煤矿回采巷道支护设计专家系统的研究.pdf

分类号 单位代码 安筱理工大擎 A N H U IU N I V E R S I T YO FS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y 硕士学位论文 论文题目煤矿回采巷道支护设计专家系统的研究 作者姓名 王丽 学科专业计算机应用技术 导师姓名 孟祥瑞教授 完成时间 二oo 五年四月 煤矿同采巷道支护设计专家系统的研究 摘要 由于井下采矿涮的不断进行，常使回采巷道受到扰动而失稳。为确保地下采矿活动 的证常进行和工人的安全，必须对回采巷道进行支护。 回_ 采巷道支护方式及其参数的确定受众多因素的影响，包括地质、工程和生产技术 等；而且目前对矿压显现规律及支护与围岩相互作用规律还没有完全认识清楚，因此支护 方案的确定需要采用综合的方法和手段。传统的巷道支护设计依靠设计者个人的经验，缺 少宏观的、全面的、科学的依据。支护方式与参数选择不合理，造成巷道维护困难，阻碍 井下运输、通风，浪费人力和物力。随着网络技术和人工智能技术的发展和对采矿行业的 渗透，采用专家系统技术f 苦助计算机编制煤矿回采巷道支护专家系绕必将改变传统的巷道 支护设计方式，也将有助于推动煤炭工业的信息化建设。 本论文利用专家系统技术提炼出煤矿回采巷道的支护规则，并根据规则进行推理，最 终生成符合实际的支护方案。该系统包含大量理论成果和专家知识，根据提炼的规则构造 知识库，并对按照一定推理策略产生的支护方案进行技术经济评价。通过友好的人机界 面，工程技术人员只需进行基本的实验、测量并将结果整理输入到计算机中，就可以得到 较好的支护设计方案。 该专家系统充分利用支护设计方面已有的知识、经验和教训，全面考虑各种影响因 素，借助计算机和专家系统技术，以专家系统代替专家为支护设计提供可靠依据。而且通 过实例证明了该专家系统的有效性。因此对于回采巷道支护设计具有重要的理论和实践价 值。 关键词人工智能，专家系统，围岩分类，支护方式，面向对象，人机界面 煤矿l 口l 采巷道史护专家系统的研究 A b s t r a c t D u et ot h ed i s t u r b a n c er e s u l t e df r o mc o n s t a n tu n d e r g r o u n dm i n i n ga c t i v i t i e s ， t h ee x t r a c t i o no p e n i n gm o r eo f t e nt h a nn o tl o s e si t ss t a b i l i t y ．T oe n s u r et h er o u t i n e w o r ka n dt h es a f e t yo f t h em i n e r s ，s o m es u p p o r t i n gt y p em u s tb ea d o p t e dt os t a b i l i z e t h ee x t r a c t i o no p e n i n g ． T h ec h o i c eo ft h es u p p o r t i n gt y p ef o rt h ee x t r a c t i o no p e n i n ga n dt h ep a r a m e t e r s c o n c e m e da r ea f f e c t e db ym a n yf a c t o r ss u c ha sg e o l o g y ， e n g i n e e r i n g ， a n d p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ．M o r e o v e r ，f o r t h et i m eb e i n gw eh a v e n ’tf u l l yr e c o g n z e dt h e e m e r g e n c el a wo ft h es u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r ea n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e s u p p o r t i n ga n dt h er o c k s ．