專利名稱：一種煤礦巷道錨桿支護智能設計方法
技術領域：
本發明涉及一種煤礦巷道錨桿支護設計方法，特別是一種煤礦巷道錨桿支護智能 設計方法。
背景技術：
錨桿支護是一項系統工程，它涉及到設計、施工、支護材料、實測技術手段等各個 方面。錨桿支護設計是錨桿支護工程中的一項關鍵技術，關系到錨桿支護工程的質量優劣、 是否安全可靠以及經濟是否合理等重要問題。如果錨桿支護形式和參數選擇不合理，往往 會造成兩種極端，即要么巷道支護強度不夠，不能有效控制圍巖的變形，進而導致巷道出現 冒頂偏幫等事故；要么巷道支護強度太高，不僅浪費支護材料，而且降低了巷道掘進速度， 嚴重影響了礦井經濟效益的提高。我國煤礦每年掘進巷道總長度達千萬米，但是由于煤礦工程地質條件以及生產技 術條件的復雜性，巷道錨桿支護設計一直存在著很大的問題，錨桿支護設計方法廣泛地采 用工程類比分析法，這種設計方法缺乏有效的技術手段去從根本上定量地計算分析錨桿支 護的一些關鍵性的技術問題，譬如，在支護設計上無法定量的考慮地應力這一最重要因素 的影響，對許多問題只能憑猜測和假設，在實際應用中暴露出了很大的缺點和局限性，設計 者的主觀隨意性對設計結果影響很大。目前，國內錨桿支護設計方法長期地停留在工程類比法或經驗法的水平上，沒有 真正建立起符合巷道圍巖變形破壞特征的錨桿支護理論和設計方法。錨桿支護方式的先進 性與支護參數設計的粗糙性之間的矛盾是制約煤礦錨桿支護技術發展的瓶頸。煤礦復雜困 難條件下錨桿支護方案設計以及一般條件下錨桿支護設計優化是難以解決的問題。

發明內容
本發明的目的是要提供一種煤礦巷道錨桿支護智能設計方法，解決煤礦復雜困難 條件下錨桿支護方案設計以及一般條件下錨桿支護設計優化難題。本發明的目的是這樣實現的該設計方法是利用智能專家系統進行錨桿支護動態 信息反饋設計的方法，具體步驟為
(1)收集巷道基本地質及生產情況資料，測試巷道圍巖物理力學性質及地應力水平， 建立錨桿支護設計的基礎數據庫；
(2)利用智能專家系統進行巷道圍巖地質力學評估，評價巷道圍巖穩定性等級，獲得 錨桿支護設計所需的相關參數；
(3)利用智能專家系統建立巷道錨桿支護方案及參數推理、計算、優化模型，確定一種 或幾種合理的錨桿支護初始設計方案；
(4)選擇一種初始方案在現場施工、監測，將監測信息實時反饋到智能專家系統中；
(5)利用智能專家系統判斷初始設計方案的合理性，對錨桿支護結構與參數進行必要 的修正，修正后的設計再次循環進行現場施工、監測和驗證，直至最終設計形成；所述的智能專家系統，首先通過用戶接口進入圍巖地質力學評估模塊，在該模塊中輸 入相關圍巖地質力學參數后，系統在后臺自動建立圍巖地質力學數據庫和知識庫；然后進 入系統初始設計推理模塊，在該模塊中，系統自動調用已建立的圍巖地質力學數據庫，分別 進行巷道圍巖變形破壞的數值計算分析、巷道圍巖穩定性評價分析、錨桿初始支護方案優 化計算分析，初步確定一種或幾種合理的支護設計方案；然后進入系統的后處理模塊中，通 過后處理模塊將系統設計結果反饋給用戶，在系統后處理模塊中，用戶可以根據自己需要 查看錨桿支護施工布置圖，分析錨桿支護成本及經濟效益，生成錨桿初始支護設計報告；當 用戶接受系統的設計方案以后，可立即組織工人進行現場施工和監測，并將監測結果及時 地反饋到系統修正設計模塊中；在系統修正設計模塊中，系統自動判斷初始設計方案的合 理性，對不合理的支護方案依據一定的原則自動進行修正，給出反饋修正設計方案和設計 報告；當用戶接受反饋修正設計方案以后需再次循環進行現場施工、監測和驗證，直至最終 設計方案形成。