馬鑫民，楊仁樹，張京泉，岳中文，郭東明

(1. 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.新汶礦業(yè)集團協(xié)莊煤礦，山東 新泰 271221)

煤礦錨桿支護可顯著提高支護效果，降低成本，減輕工人勞動強度，改善作業(yè)環(huán)境，已成為我國煤礦巷道主要的支護形式[1]。在我國礦山生產(chǎn)一線，巷道支護設(shè)計的技術(shù)工作多采用傳統(tǒng)的手工勞動，施工圖表的繪制是煤礦生產(chǎn)管理決策中十分重要而又經(jīng)常性的技術(shù)工作。由于支護設(shè)計工程量大、圖形數(shù)量多，即使現(xiàn)在利用了CAD，也很難在一定的時間內(nèi)完全滿足需求，尤其是各種斷面錨桿的布置斷面圖的繪制費時費力，對井下施工進度和生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大影響[2]。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展及迅速普及化，信息化已逐漸深入到了國民經(jīng)濟發(fā)展的各行各業(yè)。采用計算機智能化工程圖的繪制，是煤礦生產(chǎn)的迫切要求。目前，國內(nèi)外礦山技術(shù)人員已經(jīng)在這方面做了大量的研究和開發(fā)工作。肖福坤等[3]采用面向?qū)ο蟮挠嬎銠C編程技術(shù)和可視化的設(shè)計方法，利用人工智能等，科學(xué)開發(fā)了井巷支護設(shè)計的智能專家系統(tǒng)，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到專家系統(tǒng)，進行支護設(shè)計決策。王小平等[4]開發(fā)了煤礦采掘工程圖形管理系統(tǒng)軟件，利用了Visual Basic開發(fā)平臺，多任務(wù)開放環(huán)境技術(shù)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形與數(shù)據(jù)的動態(tài)交換技術(shù)、視窗軟件界面技術(shù)等，與傳統(tǒng)的采礦工程圖形設(shè)計和管理技術(shù)結(jié)合起來。王奇生，郭森[5]利用了AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了巷道斷面繪制程序，煤礦、地質(zhì)和測量專業(yè)符號繪制程序等,為西峪煤礦的設(shè)計工作帶來了便利。

在目前該領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)上，以協(xié)莊煤礦實際生產(chǎn)為模板，基于CAD平臺并利用VC++ & ObjectARX開發(fā)語言，豐富的井巷繪圖知識庫，開發(fā)具有智能化、自動化和良好人機交互界面的巷道錨桿支護繪圖系統(tǒng)，實現(xiàn)準(zhǔn)確、快捷、合理、自動繪制巷道錨桿支護斷面圖，指導(dǎo)井下安全高效施工。

1 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

依據(jù)我國煤礦巷道支護斷面圖繪制標(biāo)準(zhǔn)和實際工程應(yīng)用的具體要求，在掌握系統(tǒng)的服務(wù)對象、設(shè)計目的、結(jié)構(gòu)要素、性能指標(biāo)、工作環(huán)境、工作流程及系統(tǒng)保護策略的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，逐步建立系統(tǒng)的實體模型和概念模型。系統(tǒng)開發(fā)既要滿足目前的實用性，也要考慮到未來的發(fā)展與功能的需求，由此確定基本服務(wù)對象和內(nèi)容。開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分兩大部分，分別對應(yīng)著不同的巷道斷面形式。內(nèi)部又細分為主設(shè)計頁和設(shè)施布置，分別實現(xiàn)不同功能。用戶選擇不同的斷面形式時，系統(tǒng)會根據(jù)需求發(fā)出相應(yīng)信息，對用戶選擇進行判斷的同時并給出相應(yīng)的參數(shù)輸入界面。結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，充分實現(xiàn)了系統(tǒng)的高速、合理、安全、穩(wěn)定運行，同時也實現(xiàn)了使用簡便、易于操作。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1.3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計