T h e r e f o r e ，t h ec h o i c eo fa c o r r e c ts u p p o r t i n gt y p ei st h e r e s u l to f s y n t h e s i so f m e t h o d s ．D e s i g n e r sa r eu s u a l l ye m p i r i c a li nt h e i rd e s i g no f t h e t r a d i t i o n a lt u n n e ls u p p o r t i n g ，w h i c hl a c k sm a c r o ，c o m p r e h e n s i v e ，a n ds c i e n t i f i c b a s e s ．1 1 1 eu n r e a s o n a b l ec h o i c eo ft h es u p p o r t i n gt y p ea n dt h ep a r a m e t e r sm a k e si t d i f f i c u l tt O p r o t e c tt h e t u n n e l ，h i n d e r st h e u n d e r g r o u n dt r a n s p o r t a t i o n a n d v e n t i l a t i o n ，a n dc a u s e saw a s t eo fh u m a np o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ．W i t l lt h e d e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n i q u e s a n da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e a sw e l la st h e i r p e n e t r a t i o ni n t o t h em i n i n gi n d u s t r y ，t od e s i g na ne x p e r ts y s t e mo ft h em i n i n g e x t r a c t i o nw o r k i n gf a c ea n dt u n n e ls u p p o r t i n gw i t ht h eh e l po fc o m p u t e ra n dt h r o u g h e x p e r ts y s t e mt e c h n i q u e sw i l ld e f i n i t e l y a l t e rt h ed e s i g n i n gm e t h o do ft r a d i t i o n a l s u p p o r t i n g ， a n dw i l lb ec o n d u c i v et op r o p e lt h ei n f o c o n s t r u c t i o no ft h em i n i n g i n d u s t r y ． T h i sd i s s e r t a t i o na i m st od r a wt h er u l e so f t h et u n n e ls u p p o r t i n gi naw o r k i n gf a c e b ym e a n so ft h ee x p e r ts y s t e mt e c h n i q u e s ， a n db ye x t e n s i o n ，t or e a s o ni n a c c o r d a n c ew i t ht h e s er o l e si no r d e rt oc o m eo u tw i t ht h es u p p o r t i n gt y p e ， w h i c h m e e t st h en e e d so fp r o d u c t i o n ．