一種煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，它包括通過處理用戶輸入的數據或者調用相關知識庫中的參數實現對巷道圍巖穩定性的分類與評估的巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統；基于系統內部知識庫內的樣本巷道訓練BP神經網絡建立訓練模型實現該巷道的錨桿支護參數智能匹配的錨桿支護參數智能匹配子系統；根據錨桿支護參數智能能匹配子系統得到的錨桿支護參數基于懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論、能量理論進行理論驗算，自動對各種支護方案進行分析，以選取滿足巷道圍巖變形要求的支護方案作為最優支護方案推薦給用戶的支護設計驗證與優化子系統。本系統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，促進了我國煤礦巷道錨桿支護技術的健康發展。
【專利說明】一種煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于煤礦巷道錨桿支護設計與優化的系統。
【背景技術】
[0002]隨著煤炭工業的發展，我國高產高效工作面越來越多，產量大幅度增長。煤礦采掘支護是十分重要的生產環節。錨桿技術是一項系統工程，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。由于地質條件的復雜性和不確定性，支護工程設計中各種參數的選擇、巖體及巖石各種性質的近似描述，支護效果的最終評價都依賴專家的經驗和個人的知識水平，由于無法用定量或統一的標準做判據，不免帶有較大的隨意性和盲目性，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，要么巷道支護強度不夠，不能有效控制圍巖變形，進而導致巷道出現冒頂片幫等事故；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。加強科技創新，實現煤炭企業信息資源的管理，加快信息化的建設，對于煤炭企業的高效、安全生產具有深遠的影響和巨大的作用。隨著經濟快速發展和計算機及其應用知識的普及，把計算機知識應用到煤礦生產設計中，具有極其重要的理論意義和生產實踐意義。
[0003]煤炭系統由于生產的特殊性，在計算機方面技術的應用和其它行業相比，還是比較落后的。在我國礦山生產的第一線的許多單位，技術工作仍是采用傳統的人海戰術和手工勞動，不僅浪費大量的技術力量，而且不宜進行科學管理。因此，應用計算機技術進行煤礦生產設計和生產管理系統的開發是現代化煤礦必須首先解決的問題。
[0004]目前的錨桿支護設計系統操作繁瑣，需要用戶輸入的參數過于繁雜、過于專業，很多數據一般生產現場難以獲得，且要求用戶具有較高的專業水平。這樣就限制了此類系統在生產實際中的推廣使用。

【發明內容】

[0005]本發明目的是為了克服現有技術的不足而提供一種智能化煤巷錨桿支護設計與優化系統。
[0006]為達到上述目的，本發明采用的技術方案是:一種煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，它包括，
[0007]巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統，其通過處理用戶輸入的數據或者調用相關知識庫中的參數，實現對巷道圍巖穩定性的分類與評估；
[0008]錨桿支護參數智能匹配子系統，其通過運用BP神經網絡原理，基于系統內部知識庫內的樣本巷道訓練BP神經網絡，建立訓練模型，用戶提供的巷道的具體相關參數后實現該巷道的錨桿支護參數智能匹配；
[0009]支護設計驗證與優化子系統，其根據所述的錨桿支護參數智能匹配子系統得到的錨桿支護參數基于懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論進行理論驗算，并調入數值模擬模塊，自動進行FLAC3D建模、模擬、優化處理，自動對各種支護方案進行分析，以選取滿足巷道圍巖變形要求的支護方案作為最優支護方案推薦給用戶。
[0010]優化地，所述的巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統自動根據導入的樣本數據，依據基于等價關系的模糊聚類法自動完成樣本數據的預處理、標準化、加權、標定、聚類處理，并根據用戶選擇或者系統自動判斷將樣本巷道進行分類，給出聚類中心。
[0011]優化地，所述的系統巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統內部創建有一套基礎樣本數據。
[0012]優化地，所述的巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統選定頂板強度、兩幫強度、底板強度、巷道埋深、直接頂初次垮落步距、頂高比、煤柱寬度、最大水平主應力等參數作為巷道圍巖穩定性分類與評價指標，用戶輸入新掘巷道的與上述參數相對應的數據，系統自動基于模糊綜合評判方法對該巷道圍巖穩定性進行評判，得到該巷道的圍巖穩定性類別。
[0013]優化地，所述的錨桿支護參數智能匹配子系統，其將用于巷道圍巖穩定性所需的參數進行巷道參數的預測并運算，所述的運算包括先對樣本數據及支護參數知識庫進行學習訓練，得到優化后的權值及閥值，而后將已輸入的待預測參數，與權值、閥值進行計算，得到系統預測的支護基本參數值。
[0014]優化地，所述的巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統與錨桿支護參數智能匹配子系統以及支護設計驗證與優化子系統作為一個相互關聯的一個整體使用，一次性且系統地完成巷道的圍巖穩定性分類、錨桿支護參數智能匹配、支護方案智能優化工作。
[0015]優化地，所述的巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統與錨桿支護參數智能匹配子系統以及支護設計驗證與優化子系統根據用戶的實際情況分別獨立。
[0016]由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:本系統利用智能專家系統對錨桿支護進行定量分析與優化設計，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，提高支護安全，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和數字礦山的發展。系統建立基于相關專家、8大礦區典型案例“專家級”知識庫以提供參考數據供用戶調用，使得用戶在只輸入較少、實際可獲得數據的前提下就可以滿足錨桿設計的數據需求；系統秉承了簡約的界面設計，“傻瓜式”的操作模式，易于掌握和使用；智能化方案決策，提高支護設計合理性和生產管理規范性、標準化；內容豐富的“專家級別”巷道支護知識庫，有效保障支護方案決策的科學性和準確性；人性化和靈活的原始參數輸入和選擇機制，真正實現了系統的實用、可用、能用、易用的開發目標；完善的使用說明和幫助系統，有效提高技術人員設計水平。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]附圖1是本發明的煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統流程圖；