有益效果是將錨桿支護設計看作一個動態過程，能較好地適應煤礦巷道地質條 件復雜、多變的特點；以實驗室圍巖物理力學性質的測試結果以及現場地質力學的評估信 息為基礎，利用智能專家系統對錨桿支護的全過程進行動態、定量的分析與優化設計，有效 地保證了錨桿支護結構與參數的科學性與合理性，提高了錨桿支護系統的可靠性，實現了 錨桿支護的效益最大化，從根本上改變了目前我國錨桿支護廣泛采用的工程類比法的缺點 和局限性，促進了我國煤礦巷道錨桿支護技術的健康發展；錨桿支護動態設計的過程有機 地集成于智能專家系統，繁雜的計算、優化、推理過程嵌入到軟件的后臺處理中，不需要操 作者具備深厚的數學和力學基礎和豐富的現場錨桿支護經驗，能夠廣泛地面向煤礦現場一 線的工程技術人員，具有很強的實用性。解決了煤礦復雜困難條件下錨桿支護方案設計以 及一般條件下錨桿支護設計優化的難題，達到了本發明的目的。優點利用智能專家系統對錨桿支護的全過程進行動態、定量的分析與優化設計， 有效地保證了錨桿支護結構與參數的科學性與合理性；從根本上改變了目前我國錨桿支護 廣泛采用的工程類比法的缺點和局限性，促進了我國煤礦巷道錨桿支護技術的健康發展； 不需要操作者具備深厚的數學和力學基礎和豐富的現場錨桿支護經驗，能夠廣泛地面向煤 礦現場一線的工程技術人員，具有很強的實用性。


圖1是本發明利用智能專家系統進行錨桿支護動態設計的方法流程圖。圖2是本發明的智能專家系統的基本功能模型圖。圖3是本發明的智能專家系統的設計流程圖。
具體實施例方式實施例1 本發明將錨桿支護設計視為一個隨圍巖條件變化的動態過程，主要包 括以下步驟
(1)收集巷道基本地質及生產情況資料，測試巷道圍巖物理力學性質及地應力水平， 建立錨桿支護設計的基礎數據庫；
對礦井進行全面的地質力學調查，系統測試巷道圍巖物理力學性質及地應力水平，獲得錨桿支護設計所需的基本地質力學參數。(2)利用智能專家系統進行巷道圍巖地質力學評估，評價巷道圍巖穩定性等級， 獲得錨桿支護設計所需的相關參數；
進行圍巖地質力學評估主要包括地應力評估、圍巖力學性質評估、工程地質狀況評估 以及巷道圍巖穩定性評價。①地應力評估針對具體礦區地域分布特點以及巖層構造的特征，采用應力解除 法或其它方法，進行系統的地應力實測工作，建立整個礦區的地應力數據庫，以供專家系統 進行支護設計時查詢使用。②圍巖力學性質評估主要包括兩個方面，一是從具體礦井的主采煤層中收集典 型的巖石試樣，對其圍巖物理力學性質進行實驗室的測試與分析，建立巷道圍巖物理力學 性質數據庫；二是考慮巖體節理裂隙以及地下水等情況，對巖體質量進行綜合評估，并根據 評估結果對實驗室獲得的巖石力學參數進行修正，得出可以用于指導工程實踐的巖體力學 參數。③工程地質狀況評估主要包括巷道使用特征調查、地質構造影響程度評估和巷 道受到周圍采動影響程度評估。其中，巷道使用的特征主要包括巷道類型、巷道斷面尺寸和 方位、巷道埋深以及巷道掘進方式等；地質構造影響程度評估依據地質構造的不同作用特 征進行，將其對巷道圍巖穩定性的影響程度分為4個等級輕微、較重、嚴重和很嚴重；巷道 受到周圍采動影響程度評估采用采動影響時圍巖的最大法向應力值與巷道所處位置的自 重應力的比值來描述。④巷道圍巖穩定性評價通過對巷道地應力、圍巖力學性質以及巷道工程地質狀 況進行準確、科學評估，依據具體礦區的調研、統計和實測樣本，采用模糊聚類分析方法和 人工神經網絡相結合的方法對巷道圍巖穩定性狀況評價。(3)利用智能專家系統進行錨桿支護初始設計，建立巷道錨桿支護方案及參數推 理、計算、優化模型，確定一種或幾種合理的錨桿支護初始設計方案；