(1)輸入模塊：巷道地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件等基本數(shù)據(jù)的輸入。

(2)知識庫模塊：是系統(tǒng)的核心部分，是系統(tǒng)智能化的體現(xiàn)，為推理提供支持。

(3)推理機模塊：與知識庫構(gòu)成了系統(tǒng)的核心，用來控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。

(4)數(shù)據(jù)模塊：存儲用戶輸入問題的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的各種信息。

(5)繪圖模塊：系統(tǒng)執(zhí)行模塊，是系統(tǒng)實現(xiàn)工程圖繪制的最后環(huán)節(jié)。

(6)解釋模塊：主要任務(wù)是處理人機對話，即對用戶的提問作出回答。

2 系統(tǒng)智能化設(shè)計

區(qū)別于其他一般繪圖工具的主要特點在于智能性，知識庫與推理機是系統(tǒng)的核心部分。

2.1 知識庫

2.1.1 知識獲取

知識是一切智能行為的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)采取的知識獲取方式有：

(1) 走訪煤礦巷道支護專家獲取知識；

(2) 在有關(guān)巷道錨桿支護的理論著作、規(guī)范、學(xué)術(shù)文獻中提取知識；

(3) 從新汶礦區(qū)各煤礦工程實例中總結(jié)知識；

(4) 與協(xié)莊煤礦礦區(qū)技術(shù)人員交流獲取經(jīng)驗性知識。

2.1.2 知識內(nèi)容

(1) 錨桿支護設(shè)計國家規(guī)范：包括經(jīng)過理論和大量實踐總結(jié)的巷道錨桿支護設(shè)計技術(shù)，安全規(guī)范措施。特殊情況下的包括煤巷和巖巷錨桿支護設(shè)計方案和參數(shù)選取范圍要求。

(2) 行業(yè)性的礦圖繪制規(guī)范：參照國家煤礦制圖標(biāo)準(zhǔn)化，對煤礦行業(yè)礦圖做出了具體和詳細的要求，統(tǒng)一礦圖繪制標(biāo)準(zhǔn)和圖例符號。

(3) 專家及工程技術(shù)人員知識：包括巷道錨桿支護領(lǐng)域?qū)＜遗c工程技術(shù)人員的支護理論和實際工程經(jīng)驗。

(4) 特殊巷道類型及支護參數(shù)知識：搜集、分析新汶礦業(yè)集團所屬礦區(qū)四所煤礦典型支護案例，進行歸納和總結(jié)。

2.1.3 知識表示

知識表示是將巷道支護設(shè)計繪圖知識表達成計算機能接受的語言形式，以利于開發(fā)、效率、速度和維護。巷道支護設(shè)計繪圖知識具有模糊性及離散性，繪圖涉及較多的參數(shù)和經(jīng)驗性、規(guī)范性的問題。如兩幫巷道最上部的錨桿的角度的控制，要在一定的范圍之內(nèi)；錨桿外露的長度也有一定的限制。巖巷和煤巷錨桿支護又有一定的特殊要求。受煤礦地質(zhì)條件及生產(chǎn)條件等影響，繪圖知識具有一定的復(fù)雜性和不確定性。

經(jīng)過對巷道支護理論及經(jīng)驗的調(diào)研、分析，確定以產(chǎn)生式規(guī)則來表示。產(chǎn)生式規(guī)則的基本思想是從初始的事實出發(fā)，不斷推出新的事實，直到得出結(jié)論為止?？奢^簡潔地表達繪圖的經(jīng)驗性和規(guī)范性知識；易于理解推理，便于人機交換信息。

規(guī)則X:如果(IF)前提1：巷道為梯形斷面；前提2：兩幫靠近底板的錨桿距離底板大于等于300mm；THEN：繼續(xù)按照兩幫設(shè)定的間距繪制最后一根錨桿。