1 1 1 es y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so fal a r g en u m b e ro f t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la c h i e v e m e n t s ，c o n s t r u c t sa k n o w l e d g eb a s ea c c o r d i n gt ot h e r u l e st h u sd r a w n ，a n dc a r r i e so u ta ne v a l u a t i o no nt h es u p p o r t i n gt y p eg e n e r a t e d t h e r e b yb o t ht e c h n i c a l l ya n de c o n o m i c a l l y ．E n g i n e e r i n gt e c h n i c i a n sC a no b t a i naf a i r l y g o o ds u p p o r t i n gt y p et h r o u g ht h ef r i e n d l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ．W h a tt h e yn e e d t od oi sm e r e l yd os o m eb a s i ce x p e r i m e n t s ，m e a s u r e ，a n di n p u tt h ed a t ai n t ot h e c o m p u t e r ． T h ee x p e r ts y s t e mi sm o s tl i k e l yt ou t i l i z et h ee x i s t i n gk n o w l e d g e ，e x p e r i e n c e ， a n dl e s s o n si nd e s i g n i n gas u p p o r t i n gt y p e ，t a k e si n t of u l lc o n s i d e r a t i o nv a r i o u s f a c t o r s ，p r o v i d i n gar e l i a b l eb a s i sf o rt h es u p p o r t i n gd e s i g nw i t ht h eh e l po ft h e e x p e r ts y s t e mr a t h e rt h a nt h ee x p e r t s ．W h a t ’sm o r e ，t h ee x p e r ts y s t e mh a sb e e n p r o v e de f f i c i e n tt h r o u g ht h ep r a c t i c a lu s a g e ．S o ，t h ee x p e r ts y s t e mi so ft h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lv a l u ei nd e s i g n i n gt h es u p p o r t i n gt y p ei naw o r k i n gf a c e ． 【K e yw o r d s J a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ；e x p e r ts y s t e m ； r o c kc l a s s i f i c a t i o n s u p p o r t i n gt y p e ；o b j e c t o r i e n t e d ；h u m a n - - c o m p u t e ri n t e r f a c e Y7 7 ．