专利名称：一种煤矿巷道锚杆支护智能设计方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿巷道锚杆支护设计方法，特别是一种煤矿巷道锚杆支护智能 设计方法。
背景技术：
锚杆支护是一项系统工程，它涉及到设计、施工、支护材料、实测技术手段等各个 方面。锚杆支护设计是锚杆支护工程中的一项关键技术，关系到锚杆支护工程的质量优劣、 是否安全可靠以及经济是否合理等重要问题。如果锚杆支护形式和参数选择不合理，往往 会造成两种极端，即要么巷道支护强度不够，不能有效控制围岩的变形，进而导致巷道出现 冒顶偏帮等事故；要么巷道支护强度太高，不仅浪费支护材料，而且降低了巷道掘进速度， 严重影响了矿井经济效益的提高。我国煤矿每年掘进巷道总长度达千万米，但是由于煤矿工程地质条件以及生产技 术条件的复杂性，巷道锚杆支护设计一直存在着很大的问题，锚杆支护设计方法广泛地采 用工程类比分析法，这种设计方法缺乏有效的技术手段去从根本上定量地计算分析锚杆支 护的一些关键性的技术问题，譬如，在支护设计上无法定量的考虑地应力这一最重要因素 的影响，对许多问题只能凭猜测和假设，在实际应用中暴露出了很大的缺点和局限性，设计 者的主观随意性对设计结果影响很大。目前，国内锚杆支护设计方法长期地停留在工程类比法或经验法的水平上，没有 真正建立起符合巷道围岩变形破坏特征的锚杆支护理论和设计方法。锚杆支护方式的先进 性与支护参数设计的粗糙性之间的矛盾是制约煤矿锚杆支护技术发展的瓶颈。煤矿复杂困 难条件下锚杆支护方案设计以及一般条件下锚杆支护设计优化是难以解决的问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种煤矿巷道锚杆支护智能设计方法，解决煤矿复杂困难 条件下锚杆支护方案设计以及一般条件下锚杆支护设计优化难题。本发明的目的是这样实现的该设计方法是利用智能专家系统进行锚杆支护动态 信息反馈设计的方法，具体步骤为
(1)收集巷道基本地质及生产情况资料，测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平， 建立锚杆支护设计的基础数据库；
(2)利用智能专家系统进行巷道围岩地质力学评估，评价巷道围岩稳定性等级，获得 锚杆支护设计所需的相关参数；
(3)利用智能专家系统建立巷道锚杆支护方案及参数推理、计算、优化模型，确定一种 或几种合理的锚杆支护初始设计方案；
(4)选择一种初始方案在现场施工、监测，将监测信息实时反馈到智能专家系统中；
(5)利用智能专家系统判断初始设计方案的合理性，对锚杆支护结构与参数进行必要 的修正，修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计形成；所述的智能专家系统，首先通过用户接口进入围岩地质力学评估模块，在该模块中输 入相关围岩地质力学参数后，系统在后台自动建立围岩地质力学数据库和知识库；然后进 入系统初始设计推理模块，在该模块中，系统自动调用已建立的围岩地质力学数据库，分别 进行巷道围岩变形破坏的数值计算分析、巷道围岩稳定性评价分析、锚杆初始支护方案优 化计算分析，初步确定一种或几种合理的支护设计方案；然后进入系统的后处理模块中，通 过后处理模块将系统设计结果反馈给用户，在系统后处理模块中，用户可以根据自己需要 查看锚杆支护施工布置图，分析锚杆支护成本及经济效益，生成锚杆初始支护设计报告；当 用户接受系统的设计方案以后，可立即组织工人进行现场施工和监测，并将监测结果及时 地反馈到系统修正设计模块中；在系统修正设计模块中，系统自动判断初始设计方案的合 理性，对不合理的支护方案依据一定的原则自动进行修正，给出反馈修正设计方案和设计 报告；当用户接受反馈修正设计方案以后需再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终 设计方案形成。