張新蠻

(霍州煤電集團三交河煤礦，山西 洪洞 416000)

巷道支護專家系統(tǒng)軟件是一個面向煤礦現(xiàn)場工程技術(shù)人員、通過運用專家解決實際問題的推理機制，對輸入信息進行處理、歸納和演繹，最終代替巷道支護專家對各種復(fù)雜的巷道支護問題做出判斷和決策的智能軟件。目前，國內(nèi)學(xué)者馬鑫民、王麗圍繞回采巷道進行了錨桿支護設(shè)計輔助系統(tǒng)研究[1-2]。張軍針對寺河煤礦特點進行了巷道支護計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)研究[3]。但是這些研究都沒有很好解決AutoCAD和Itasca FLAC2D等軟件進行混合編程的問題。

本文針對霍州煤電集團的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件，從巷道支護專家系統(tǒng)軟件的需求出發(fā)，實現(xiàn)軟件的各項功能。軟件的基本開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual C++6.0，同時與Microsoft Visual Basic 6.0、AutoCAD以及Itasca FLAC2D等軟件進行混合編程。

1 巷道支護設(shè)計模塊

1.1 圍巖地質(zhì)力學(xué)評估模塊

實踐證明，只有符合現(xiàn)場客觀條件的設(shè)計才能夠真正解決現(xiàn)場實際問題，優(yōu)秀的設(shè)計必須建立在全面、準(zhǔn)確的巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)資料和實際生產(chǎn)技術(shù)上，因此，在巷道初始支護設(shè)計之前進行圍巖地質(zhì)力學(xué)評估，以建立盡可能詳實可靠的地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)資料，這對初始支護設(shè)計的成敗起著至關(guān)重要的作用。圍巖地質(zhì)力學(xué)評估模塊就是為實現(xiàn)這一目標(biāo)而設(shè)計的，通過軟件的提示和引導(dǎo)，使用戶科學(xué)準(zhǔn)確的輸入的有關(guān)巷道支護設(shè)計的基本資料，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的基本資料，通過后臺的運算和處理，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能夠識別的巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估資料。圍巖地質(zhì)力學(xué)評估模塊分為：巷道的使用特征、巷道圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力情況、工程地質(zhì)環(huán)境。

1.2 圍巖穩(wěn)定狀況分析模塊

巷道圍巖穩(wěn)定狀況分析模塊在前面對巷道地應(yīng)力、圍巖力學(xué)性質(zhì)以及巷道工程地質(zhì)狀況進行準(zhǔn)確、科學(xué)評估的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬計算的手段對巷道圍巖變形破壞特征進行分析，同時利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理和方法對巷道圍巖穩(wěn)定性類別進行科學(xué)的預(yù)測，從而為解決在一定的地質(zhì)和技術(shù)條件下，巷道圍巖穩(wěn)定性的狀況、所需的支護強度、應(yīng)選擇的支護形式、主要支護參數(shù)及需采取的措施等一系列有關(guān)巷道支護的問題，同時也為合理選擇各類巷道的支護形式及其參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。圍巖穩(wěn)定狀況分析模塊分為：圍巖變形特征、巷道穩(wěn)定性分類指標(biāo)和圍巖穩(wěn)定性類別預(yù)測。

1.3 巷道初始支護設(shè)計模塊

巷道初始支護設(shè)計是在對巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)進行正確地評估以及對巷道圍巖穩(wěn)定性進行合理地評價的基礎(chǔ)上進行的，其設(shè)計的科學(xué)性與合理性直接關(guān)系到錨桿支護工程的質(zhì)量優(yōu)劣、是否安全可靠以及經(jīng)濟是否合理等重要問題。針對霍州煤電集團的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件，在借鑒目前國內(nèi)外現(xiàn)有的錨桿支護設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，提出了一套以正交數(shù)值模擬試驗分析為主體，輔以工程類比分析和理論計算的巷道錨桿初始支護設(shè)計方法(Bolt Support Design Method，BSDM)。巷道初始支護設(shè)計模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巷道初始支護設(shè)計模塊結(jié)構(gòu)圖