6 7 1 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞微堡王盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名影两 签字日期肼朋艏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞微翌王太堂有保留、使用学 位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡王 太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保 密的学位论文在解密后适用本授权书 ． 全，以U ∥，一 签字日期声辱朋≯珀 签字日期力。辟朋形日 煤矿嗣采巷道支护设计专家系统的研究 第1 章绪论 1 1 问题的提出及选题的意义 1 ．1 ，1 问题的提出 近年来，随着煤炭的紧俏和煤炭行业的发展，矿井工程R 益增多。由于井下采矿活 动的不断进行，回采巷道常受到扰动而失稳，因此在丌发地下煤层的同时并保证矿工和矿 井安全的要求也越来越迫切。尤其是近n1 年来，i 莎僚发生自槲事故使国家和地区的利益 受到很大损失，更重要的是矿工的生命紧揪几心。 而且随着矿井丌采深度的增加，工作面回采机僦播呈度的提高，要求回采巷道断面加 大，因而使得矿压显现更加剧烈。在很多矿井中，由于巷道断面缩小，严重影响工作面运 输、通风，形成“爬行笥酋”，威胁井下的安全生产，也使得工作面机械生产能力不能充 分发挥。由此看来，安全、可靠的支护技术是咿L 井实现高产高效的 峪备条件，同时也是煤 炭丌发中的项关键技术。 众所周知，支护方式的确定及其参数受众多因素的影响，包括地质、工程和生产技术 因素等，因此正确的支护决策方案需要采用综合的方法和手段。传统的巷道支护设计，往 往依靠设计者个人的经验，缺乏宏观的、全面的、科学的依据，存在很大的人为因素、不 确定性和风险性。 随着网络技术和人工智能技术的发展和对煤矿行业的渗透，采用专家系统技术借助计 算机编制煤矿回采巷道支护专家系统必将改变传统的巷道支护设计方式，为煤炭工业的信 启北建设注入新鲜血液。专家系统技术是| I 则} 常实用和先进的技术，它能够保存和大面 积推广领域专家的宝贵知识，更有效的发挥各种专门人二4 ．的作用；同时作为哥中计算机系 统，继承了计算机快速、准确的特点，在某些方面比入类专家灵活，可以不受时间、地点 及人为因素的影响。因此问世以来得到了长足的发展，矿业科技工作者也普遍注意到专家 系统技术的发展，并研制出一些采矿方面的专家系统。因此，丌发回采巷道支护设计专家 系统是可行的，也是必要的。 但是，如何根据己知的地质条件、工程条件及周边环境等众多因素制定合理的支护设 计方案如何在保证矿井安全的6 口提下寻求最优的支护形式；如何利用以往的工程实践经 验指导今后的设计和施工；如何把 、类领域专家的知识保存到计算机中；如何模拟 类领 域专家的思维活动推理出合乎实践又最优的支护形式及参数等都是值得深入研究的问题。 1 ．1 ．2 选题的意义 专家系统技术利用大量的专家经验和实践知识，采用一定的推理策略得出结论。因 此，专家系统是具有专门领域专家水平的知识，并能像专家一样工作的智能程序系统。 煤矿回采巷道支护设计是一个面向工程技术人员的决策问题。巷道的支护设计涉及到 岩土工程、岩土力学、地质、施工等多学科的知识以及巷道所在地区的地质、坏境、施工 煤矿同采巷道支护设计专家系统的研究 等多方面的条件，并需要工程技术 、员具备丰富的工程实践经验。在支护设计的过程中有 一定的规律可循但又不完全精确，而且还需要做深一步的计算、工程类比、模拟、支护可 靠性等诸多方面的考虑。因此，只是依赖工程技术人员来做出判断是不全面的，需要借助 计算机技术这样先进的手段和工具进一步对支护设计方案进行精确，得到切合实际的支护 设计方案。 本文提出研究煤矿回采巷道支护设计专家系统的课题，是依托海孜矿的实际提出的。 将人工智能的新技术和面向对象技术相结合，解冼畴矿回采巷造炙护设计问题，具有广泛 的应用自噪，对提高煤矿现代化管理水平和经济效益，有非常重要的理论价值和现实意 叟。 1 ．2 国内外的研究现状 1 ．2 1 支护技术的研究现状 在煤矿井巷中，回采巷道要受到煤层开采形成的应力集中的影响，而且回采巷道支护 具有结构、形状和支护形式发生变化的特征，所以关于回采巷道支护的选择和维护相当困 难。随着矿井丌采深度的增加，工作面回采机械化程度提高，要求回采巷道断面加大，因 而使矿压显现更加剧烈，回采巷道支护问题在煤矿生产中越来越突出。 