導(dǎo)井下生產(chǎn)實(shí)踐，保證礦井的安全高效生產(chǎn)，提高煤礦綜合效益具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 專家支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用

煤礦“線上”專家支護(hù)系統(tǒng)工作流程圖如圖4。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

3.3 支護(hù)方案及其結(jié)果分析

系統(tǒng)中的專家支護(hù)功能對巷道支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)的控制策略，支護(hù)結(jié)果見表1。為檢測支護(hù)的有效性采用FLAC3D有限差分程序，選用Mohr-Coulomb 模型對支護(hù)后的圍巖進(jìn)行模擬分析，如圖 5。由圖5 可看出，支護(hù)后，圍巖應(yīng)力較大，頂板較大應(yīng)力區(qū)域集中在頂部，兩幫集中在兩幫中間區(qū)域。有效支護(hù)前頂板下沉量大于150 mm，巷道中部最大下沉量為190 mm，巷道兩幫中上段圍巖水平變形量均大于150 mm，左幫最大變形量為180 mm，右?guī)妥畲笞冃瘟?90 mm，兩幫相對移近量為370 mm，相對有效支護(hù)前頂板、兩幫的變形量均有明顯減小，支護(hù)效果顯著，圍巖自身承載能力顯著增強(qiáng)，保證了巷道的正常安全使用，證明了系統(tǒng)的可靠性。

表1 支護(hù)報(bào)告基本參數(shù)

圖5 支護(hù)模擬結(jié)果圖

4 結(jié)論

本文建立了煤礦“線上”專家支護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用HTML 制作技術(shù)，通過網(wǎng)頁將智能專家系統(tǒng)應(yīng)用于巷道支護(hù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)主要包括信息顯示模塊和礦井智能支護(hù)模塊。系統(tǒng)可通過手機(jī)或者計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下隨時(shí)隨地訪問，不受時(shí)間空間的限制。信息顯示模塊極大地提高了煤礦集團(tuán)信息的實(shí)時(shí)性傳播，提高了企業(yè)知名度和形象。通過將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，建立了煤礦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)決策系統(tǒng)，結(jié)合office 辦公軟件的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對煤礦巷道錨注支護(hù)方案與參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和煤礦巷道支護(hù)報(bào)告的自動(dòng)生成。將系統(tǒng)應(yīng)用于山東礦井，并對其進(jìn)行監(jiān)測，取得了良好的效果。本系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用為以后“手機(jī)辦公”和智能開采提供了有益的參考，也為智能支護(hù)設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑和方法?！熬€上”系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，能夠提高工作面生產(chǎn)技術(shù)管理能力，對實(shí)現(xiàn)礦山現(xiàn)代化管理具有實(shí)際意義。