1.4 巷道反饋支護設(shè)計模塊

煤礦錨桿初始設(shè)計提出以后，井下工程按此設(shè)計進行施工，在施工中立即進行礦壓觀測與支護監(jiān)測。如果施工中通過眾多的信息反饋發(fā)現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定性不夠好則需根據(jù)反饋信息及時修正設(shè)計，調(diào)整支護參數(shù)；還未施工的巷道則按照修改后的設(shè)計進行施工，因此修改設(shè)計必須盡早進行。煤礦錨桿支護信息反饋修正設(shè)計的核心是根據(jù)現(xiàn)場眾多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從中篩選出能夠綜合反映巷道圍巖穩(wěn)定狀況和錨桿支護效果的反饋指標(biāo)，并利用工程數(shù)學(xué)方法進行回歸分析，給出觀測數(shù)據(jù)變化曲線，進而得出信息反饋內(nèi)容；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合巷道具體的條件和圍巖穩(wěn)定性分類情況，綜合考慮確定每個反饋指標(biāo)的一個極限“警界值”，如果信息反饋數(shù)據(jù)中的一項或多項超過該“警界值”時，就需要對初始支護設(shè)計進行及時地修正。

2 系統(tǒng)接口設(shè)計模塊

2.1 系統(tǒng)與ITASCA FLAC2D接口技術(shù)的實現(xiàn)

實踐證明，錨桿支護初始設(shè)計采用數(shù)值計算是可行的，而且與目前應(yīng)用較普遍的工程類比分析、理論計算等錨桿支護設(shè)計方法相比，數(shù)值計算方法可以考慮眾多影響巷道圍巖變形、破壞和錨桿支護作用，在多方案的基礎(chǔ)上，選出最優(yōu)方案，具有較高的科學(xué)性和合理性。因此，巷道支護專家系統(tǒng)可以借助大變形數(shù)值模擬軟件FLAC2D進行巷道支護設(shè)計，即通過接口技術(shù)的研制，實現(xiàn)各子系統(tǒng)與數(shù)值模擬軟件之間的數(shù)據(jù)交換，使得巷道支護專家系統(tǒng)能夠模擬人類專家的思維來控制和應(yīng)用FLAC2D數(shù)值模擬軟件，并根據(jù)軟件的計算結(jié)果，綜合工程類比分析和理論計算分析等方法合理確定出巷道初始支護設(shè)計方案。

為實現(xiàn)FLAC2D軟件的自動建模，需利用FLAC中的FISH語言來編制通用的模擬巷道錨桿支護的數(shù)值計算程序。FLAC自動建模算法設(shè)計正是充分利用了FISH從文件讀、寫數(shù)據(jù)的能力，其基本的設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)FLAC2D自動建模的基本思路

2.2 系統(tǒng)與AutoCAD接口技術(shù)的實現(xiàn)

在巷道支護專家系統(tǒng)中，利用Microsoft Visual Basic 6.0進行AutoCAD二次開發(fā)，它是基于新的ActiveX自動化界面技術(shù)。AutoCAD ActiveX技術(shù)使用戶可以通過AutoCAD暴露出來的信息，用其他應(yīng)用程序(如VB)通過編程從AutoCAD內(nèi)部或外部來控制和操縱AutoCAD。因此，可以用VB語言編程，將AutoCAD當(dāng)成VB程序中的一個圖形窗口，并對其進行打開、繪圖、編輯、打印和關(guān)閉等操作，然后再將VB開發(fā)好的AutoCAD繪圖程序集成到巷道支護專家系統(tǒng)中。

利用Microsoft Visual Basic 6.0環(huán)境實現(xiàn)對AutoCAD二次開發(fā)的首要條件是要在開發(fā)環(huán)境中引入Active Automation技術(shù)，即在VB中選擇AutoCAD作為其對象，并對需要操作的具體對象按照AutoCAD對象的樹狀結(jié)構(gòu)逐級遍歷。當(dāng)引入AutoCAD對象后，可以完成對AutoCAD繪制錨桿支護施工布置圖的二次開發(fā)。