我们也知道，在井下巷道中，支架的作用主要是 ●防止巷道周围松脱的围岩向巷道空间滑落，保证巷道中行人、运输的安全和生产的 正常进行。 ●防I E 巷j 酋围岩松动圈内的岩体无限制地向巷道空| - 白J 移动，为保持巷道围岩的稳定提 供外界条件，并防止巷道围岩过大变形，为工作面} 亍人、通风和运输提供足够空问。 ●满足井下悬挂运输和其它方面的需要。 鉴于巷道支架对阻止或减少围岩的变形起重要作用，在设计巷道支护时，应选择与巷 道围岩变形状况相适应的支架形式与参数。 现在在我国，巷道支护使用的支架类型有金属支架 包括矿用工字钢、u 型钢、废钢 轨等各种钢材加工的支架 、锚丰T 及锚杆与其他曜；式组合的联合支护 包括锚粱、锚网、 锚喷等 、木支架、钢筋混凝土支架等。因为木支架的机械强度 抗扰、抗拉、抗弯、抗 剪、抗压 都取决于木材内部存在的纤维结构和自然缺陷，湿度对强度有很大影响，且它 易燃。所以近年来我国煤矿刚氐坑木消耗，以钢代木。但由于钢材是种较贵的材料，一 些矿井可自g 负担不起，所以我国在条件适宜的矿区推广锚十圾锚杆与其他形式组合的联合 支护，提高支护技术水平，保证煤矿机械化水平和噪炭产量的增长。 巷道支护设计方法通常有工程类比法、理论分析法和现场监控法。理论分析法往往作 为设计参考，因为回采巷道围岩地质条件复杂多变目难以描述，其理论模型和围岩力学参 数不易测准，在计算方法中难以反映施工支护时帆等因素的影响。现场监控法，以现场实 2 煤矿同采巷道支护设计专家系统的研究 测为依据，有利于人们分析判断，但这种测量只能在实际施工过程中使用，在支护方案及 参数设计阶段则表现无能为力，且该方法的使用仍受人为因素的影响。工程类比法则与设 计者的经验有很大关系，由于涉及地质和工程多方面的因素，因而很嘣折严格的类比。 所以支护设计一般是将多种设计，亨法组合起来使用，如现在比较流行的是将数值模拟方法 应用到煤巷锚杆支护设计中，根据实际条件和建立数唐模型的原则，通过现场地质资料调 查得到区域岩层地质力学参数作为模拟边界条件，建立数值漠拟模型。通过模拟得到不同 支护方式布置方案的各部分应力区分带隋况，继而对输出图形进行煤巷围岩和支护方式周 围应力的分析，得到合理的支护形式。 巷道围岩稳定胜与支护设计经过多年的发展，期间影响较大、自成体系的主要是新奥 法，即新奥地利隧道施工法，由奥地利学者Lv _ R , q i x c w i c z 教授总结前人在隧道方面的大 量实践经验后于1 9 6 4 年定名创立的。它既不是单纯的施工方法，也不是单纯的支护方 法，而是充分利用和调动巷道围岩强度与自身承载能力，按岩石力学、围岩支护共同作用 原理制定的套地下工程设计、施工、支护、检测新概念。从6 0 年代中期诞生以来，新 奥法在很多国家得以成功应用。7 0 年代被介绍到中国后，按该原理及要求组织的许多工 程取得了良好的技术经济效果。其次就是一些国家根据巷道围岩稳定陛分类，提出各类巷 道的支护形式与参数，采用工程类比法进行选择，如德国、波兰、西班牙的巷道围岩分类 和我国的回采巷道围岩稳定性分类方案、松动圈分类方案中都提供了建议的支护形式与参 数。还有的应用专家系统的方法进行巷道支护设计。 目盼，国外支护技术以澳大利亚、美国发展最为迅速，其锚杆支护技术水平居世界前 列。而近年来，我国的支护技术尤其是煤巷锚杆支护技术也发展迅速，正逐步进入高强度 预应力锚杆支护设计方法体系阶段以地应力为基础的锚杆支护设计方法已初见成效并F 1 益成熟；丌始采用高强度、全长锚卡T 支护系统，广泛采用煤巷锚杆动态信息设计法、三维 建模技术、锚网支护技术、锚梁网支护技术及瞄索支护技术等。我国煤巷锚杆支护技术经 过攻关，在很多方面取得了成功，锚杆支护的范围和规模在逐年增长，煤层从薄到厚，不 稳定层厚度8 ～1 0 m 以下的各类复合顶板；煤层也由硬到软，厂值n2 以上的各种散、 软、破碎煤层；断面由大到小直至综采 综放 工作面；采深6 0 0 ～1 0 0 0 m 的各类深井 高地应力巷道；从实体煤巷到沿空掘巷，锚杆支护几乎无所不在。从锚杆设计、支护材料 到舡工艺，安全监测等方面，已形成了适合于我国煤矿特点的煤巷锚杆支护成套技术， 兑直用范围从I ～V 类煤巷，煤巷锚f f 支护技术同趋成熟。 巷道支护的目的和任务是提高巷道的稳定性，使其在使用期间能满足生产的各种需 要。