針對礦區的具體工程地質條件與生產技術條件，以正交數值模擬試驗分析為主，以工 程類比與理論計算分析為輔的方法，確定錨桿幾何參數、力學參數、鉆孔與錨固參數、錨桿 布置參數、護網參數、托梁參數及錨索補強參數等。確定錨桿支護方案后，需對每種方案的 錨桿支護成本進行核算分析，力求以最少的生產耗費取得最大的經濟效益。①正交數值模擬試驗分析依據巷道圍巖穩定性分類結果，從宏觀上確定巷道所 需支護強度，初步選擇幾種可行的錨桿支護參數，按照正交試驗設計法的基本原理，合理地 安排具有代表性的各種試驗方案，借助大變形數值模擬軟件FLAC進行數值計算，最后根據 數值計算的結果，通過極差分析確定出最優的支護參數組合。②理論計算分析根據巷道圍巖的具體條件，選擇合適的錨桿支護理論(如懸吊 理論、組合拱理論等)，建立力學模型，通過計算給出錨桿支護參數解析解。③專家系統推理分析通過收集錨桿支護專家的豐富經驗知識及地質學和巖石 力學信息知識，將其總結分析，形成錨桿支護設計知識庫，系統利用知識庫與推理機模擬專 家思維進行推理，全面考慮各種影響因素，合理的確定各種可行的支護方案。錨桿支護專家 系統的水平和實用化程度取決于專家知識的水平和推理的科學性，系統結構的核心是知識 庫的結構和推理機制。根據知識庫中的知識選用合適的搜索控制策略去求解問題，是推理機的任務。根據錨桿支護工程專家在處理巷道支護問題時的基本思維過程，采用3類基本 推理機制(即產生式規則推理、神經網絡推理，計算模式推理)來合理地確定巷道錨桿支護方案。④錨桿支護成本分析為了保證礦井在安全生產的前提下節約巷道成本，需要對 礦井生產經營過程的各個環節進行科學、合理的管理，力求以最少的生產耗費取得最大的 經濟效益。錨桿支護成本的計算并不復雜，只需要羅列出每米巷道所用到的各種錨桿支護 材料單價和數量，則很容易計算出每米巷道錨桿支護成本。設每米巷道頂板錨桿、左幫錨
桿、右幫錨桿、錨索數量分為風，
AT3 ,馮，Jf4套/米，其單價為與，i|,巧元/套；托梁數量為馮千克/米，其單價為J| 元/千克；護網為數量為街米，其單價為趕元/米2 ；樹脂錨固劑的數量為瑪根/米，其單 價為芎元/根，則每米巷道錨桿支護成本i 可用下式計算
7
P = J^P, N,
j-4
因此，整條巷道的錨桿支護成本茗可以表示為
P 二 p_ L
式中P—每米巷道的錨桿支護成本，元/米； ￡ 一巷道總長度，米。(4)進行現場施工監測，將監測信息實時反饋到智能專家系統中；
依據錨桿初始支護設計所提供的參數進行實際施工以后，第二階段的現場施工監控即 隨之開始。現場施工監測主要是對巷道圍巖變形與破壞狀況，錨桿(索)受力分布和大小 進行全面、系統的監測，獲得巷道圍巖及支護的實際信息，從而驗證錨桿初始支護設計的合 理性和可靠性，判斷巷道圍巖的穩定程度和安全性，并為下一步修正錨桿支護設計參數提 供科學準確可靠的信息。選擇與巷道頂板圍巖穩定狀況有關的監控內容包括頂板下沉量，錨固區內、外的 離層值，圍巖深部位移，錨桿受力及其分布狀況；選擇與巷道兩幫圍巖穩定狀況有關的監測 內容包括巷道表面收斂、圍巖深部位移、錨桿受力等，基本內容包括巷道表面收斂、圍巖深 部位移、幫錨桿的受力、頂板下沉量、頂板錨固區內外的離層值、頂板錨桿受力的大小及分布。