有益效果是将锚杆支护设计看作一个动态过程，能较好地适应煤矿巷道地质条 件复杂、多变的特点；以实验室围岩物理力学性质的测试结果以及现场地质力学的评估信 息为基础，利用智能专家系统对锚杆支护的全过程进行动态、定量的分析与优化设计，有效 地保证了锚杆支护结构与参数的科学性与合理性，提高了锚杆支护系统的可靠性，实现了 锚杆支护的效益最大化，从根本上改变了目前我国锚杆支护广泛采用的工程类比法的缺点 和局限性，促进了我国煤矿巷道锚杆支护技术的健康发展；锚杆支护动态设计的过程有机 地集成于智能专家系统，繁杂的计算、优化、推理过程嵌入到软件的后台处理中，不需要操 作者具备深厚的数学和力学基础和丰富的现场锚杆支护经验，能够广泛地面向煤矿现场一 线的工程技术人员，具有很强的实用性。解决了煤矿复杂困难条件下锚杆支护方案设计以 及一般条件下锚杆支护设计优化的难题，达到了本发明的目的。优点利用智能专家系统对锚杆支护的全过程进行动态、定量的分析与优化设计， 有效地保证了锚杆支护结构与参数的科学性与合理性；从根本上改变了目前我国锚杆支护 广泛采用的工程类比法的缺点和局限性，促进了我国煤矿巷道锚杆支护技术的健康发展； 不需要操作者具备深厚的数学和力学基础和丰富的现场锚杆支护经验，能够广泛地面向煤 矿现场一线的工程技术人员，具有很强的实用性。
图1是本发明利用智能专家系统进行锚杆支护动态设计的方法流程图。图2是本发明的智能专家系统的基本功能模型图。图3是本发明的智能专家系统的设计流程图。
具体实施例方式实施例1 本发明将锚杆支护设计视为一个随围岩条件变化的动态过程，主要包 括以下步骤
(1)收集巷道基本地质及生产情况资料，测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平， 建立锚杆支护设计的基础数据库；
对矿井进行全面的地质力学调查，系统测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平，获得锚杆支护设计所需的基本地质力学参数。(2)利用智能专家系统进行巷道围岩地质力学评估，评价巷道围岩稳定性等级， 获得锚杆支护设计所需的相关参数；
进行围岩地质力学评估主要包括地应力评估、围岩力学性质评估、工程地质状况评估 以及巷道围岩稳定性评价。①地应力评估针对具体矿区地域分布特点以及岩层构造的特征，采用应力解除 法或其它方法，进行系统的地应力实测工作，建立整个矿区的地应力数据库，以供专家系统 进行支护设计时查询使用。②围岩力学性质评估主要包括两个方面，一是从具体矿井的主采煤层中收集典 型的岩石试样，对其围岩物理力学性质进行实验室的测试与分析，建立巷道围岩物理力学 性质数据库；二是考虑岩体节理裂隙以及地下水等情况，对岩体质量进行综合评估，并根据 评估结果对实验室获得的岩石力学参数进行修正，得出可以用于指导工程实践的岩体力学 参数。③工程地质状况评估主要包括巷道使用特征调查、地质构造影响程度评估和巷 道受到周围采动影响程度评估。其中，巷道使用的特征主要包括巷道类型、巷道断面尺寸和 方位、巷道埋深以及巷道掘进方式等；地质构造影响程度评估依据地质构造的不同作用特 征进行，将其对巷道围岩稳定性的影响程度分为4个等级轻微、较重、严重和很严重；巷道 受到周围采动影响程度评估采用采动影响时围岩的最大法向应力值与巷道所处位置的自 重应力的比值来描述。④巷道围岩稳定性评价通过对巷道地应力、围岩力学性质以及巷道工程地质状 况进行准确、科学评估，依据具体矿区的调研、统计和实测样本，采用模糊聚类分析方法和 人工神经网络相结合的方法对巷道围岩稳定性状况评价。(3)利用智能专家系统进行锚杆支护初始设计，建立巷道锚杆支护方案及参数推 理、计算、优化模型，确定一种或几种合理的锚杆支护初始设计方案；