巷道所处的应力环境、围岩性质以及巷道支护是决定巷道稳定性的- - - - 3 c 因素。随着我 国煤炭工业的发展和各种先进科学技术在巷道支护中的应用，我国的巷道支护经历了几个 发展阶段 ●5 0 年代以煤柱护巷和刚性支护为特征，回采巷道一般均位于煤层中，大多采用煤柱护 巷，巷内支护仅限于刚性支架，通常采用梯形木支架，巷道维护十分困难。 煤矿同采巷道支护设计专家系统的研究 6 0 、7 0 年代以改革巷道布置及发展金属支架为特征，巷道布置在应力刚氐区或相对稳 定的岩层内，采用矿用工字钢为主的刚性支￡呶U 型钢可缩f 生支架，支架的承载能力和 支护强度都得到了明显改善，巷道的维护状况大大改善。 8 0 年代以后至今，以利用围岩自稳能力采用先进支护技术为特征，回采巷道采用组合 锚杆支护，可缩性金属支架支护和无煤柱护巷技术，巷道维护状况再度改善。 我国煤矿回采巷道支护虽然经历了很长一段时问的发展，仍然存在很多问题。这主要 有 1 巷道的支护形式与围岩的变形特性不相适应，巷道支护的参数选择不合理。这造成 巷道支架折损失效严重，维护困难，严重影响煤矿的生产和安全。 2 巷道支护用的装备和机具不配套。与支护材料，新型支架形式相比，支架安装、加 工、维修技术的发展还不配套。有些机具虽已生产，但质量不过关，影响巷道支护的质量 和速度。 3 与新材料、新工艺和新设备配套的技术措施、规程、规范等基础工作没有跟上，严 重影响新技术、新工艺的推广使用和技术效果。 1 ．22 支护设计专家系统现状 人工智能领域的研究是从1 9 5 6 年正式开始的，这年丁F 式使用了“人工智能” A I 雠耐h l d l i 艰聪，A I 这个术语。随后的几十年中，人们从问题求解、逻辑推理与定理证 明、自然语言理解、博弈、自动程序设计、专家系统、学习以及柄器人等多个角度展丌了 研究，已经建立了一些具有不同程度人工智目＆的计算机系统，例如能够求解微分方程、设 计分析集成电路、合成人类自然语言，而进行隋报检索，提供语音识别、手写体识别的多 模式接口，应用于疾病诊断的专家系统以及控制太空飞行器和水下机器入更加贴近我们的 生活。 矿业专家系统的丌发工作也已有2 0 多年的历史，研制出的矿业专家系统为数不少， 但真正用于实际的却不多，研究工作仍处于初线阶段。随着近几年 、工智能技术尤其是专 家系统技术和其他计算机技术的发展，矿业专家系统在实际的应用中取得了长足的进步。 系统名称所州手段或’语言单位研究人员 煤矿顿板锚杆支护专家系统 m 开发机A r i z o mU n i v e r s i t yD ㈣等 I 亓l 采巷道支护选刑与参数确定专家系统嘲语言煤科I 判b 京开采所 岩体分级专家系统P R 眦语言自叫E 人学冯夏庭 坑道分类专家系统 由自己开发 G 臣Ⅱs 话言张清等 评价煤旷唤皈支护专家系统 专家系统祠J 人．i | 神经网络美国国家矿务局斯波坎研究中心 巷道支护设计专家系统 英国煤炭公司 表1 - 1国内外著名的专家系统 煤矿同采巷道支护设计专家系统的研究 从表卜l 中可以看出，以自口的矿业专家系统在开发过程中一般使用具有较强符号处理 功能的人工智能语言L I S P 、P R 嘲与C L I P S 。随着计算机技术的发展，由传统 、工智能 语言丌发的专家系统在W i n d o w s 系统下不能很好的运行，丌发出的程序在时l n J 丌销、运行 效率、移植性、过程l 生干口实现的方便性等方面有很大的局限，不能满足实际应用的需要。 目前，国外已成功的将人工智能技术运用到回采巷道支护设计之中，建立了较完备的 支护设计知识库体系，并同时加入了使用理论计算进行设计的功能。自九十年代以来，国 内也有不少院校、专家对智能专家系统应用于地下工程支护设计这课题进行了大量的研 究和实践，并取得了丰硕的成果。 其中较为典型的有重庆建筑大学丌发的锚喷网支护设计专家系统S B s D 盼。它采用C 语 言编写，系统结构为模块式。S B 印既将岩体分级、支护设计与决策、绘图功能等集为一 体，围绕喷锚网支护设计方面的专家知识建立。系统主要由知识库、数据库、推理机、学 习机、解释器和人机接口几个部分组成，是非常典型而完善自q 专家系统结构。该系统包含 4 类知识围岩分类知识、支护设计知识、参数验算与决策知识、监控信息反馈知识，共2 2 个子知识库。