3 數(shù)據(jù)庫管理設(shè)計模塊

為提高巷道支護專家系統(tǒng)對知識庫和綜合數(shù)據(jù)庫的訪問效率，同時便于對數(shù)據(jù)庫進行管理、修改和維護，采用結(jié)構(gòu)簡單、功能強大的Microsoft Access數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)后臺，利用ADO數(shù)據(jù)庫操作技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)對知識庫和數(shù)據(jù)庫的訪問。ADO 是Microsoft最新的對象層次上的數(shù)據(jù)操作技術(shù)，它為操作OLE DB數(shù)據(jù)源提供了一套高層次自動化接口，它支持多種編程語言，使用非常方便。

根據(jù)ADO提供的對象與方法，利用C++可以十分方便地實現(xiàn)巷道支護專家系統(tǒng)對知識庫與數(shù)據(jù)的訪問、修改和維護等操作。

4 系統(tǒng)界面設(shè)計模塊

4.1 巷道支護專家系統(tǒng)主要界面

依據(jù)界面設(shè)計的基本原則，利用VC++中MFC的“文檔/視圖”結(jié)構(gòu)設(shè)計了巷道支護專家系統(tǒng)的基本界面框架。MFC“文檔/視圖”結(jié)構(gòu)的最大特點是把數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)表示分離開來，與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫與視圖的關(guān)系類似。所有對數(shù)據(jù)的修改由文檔對象來完成，可以用視圖調(diào)用這個對象的方法來訪問和更新數(shù)據(jù)。在MFC應(yīng)用程序框架中，文檔和視圖的關(guān)系主要體現(xiàn)在文檔類和視圖類的對象相互作用和相互訪問上。在巷道支護專家系統(tǒng)的“文檔/視圖”中主要涉及到四種類，即：依據(jù)設(shè)計的基本“文檔/視圖”架構(gòu)平臺，在上面對其進一步進行修飾，即添加各種窗體、控件以及圖片的等元素，從而建立一個能夠被礦區(qū)工程技術(shù)人員理解的界面，進而實現(xiàn)巷道支護專家系統(tǒng)的全部功能。

4.2 系統(tǒng)基本運行過程

1)啟動巷道支護專家系統(tǒng)軟件RSES。

2)在啟動界面上單擊，或者經(jīng)過5s，自動進入系統(tǒng)主界面。此時，可以新建一個巷道支護設(shè)計工程或者打開一個已經(jīng)存在的巷道支護設(shè)計工程。如果選擇“新建巷道支護工程”，系統(tǒng)將以您輸入的工程名稱在指定位置新建一個文件夾，以后設(shè)計過程中所有的數(shù)據(jù)都將保存到該文件夾。如果選擇“打開一個已經(jīng)存在的巷道支護設(shè)計工程”，您可以將已經(jīng)保存的巷道支護設(shè)計文件(文件后綴名為*.rsd)打開。

3)在主界面中單擊確定以后，則可進入巷道支護設(shè)計的工作區(qū)。

在該工作區(qū)中，按照“圍巖地質(zhì)力學(xué)評估”→“圍巖穩(wěn)定狀況分析”→“巷道初始支護設(shè)計”→“巷道反饋支護設(shè)計”4個步驟就可以完成巷道合理支護方案與支護參數(shù)的確定。在該過程中，為防止數(shù)據(jù)丟失，請及時進行保存。

5 結(jié)論

1)根據(jù)專家系統(tǒng)的基本設(shè)計原理，針對霍州煤電集團的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件，運用模塊化的思想將巷道支護專家系統(tǒng)軟件分解為4大模塊，即支護設(shè)計模塊、接口設(shè)計模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和界面設(shè)計模塊。

2)從巷道支護專家系統(tǒng)軟件的需求出發(fā)，采用Microsoft Visual C++6.0作為軟件的開發(fā)環(huán)境，同時與Microsoft Visual Basic 6.0、AutoCAD以及Itasca FLAC2D等軟件進行混合編程，完成了每個模塊的詳細設(shè)計與功能，成功實現(xiàn)了霍州煤電集團巷道支護專家系統(tǒng)(RSES)的開發(fā)。

[1] 馬鑫民. 回采巷道錨桿支護設(shè)計輔助系統(tǒng)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2007.

[2] 王麗. 煤礦回采巷道支護設(shè)計專家系統(tǒng)的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2005.

[3] 張軍. 寺河煤礦巷道支護計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2009.