针对矿区的具体工程地质条件与生产技术条件，以正交数值模拟试验分析为主，以工 程类比与理论计算分析为辅的方法，确定锚杆几何参数、力学参数、钻孔与锚固参数、锚杆 布置参数、护网参数、托梁参数及锚索补强参数等。确定锚杆支护方案后，需对每种方案的 锚杆支护成本进行核算分析，力求以最少的生产耗费取得最大的经济效益。①正交数值模拟试验分析依据巷道围岩稳定性分类结果，从宏观上确定巷道所 需支护强度，初步选择几种可行的锚杆支护参数，按照正交试验设计法的基本原理，合理地 安排具有代表性的各种试验方案，借助大变形数值模拟软件FLAC进行数值计算，最后根据 数值计算的结果，通过极差分析确定出最优的支护参数组合。②理论计算分析根据巷道围岩的具体条件，选择合适的锚杆支护理论(如悬吊 理论、组合拱理论等)，建立力学模型，通过计算给出锚杆支护参数解析解。③专家系统推理分析通过收集锚杆支护专家的丰富经验知识及地质学和岩石 力学信息知识，将其总结分析，形成锚杆支护设计知识库，系统利用知识库与推理机模拟专 家思维进行推理，全面考虑各种影响因素，合理的确定各种可行的支护方案。锚杆支护专家 系统的水平和实用化程度取决于专家知识的水平和推理的科学性，系统结构的核心是知识 库的结构和推理机制。根据知识库中的知识选用合适的搜索控制策略去求解问题，是推理机的任务。根据锚杆支护工程专家在处理巷道支护问题时的基本思维过程，采用3类基本 推理机制(即产生式规则推理、神经网络推理，计算模式推理)来合理地确定巷道锚杆支护方案。④锚杆支护成本分析为了保证矿井在安全生产的前提下节约巷道成本，需要对 矿井生产经营过程的各个环节进行科学、合理的管理，力求以最少的生产耗费取得最大的 经济效益。锚杆支护成本的计算并不复杂，只需要罗列出每米巷道所用到的各种锚杆支护 材料单价和数量，则很容易计算出每米巷道锚杆支护成本。设每米巷道顶板锚杆、左帮锚
杆、右帮锚杆、锚索数量分为风，
AT3 ,馮，Jf4套/米，其单价为与，i|,巧元/套；托梁数量为馮千克/米，其单价为J| 元/千克；护网为数量为街米，其单价为趕元/米2 ；树脂锚固剂的数量为瑪根/米，其单 价为芎元/根，则每米巷道锚杆支护成本i 可用下式计算
7
P = J^P, N,
j-4
因此，整条巷道的锚杆支护成本茗可以表示为
P 二 p_ L
式中P—每米巷道的锚杆支护成本，元/米； ￡ 一巷道总长度，米。(4)进行现场施工监测，将监测信息实时反馈到智能专家系统中；
依据锚杆初始支护设计所提供的参数进行实际施工以后，第二阶段的现场施工监控即 随之开始。现场施工监测主要是对巷道围岩变形与破坏状况，锚杆(索)受力分布和大小 进行全面、系统的监测，获得巷道围岩及支护的实际信息，从而验证锚杆初始支护设计的合 理性和可靠性，判断巷道围岩的稳定程度和安全性，并为下一步修正锚杆支护设计参数提 供科学准确可靠的信息。选择与巷道顶板围岩稳定状况有关的监控内容包括顶板下沉量，锚固区内、外的 离层值，围岩深部位移，锚杆受力及其分布状况；选择与巷道两帮围岩稳定状况有关的监测 内容包括巷道表面收敛、围岩深部位移、锚杆受力等，基本内容包括巷道表面收敛、围岩深 部位移、帮锚杆的受力、顶板下沉量、顶板锚固区内外的离层值、顶板锚杆受力的大小及分布。(5)利用智能专家系统进行信息反馈修正设计，判断初始设计方案的合理性，对 锚杆支护结构与参数进行必要的修正，修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证， 直至最终设计形成。