咖系统主要功能有以 、机对话方式输入信息，自动建立待设计工程的 基础资料数据库对工程围岩进行稳定性分类；输出决策结果并给出施工要点；根据巷道 围岩变形的反馈信息，给出原设计的方案，快速修改原设计；能直观输出断面支护布置 图；可学习新的成功的工程实例，供设计参考。 另一典型为西南交通大学等丌发的锚喷网支护设计专家系统P 1 1 蕊。它出知识库、数据 库、推理机、解释器、知识获耿器、用户接口等六个部分组成。耐嫜结构分两层，第一 层结构存放工程围岩分类方面的知识，第二层结构用于存放喷锚网支护形式和支护参数选 择的经验年I I 知识。设计成这样的结构形式适合于分层推理，使得系统的知识库结构清晰， 在各分层推理过程中涉及的规则相对减少，从而加快了推理速度。在推理系统的研究上， 则归纳出“在确定支护形式时，专家是从己知的事实出发，逐步推断出新的结论，而在确 定支护参数时，专家是从提出假设出发，逐步找出假设成立所必须满足的所有基本事实” 这一规律。P 1 1 蕊系统的主要功自彦有以人机对{ 舌方式输 信息，自动建立待设计工程的基 础资料数据库对工程困岩进行围岩稳定性分类；根掘工程具体条件和工程要求，给出技 术上最为合理的1 - 砑中可采用的支护形式及支护参数，并给出各种可行支护方案的经济比 较；给出可行支护方案的具体施工指导；输出所需要的设计结果。 其它设计优良的系统还有中国矿业大学的徐州矿区回采巷道支护专家系统、端头支护 方式选择专家系统、基于松动圈理论的喷锚网支护设计专家系统；东北大学的面向对象的 井巷、酮室支护设计智能专家系统；山东矿业学院的顺槽巷道锚杆支护决策咨询系统 即匿包头钢铁学院的矿山巷道支护设计专家咨询系统和锚杆支护设计与选型专家系统； 安徽理工大学等开发的煤巷锚卡T 支护设计专家决策系统等。 综合看来，目前国内大部分的巷道支护设计智能专家系统基本上具有以下特征 1 形成了较为完善的知识库、推理机、解释器体系。 煤矿同采巷道支护设计专家系统的研究 2 知识的来源主要依靠以下几方面对国内地下支护工程的大范围调研以及对些典型支 护工程的深入性研究，据此总结出现场支护设计的经验近年来在国内外锚杆支护研究领 域中取得的批科研成果，即现有的些先进理论；对国内支护设计专家的知识的提炼总 结。 3 知识表达一般都采用下面方式用数学公式表达量化的知识；用Ⅱ”Ⅲ正N ．“的产生式规 则表达经验知识用常量或变量表达数值型的数据知识。 4 推理策略般都采用传统的正向推理或『F 反向推理。 5 部分专家系统兼顾了图形输出功能。 6 在工程效果预测方面，只有少量的系统有所考虑，如躅S 唧山东矿大的B D 匹。自口者主 要是通过观测实际变形然后结合系统进行设计修『F ，后者则采取调用围岩变形预测库及实 例知识库的方法加以预测。 总的来说在系统的体系、知识库构成、推理机制方面已经逐步健全和统一。但是由于 计算机技术的发展，如何利用计算机的新技术丌发出更高效、移植性更好、更能接近人类 专家思维的支护设计专家系统，目自i f j 丕没有锝至咐良好的解决方案。本系统尝试刊用面向对 象的知识表示方式柬构建知识库，尝试在现有推理机制的基础E 进行模糊推理，希望对煤 矿回采巷道的支护有一定帮助。 虽然，专家系统技术应用于矿业工程取得初步的成功，但还存茁蕾不少问题，主要表 现在以下几个方面 1 知识获取和表示的问题。依当自U 水平看，专家系统技术基本上仅适用于“窄而深”的 知谚{ 领域，而矿业工程所面临的大都是“宽而浅”的技术闯题。所以，如何在目前的 研究基础上，努力发展适于矿业专家系统丌发的知识工程方法，包括知识获取、知识 表示和推理控制方法，是矿业专家系统研究所面临的主要问题之一。 2 知识间上下文敏感性问题。出于矿业工程大都属“宽而浅”的问题，所以矿业知识问 上下文经常会出现不和谐甚至矛盾的现象，即知识问上下文的敏感性问题，这一问题 在目前的矿业专家系统中还未得到很好解决。 3 不确定性推理问题。在矿业领域中存在着大量的不确定信息的科学处理问题，或者说 是非线性问题。非线性问题不仅是矿业专家系统中所i 邑到的难题，而且它困扰着几乎 所有的矿业理论和技术，这一问题的解决有待于非线性科学 典型的如人工神经网 络、分形理论等 的进一步发展和完善。 上述问题的存在，限制了矿业专家系统的深入研究和在实践中的应用。所以，深入研 究解决这些问题的方法，进而丌发出具有实际应用价值的专家系统，是矿业专家系统研究 领域罩的当务之急。 6 煤矿同采巷道支护设计专家系统的研究 1 ．