[0018]附圖2是本發明的巷道圍巖指標獲取與相應穩定性分類系統流程圖；
[0019]附圖3是本發明的錨桿支護參數智能匹配子系統流程圖；
[0020]附圖4是本發明的支護設計驗證與優化子系統流程圖；【具體實施方式】
[0021]下面將結合附圖對本發明優選實施方案進行詳細說明:
[0022]本發明的煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，如圖1所示，其包括巷道圍巖指標獲取與穩定性子類系統、錨桿支護參數智能匹配子系統、支護設計驗證與優化子系統。具體如下:
[0023] 一、巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統
[0024]如圖2所示，在巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統中，系統選定了頂板強度σ w、兩幫強度。胃、底板強度。、巷道埋深H、直接頂初次垮落步距L、頂高比N、煤柱寬度B、最大水平主應力011等8個參數作為巷道圍巖穩定性分類與評價指標。用戶可以通過操作界面輸入相關數據，系統同時也通過調研分析、整理收集相關資料在內部自帶有圍巖物理力學參數知識庫、地應力知識庫等知識庫，以便用戶在難以獲取相關數據時參考選用。
[0025]子系統初始使用時需要導入一定數量的典型巷道樣本以完成圍巖穩定性分類工作。系統可自動根據導入的樣本數據，依據基于等價關系的模糊聚類法自動完成樣本數據的預處理、標準化、加權、標定、聚類等處理，并可以根據用戶選擇或者系統自動判斷將樣本巷道進行分類，并給出聚類中心。系統內部也有一套基礎樣本，以便用戶在難以獲得樣本時調用。
[0026]在完成分類工作后，用戶輸入新掘巷道的8個相關數據，系統自動基于模糊綜合評判方法對該巷道圍巖穩定性進行評判，得到該巷道的圍巖穩定性類別。
[0027]具體處理方式為:
[0028](一 )巷道圍巖穩定性聚類
[0029]1.輸入數據預處理
[0030]將輸入η條巷道樣本的信息，每條巷道8個指標，分別為頂板強度σ w、兩幫強度σ A!、底板強度。--、巷道埋深H、直接頂初次垮落步距L、頂高比N、煤柱寬度B、最大水平主應力oh。則即為一個nX8的矩陣。
[0031]數據的預處理:
[0032]
【權利要求】
1.一種煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，其特征在于:它包括， 巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統，其通過處理用戶輸入的數據或者調用相關知識庫中的參數，實現對巷道圍巖穩定性的分類與評估； 錨桿支護參數智能匹配子系統，其通過運用BP神經網絡原理，基于系統內部知識庫內的樣本巷道訓練練BP神經網絡，建立訓練模型，用戶提供的巷道的具體相關參數后實現該巷道的錨桿支護參數智能匹配； 支護設計驗證與優化子系統，其根據所述的錨桿支護參數智能匹配子系統得到的錨桿支護參數基于懸吊理論、給合梁理論、組合拱理論進行理論驗算，并調入數值模擬模塊，自動進行FLAC3D建模、模擬、優化處理，自動對各種支護方案進行分析，以選取滿足巷道圍巖變形要求的支護方案作為最優支護方案推薦給用戶。
2.根據權利要求1所述的煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，其特征在于:所述的巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統自動根據導入的樣本數據，依據基于等價關系的模糊聚類法自動完成樣本數據的預處理、標推化、加權、標定、聚類處理，并根據用戶選擇或者系統自動判斷將樣本巷道進行分類，紿出聚類中心。
3.根據權利要求2所述的煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，其特征在于:所述的系統巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統內部創建有一套基礎樣本數據。
4.根據權利要求2所述的煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，其特征在于:所述的巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統選定頂板強度、兩幫強度、底板強度、巷道埋深、直接頂初次垮落步距、頂高比、煤柱寬度、最大水平主應力等參數作為巷道圍巖穩定性分類與評價指標，用戶輸入新掘巷道的與上述參數相對應的數據，系統自動基于模糊綜合評判方法對該巷道圍巖穩定性進行評判，得到該巷道的圍巖穩定性類別。
5.根據權利要求1所述的煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，其特征在于:所述的錨桿支護參數智能能匹配子系統，其將用于巷道圍巖穩定性所需的參數進行巷道參數的預測并運算，所述的運算包括先對樣本數據及支護參數知識庫進行學習訓練，得到優化后的權值及閥值，而后將已輸入的待預測參數，與權值、閥值進行計算，得到系統預測的支護基本參數值。
6.根據權利要求1所述的煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，其特征在于:所述的巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統與錨桿支護參數智能匹配子系統以及支護設計驗證與優化子系統作為一個相互關聯的一個整體使用，一次性且系統地完成巷道的圍巖穩定性分類、錨桿支護參數智能匹配、支護方案智能優化工作。
7.根據權利要求1所述的煤巷錨桿支護自動智能設計與優化系統，其特征在于:所述的巷道圍巖指標獲取與穩定性分類子系統與錨桿支護參數智能匹配子系統以及支護設計驗證與優化子系統根據用戶的實際情況分別獨立。
【文檔編號】G06F17/50GK103984788SQ201310746911
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】馬鑫民, 王茂源, 楊仁樹, 欒利建, 萬為民, 陳凱 申請人:中國礦業大學(北京)