(5)利用智能專家系統進行信息反饋修正設計，判斷初始設計方案的合理性，對 錨桿支護結構與參數進行必要的修正，修正后的設計再次循環進行現場施工、監測和驗證， 直至最終設計形成。根據現場眾多的監測數據，從中篩選出能夠綜合反映巷道圍巖穩定狀況和錨桿支 護效果的反饋指標，利用工程數學方法進行回歸分析，給出觀測數據變化曲線，得出信息反 饋內容；結合巷道具體的條件和圍巖穩定性分類情況，綜合考慮確定每個反饋指標的一個 極限“警界值”，如果信息反饋數據中的一項或多項超過該“警界值”時，就需要對初始支護 設計進行及時地修正。修正后的設計再次循環進行現場施工、監測和驗證，直至最終設計形
6成。監測信息反饋指標選取及警界值確定選擇巷道錨桿支護頂板離層值、兩幫相對 移近量、錨桿與錨索受力3個方面的6個指標作為監測信息反饋指標，分別采用瑪、S。、r/、
c、U表示
瑪一錨固區內頂板離層值，mm ； 足一錨固區外頂板離層值，mm; i/一兩幫相對移近量，mm;
C一全長錨固測力錨桿桿體測點屈服數與桿體測點總數的比值； 忍一端部錨固錨桿軸向載荷，KN ； ^一錨索軸向載荷，KN。監測信息反饋指標的警界值必須準確確定，它是關系到巷道錨桿支護的安全性和 經濟性的重要指標，如果反饋指標值過于保守，將增加巷道支護成本，導致材料浪費；反之， 不能保證巷道安全，容易出現事故，失去監測的意義。針對礦區具體工程地質條件與生產技 術條件，可以通過現場較長時間的礦壓觀測與支護監測，總結巷道圍巖位移發展規律，結合 巷道圍巖穩定性的分類結果，利用巖土工程力學計算軟件FLAC2d進行的數值模擬優化分析
計算，來初步確定巷道的錨桿支護監測信息反饋指標的警界值，分別記為[劃、[氏]Λυ]、由于煤礦巷道圍巖條件的復雜性，因此根本不可能理想地確定錨桿支護監測信息 反饋指標的警界值，初步提出的監測信息反饋指標警界值在使用時必須考慮一定的安全系 數。此外，由于不同巷道的監測指標數據相差很大，因此，必須針對待研究巷道的具體條件 及特殊性，將參考值與實測數值進行對比分析，及時調整監測信息反饋指標警界值。②修正設計修正設計是根據監測結果和信息反饋的情況，依據已經確定的反饋 指標警界值，將實測值與其進行逐項比較分析，進而判斷初始支護設計的合理性，并及時地 進行修正。設錨桿支護監測指標的實測值為爲、.S。、f/、c、I；、Tt ,各指標的“警界值”為、[？/j、[c]、[rs]、[i]；則根據它們之間的相互關系，可以確定修正與不修正錨桿
初始支護設計的準則。當監測信息反饋指標同時滿足以下6個條件時，錨桿初始支護設計不需 要進行修 1]· Si^Si] ； S0<[S0] ； U<[U] ； C<[C] ； 0.45 [Γ6]<Γ4 <0.70 [T61 ；
0.45 - [Tt ]< Tc <0.70-[ Tj。在上述6個條件中有1個或者多個不滿足時，就需要修正初始支護設計。修正時， 需遵循以下基本準則
(a)錨固區內頂板位移量處于臨界警界值或超過警界值，即禺，說明錨桿間排距
過大，應適當減小錨桿間排距或外加錨桿根數；若巖層變形位移量過小，說明錨桿間排距過小，可適當放大錨桿間排距。(b)錨固區外頂板位移量處于臨界警界值或超過警界值，即S。2[S。j，說明錨桿
長度不夠，應適當增加錨桿長度；若巖層變形位移量過小，說明錨桿長度偏大，可適當減小 錨桿長度。(c)兩幫表面位移量處于臨界警界值或超過警界值，即 /2[ /，說明兩幫錨桿長