3 论文研究的主要内容和方法 1 ．31 论文研究的主要内容 论文研究的主要内容包括以下几个方面 1 研究不同地质、技术条件的支护方式的特点及其适用条件，考虑支护设计中存在的各 种影响因素。 2 收集、整理海孜矿各煤层的地质资料，包括煤岩层赋存参数、构造特征、节理裂隙发 育特征、层位、岩性变异性、水文地质条件、地压分布状况等。 3 进行巷道稳定性分类，针对具体巷道，运用计算机模拟计算，分析支护巷道在役期问 的变形与破坏状况，预测巷道的稳定性。 4 建立系统的总体架构。 5 收集支护技术专家的知识和经验，以及大量的工程数据，构建并丰富系统的知识库。 6 采用一定的推理策略实现支护方式的选择和支护参数的确定。 7 在满足安全和生产要求的自U 提下，对巷道支护设计做出经济评价。 8 采用面向对象技术进行该系统的研发。 9 针对海孜矿实例讲述如何利用该系统进行支护方案的生成、检验及调整。 1 ．3 ．2 研究方法 通过矿区的技术调查，进行分析煤岩体的力学实验、工程统计与类比等工作，建立矿 区的基础数据库；将现代工程优化技术、数值模拟计算技术等相结合实现系统动态优化功 能和支护效果的分析预澳9 功能；通过瑚代信息分析中有关不确定性、模糊性、随机性信息 的管理、挖掘和分析技术的联合运用采构筑专家系统的推理机。 首先建立专家系统的基础_ 巷道支护的信息管理系统∞S ，从而可以方便地对支护 方式和参数及有关信息进行增减、修改和查询。然后，分别建立计算和分析模型，利用规 程规定的些原则性的规则对待选方案进行逐条分析，并辅以数值计算，筛选出满足条件 的方案，再根据实际情况得出可行方案，最后，干佣实例对该系统进行分析评价，将最终 结果输出。在整个分析过程中充分体现 、与机器的交互性及专家的经验． 煤矿同采巷道支护设计专家系统的研究 第2 章回采巷道支护专家系统的分析与设计 2 1 问题领域分析 根据什么原则或依据来进行支护方式的设计昵 我们大家都知道，要设计回采巷道的 支护形式，并对支护参数进行合理选择，涉及到很多因素，地质的、生产的、周围环境 等。而且，随着煤炭丌采的深度和难度的增加，对巷道支护安全的要求也越来越高。由于 巷道的地质条件是复杂多变的，每种支护又不可能是力 能的，支护必须从设计丌始，根 据岩石力学原理，从矿区位置的地应力大小和方向，从巷道的断面形状的选择开始，爿能 达到良好效果。 21 ．1 选择回采巷道支护形式的原则 目前回采巷道支护形式与参数合理选择的依据主要有 1 对巷道围岩的稳定性进行分类，根据巷道围岩稳定性的类别和各种支架的特性，选 择合理的支架形式与参数。如1 9 8 7 年煤炭科学研究总院北京开采所与中国矿业大学 采矿系共同完成的“缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类”，就是利用模糊 聚类的方法，对影响回采巷道围岩稳定性的主要因素进行聚类分析，得出表示巷道 围岩稳定程度不同的5 个类别。虽然现在有人提出这种分类方法仍然不能满足我国 复杂多变的地质和矿井开采情况，但目自订仍是我国回采巷道支护设计中的主要依 据。其它的分类方法在这个基础上可以根据各矿区的实际情况根据其它的指标再进 行巷道围岩的细分。 2 集中采矿领域中专家群体的实践经验和国内外巷j 筐支护技术科学研究的成果，与人 工智能技术相结合，建造回采巷道支护形式与参数合理选择专家系统。 3 对巷道围岩变形的状况进行预计，根据对巷道围岩移近率预计值的大小，确定支护 的形式和参数。如德国埃森采矿研究中心在大量现场矿压观测、力学计算和模拟研 究的基础上，用数理统计的方法得出巷道围岩移近率的预计公式。利用该公式对巷 道围岩的移近率进行预计，并以此实行巷道支护设计和施工。 4 将巷道围岩的物理力学性质和生产技术影响因素综合成个与围岩稳定性有关的指 标。根据该指际的值决定巷道应选择的支护形式与参数。如波兰采矿研究院采用围 岩稳定性指数 ，来设计巷道支护形式与参数。 在我国，根据大量的巷道支护实践经验，般采用“圈岩一支护”模式来进行巷道支 护方式的设计。这个设计过程分为两个步骡 ①根据实际的生产条件和地质条件，对巷道围岩稳定性进行分类。 ②在每类中根据所采取的支护形式和参数，结合巷道的最终支护效果，分析所采用 支护形式与参数的合理眭，总结出某一具体条件下应选择的合理支护形式和参数。 煤矿同采巷道支护设计专家系统的研究 21 ．2 巷道围岩稳定性分