2.2 推理機

推理機實質(zhì)是一組程序，用來控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作[6]。它根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，依據(jù)知識庫中的知識，按一定的推理策略去分析、判斷并解決問題。本系統(tǒng)采用的正向推理策略，即從基本事實出發(fā)，不斷推出新的事實，直至推出最終結(jié)論。

(1)巷道類型的判定：當(dāng)用戶選擇某種類型巷道時，推理機給出該巷道斷面圖繪制必要的繪圖參數(shù)、需要考慮的設(shè)施布置參數(shù)。

(2)錨桿布置的判定及推理計算：當(dāng)圖形繪制的基本參數(shù)確定后，系統(tǒng)依據(jù)巷道類型并根據(jù)輸入的原始數(shù)據(jù)對錨桿數(shù)量分析計算，根據(jù)知識庫中相關(guān)匹配知識的要求，進行后臺錨桿數(shù)量的計算和位置布置。

(3)合理安排附屬設(shè)施布置：對相應(yīng)的附屬設(shè)施布置，如軌道、風(fēng)筒等位置給予推理計算和自動繪制。

(4)自動控制用戶原始數(shù)據(jù)輸入：對用戶輸入的原始數(shù)據(jù)進行校驗和提醒，當(dāng)用戶輸入的數(shù)據(jù)超出規(guī)定范圍或誤差時，系統(tǒng)根據(jù)推理進行提醒或修正輸入，對于常用的數(shù)據(jù)系統(tǒng)會給出默認值。

3 系統(tǒng)運行及應(yīng)用實例

在協(xié)莊煤礦進行了系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試。新汶礦區(qū)是我國開采深度最大的礦區(qū)之一，平均開采深度已超過1000 m，最深達1300m。它集中了采深大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、礦井災(zāi)害多等條件, 使巷道維護極為困難[7]。巷道支護具有一定的代表性。以兩個典型的實例來說明系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.1 -850二采回風(fēng)上山

(1)實驗巷道地質(zhì)及生產(chǎn)條件

掘進巷道為-850二采回風(fēng)上山。掘進目的是形成生產(chǎn)系統(tǒng)，滿足通風(fēng)、行人、管線敷設(shè)的需要。巷道設(shè)計長度760m，服務(wù)10年。根據(jù)礦壓資料，斷層等特殊地點圍巖應(yīng)力集中。正常掘進沿四層煤頂板施工，直接頂為細砂巖，直接底為粉砂巖，老底為細砂巖。

(2)系統(tǒng)算法及繪圖的實現(xiàn)

基于巷道地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件以及巷道支護參數(shù)進行原始參數(shù)輸入?；诶L圖知識庫，推理機對用戶輸入和選擇的原始數(shù)據(jù)進行分析判斷，并給出相應(yīng)的推理結(jié)果，對斷面圖的關(guān)鍵部分進行計算控制。該梯形輪廓圖是在JX函數(shù)(自定義)下的代碼來實現(xiàn)的。在該函數(shù)里完成了巷道寬度、左右?guī)透咭约爸行木€的實現(xiàn)。而對于該類型巷道的錨桿布置以及標(biāo)注等的實現(xiàn)，是在函數(shù)Topanchor(頂板函數(shù))、Sidesanchor(兩幫函數(shù))、Railway、Windchannel、Waterpipe、Cable里完成的。函數(shù)的實現(xiàn)，是根據(jù)推理結(jié)果進行分步控制。

在附屬函數(shù)里，Topanchor與Sidesanchor功能實現(xiàn)最為關(guān)鍵和復(fù)雜。Topanchor函數(shù)的功能是繪制梯形巷道的頂部錨桿，由于頂部錨桿的繪制不僅要考慮錨桿的數(shù)量(包括奇偶數(shù))，還要考慮到靠近兩幫的傾斜錨桿的傾斜度與錨固端距兩幫的距離。

3.2 1202E回風(fēng)巷(車場)