度和間排距不夠，應適當增加錨桿長度和減小錨桿問排距；反之若兩幫相對位移量過小可 適當增大錨桿間排距。(d)若錨桿受力過大，錨桿處于臨界屈服狀態，即，說明錨桿桿體太細，應 適當增大錨桿桿體直徑或采用錨索補強。(e)若錨桿或錨索的錨固力過小，即.Oiri]或者K.2〗，說明錨桿結構不合 理，應增加錨桿或錨索長度，改進托盤形狀與錨桿錨固方式。以上5條準則在具體實施的過程中，可以按照表1來確定具體的錨桿初始支護設 計的修正方案與參數。表1信息反饋修正設計準則
權利要求
一種煤礦巷道錨桿支護智能設計方法，其特征是該設計方法是利用智能專家系統進行錨桿支護動態信息反饋設計的方法，具體步驟為(1) 收集巷道基本地質及生產情況資料，測試巷道圍巖物理力學性質及地應力水平，建立錨桿支護設計的基礎數據庫；(2) 利用智能專家系統進行巷道圍巖地質力學評估，評價巷道圍巖穩定性等級，獲得錨桿支護設計所需的相關參數；(3) 利用智能專家系統建立巷道錨桿支護方案及參數推理、計算、優化模型，確定一種或幾種合理的錨桿支護初始設計方案；(4) 選擇一種初始方案在現場施工、監測，將監測信息實時反饋到智能專家系統中；(5) 利用智能專家系統判斷初始設計方案的合理性，對錨桿支護結構與參數進行必要的修正，修正后的設計再次循環進行現場施工、監測和驗證，直至最終設計形成；所述的智能專家系統，首先通過用戶接口進入圍巖地質力學評估模塊，在該模塊中輸入相關圍巖地質力學參數后，系統在后臺自動建立圍巖地質力學數據庫和知識庫；然后進入系統初始設計推理模塊，在該模塊中，系統自動調用已建立的圍巖地質力學數據庫，分別進行巷道圍巖變形破壞的數值計算分析、巷道圍巖穩定性評價分析、錨桿初始支護方案優化計算分析，初步確定一種或幾種合理的支護設計方案；然后進入系統的后處理模塊中，通過后處理模塊將系統設計結果反饋給用戶，在系統后處理模塊中，用戶可以根據自己需要查看錨桿支護施工布置圖，分析錨桿支護成本及經濟效益，生成錨桿初始支護設計報告；當用戶接受系統的設計方案以后，可立即組織工人進行現場施工和監測，并將監測結果及時地反饋到系統修正設計模塊中；在系統修正設計模塊中，系統自動判斷初始設計方案的合理性，對不合理的支護方案依據一定的原則自動進行修正，給出反饋修正設計方案和設計報告；當用戶接受反饋修正設計方案以后需再次循環進行現場施工、監測和驗證，直至最終設計方案形成。
全文摘要
一種煤礦巷道錨桿支護智能設計方法，屬于煤礦巷道錨桿支護設計方法。該設計方法包括收集巷道基本情況資料，測試巷道圍巖物理力學性質及地應力水平，建立錨桿支護設計基礎數據庫；利用智能專家系統進行圍巖地質力學評估，獲得錨桿支護設計所需參數；利用智能專家系統建立錨桿支護方案及參數推理、計算、優化模型，確定初始設計方案；在現場施工、監測，將監測信息實時反饋到智能專家系統中；利用智能專家系統判斷初始設計方案的合理性，進行必要的修正，修正后的設計再次循環進行現場施工、監測和驗證，直至最終設計形成。本方法解決了煤礦支護材料浪費嚴重、巷道安全性差等問題，能夠面向現場工程技術人員，有廣泛的實用性。
文檔編號G06F17/50GK101968825SQ20101055536
公開日2011年2月9日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者張蓓, 李玉杰, 王連國, 陸銀龍 申請人:中國礦業大學