(1)實驗巷道地質(zhì)及生產(chǎn)條件

掘進目的是為形成1202E工作面生產(chǎn)系統(tǒng)，滿足通風(fēng)、安裝、行人、運料及管線敷設(shè)需要。設(shè)計長度195m，服務(wù)兩年。根據(jù)附近已掘巷道的礦壓觀測資料，施工范圍內(nèi)地壓顯現(xiàn)明顯，斷層附近圍巖應(yīng)力集中，但對生產(chǎn)不構(gòu)成威脅。巷道正常沿二煤頂板掘進。直接頂為砂質(zhì)頁巖，性脆致密，水平層理發(fā)育，破碎易冒落；直接底為粘土巖，遇水膨脹變軟。

(2)系統(tǒng)算法及繪圖的實現(xiàn)

拱形巷道的實現(xiàn)過程同梯形有很多相似之處，其設(shè)計開發(fā)的重點仍然是錨桿的布置，這也是不同于梯形巷道之所在。對于不同的巷道類型，知識庫里會有相應(yīng)的匹配知識，推理機會根據(jù)用戶的選擇進行分析和判斷，并對特殊巷道或情況給出合理的繪圖方案。拱形巷道的實現(xiàn)，主要考慮錨桿數(shù)量的奇偶性以及靠近底板的錨桿的布置問題。對于梯形巷道，也分為了頂部(拱形部分)、左幫、右?guī)鸵约皟蓭妥畹筒康腻^桿布置。對于拱形與直墻的連接處，也依據(jù)知識庫進行了分析與判斷，目的是使錨桿的間距在整個圖形中做到一致?；谙锏赖刭|(zhì)及生產(chǎn)條件及前期的巷道支護設(shè)計參數(shù)。

3.3 智能繪圖系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

系統(tǒng)可依據(jù)知識庫及現(xiàn)場實際需求實現(xiàn)繪圖，保證了圖形的精確和規(guī)范。系統(tǒng)適應(yīng)各種類型巷道，生成的工程圖可以滿足井下施工的實際需要。系統(tǒng)運行可靠性、高效。

4 結(jié) 論

(1) 建立了以巷道錨桿支護相關(guān)知識為背景繪圖系統(tǒng)知識庫，知識庫的設(shè)計具有一定的前瞻性，并根據(jù)系統(tǒng)的通用性豐富并完善了知識庫內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，進行巷道錨桿支護設(shè)計斷面圖的繪制。實現(xiàn)了繪圖的智能、規(guī)范、準(zhǔn)確、合理。

(2) 基于CAD平臺并利用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言和可視化的開發(fā)方法，利用CAD強大的繪圖功能，實現(xiàn)圖形的最大化修改、編輯等操作，以滿足不同情況的實際需要。

(3) 系統(tǒng)以具代表性的協(xié)莊煤礦生產(chǎn)實際為背景進行開發(fā)，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

[1] 王金華.我國煤巷錨桿支護技術(shù)的新發(fā)展[J].煤炭學(xué)報，2007，32(2).

[2] 楊仁樹，馬鑫民，張博，等.協(xié)莊煤礦巷道爆破設(shè)計專家系統(tǒng)研究.中國爆破新技術(shù)II[M]，北京： 冶金工業(yè)出版社，2008.

[3] 肖福坤，孫豁然，劉曉軍，等.煤礦巷道支護智能決策系統(tǒng)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2004，23(3).

[4] 王小平，林在康，李向陽.煤礦采掘工程圖形CAD管理系統(tǒng)軟件的研制[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996，25(3).

[5] 王奇生，郭森.AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)在礦圖繪制中的應(yīng)用[J].山西焦煤科技，2007(11).

[6] 李效甫，姚建國.回采巷道支護形式與參數(shù)合理選擇專家系統(tǒng)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

[7] 王懷新，周明.高強錨桿支護材料在深井的開發(fā)應(yīng)用[J].礦山壓力與頂板管理，2002，19 (1).