根据现场众多的监测数据，从中筛选出能够综合反映巷道围岩稳定状况和锚杆支 护效果的反馈指标，利用工程数学方法进行回归分析，给出观测数据变化曲线，得出信息反 馈内容；结合巷道具体的条件和围岩稳定性分类情况，综合考虑确定每个反馈指标的一个 极限“警界值”，如果信息反馈数据中的一项或多项超过该“警界值”时，就需要对初始支护 设计进行及时地修正。修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计形
6成。监测信息反馈指标选取及警界值确定选择巷道锚杆支护顶板离层值、两帮相对 移近量、锚杆与锚索受力3个方面的6个指标作为监测信息反馈指标，分别采用瑪、S。、r/、
c、U表示
瑪一锚固区内顶板离层值，mm ； 足一锚固区外顶板离层值，mm; i/一两帮相对移近量，mm;
C一全长锚固测力锚杆杆体测点屈服数与杆体测点总数的比值； 忍一端部锚固锚杆轴向载荷，KN ； ^一锚索轴向载荷，KN。监测信息反馈指标的警界值必须准确确定，它是关系到巷道锚杆支护的安全性和 经济性的重要指标，如果反馈指标值过于保守，将增加巷道支护成本，导致材料浪费；反之， 不能保证巷道安全，容易出现事故，失去监测的意义。针对矿区具体工程地质条件与生产技 术条件，可以通过现场较长时间的矿压观测与支护监测，总结巷道围岩位移发展规律，结合 巷道围岩稳定性的分类结果，利用岩土工程力学计算软件FLAC2d进行的数值模拟优化分析
计算，来初步确定巷道的锚杆支护监测信息反馈指标的警界值，分别记为[划、[氏]Λυ]、由于煤矿巷道围岩条件的复杂性，因此根本不可能理想地确定锚杆支护监测信息 反馈指标的警界值，初步提出的监测信息反馈指标警界值在使用时必须考虑一定的安全系 数。此外，由于不同巷道的监测指标数据相差很大，因此，必须针对待研究巷道的具体条件 及特殊性，将参考值与实测数值进行对比分析，及时调整监测信息反馈指标警界值。②修正设计修正设计是根据监测结果和信息反馈的情况，依据已经确定的反馈 指标警界值，将实测值与其进行逐项比较分析，进而判断初始支护设计的合理性，并及时地 进行修正。设锚杆支护监测指标的实测值为爲、.S。、f/、c、I；、Tt ,各指标的“警界值”为、[？/j、[c]、[rs]、[i]；则根据它们之间的相互关系，可以确定修正与不修正锚杆
初始支护设计的准则。当监测信息反馈指标同时满足以下6个条件时，锚杆初始支护设计不需 要进行修 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个条件中有1个或者多个不满足时，就需要修正初始支护设计。修正时， 需遵循以下基本准则
(a)锚固区内顶板位移量处于临界警界值或超过警界值，即禺，说明锚杆间排距
过大，应适当减小锚杆间排距或外加锚杆根数；若岩层变形位移量过小，说明锚杆间排距过小，可适当放大锚杆间排距。(b)锚固区外顶板位移量处于临界警界值或超过警界值，即S。2[S。j，说明锚杆
长度不够，应适当增加锚杆长度；若岩层变形位移量过小，说明锚杆长度偏大，可适当减小 锚杆长度。(c)两帮表面位移量处于临界警界值或超过警界值，即 /2[ /，说明两帮锚杆长
度和间排距不够，应适当增加锚杆长度和减小锚杆问排距；反之若两帮相对位移量过小可 适当增大锚杆间排距。(d)若锚杆受力过大，锚杆处于临界屈服状态，即，说明锚杆杆体太细，应 适当增大锚杆杆体直径或采用锚索补强。(e)若锚杆或锚索的锚固力过小，即.Oiri]或者K.2〗，说明锚杆结构不合 理，应增加锚杆或锚索长度，改进托盘形状与锚杆锚固方式。以上5条准则在具体实施的过程中，可以按照表1来确定具体的锚杆初始支护设 计的修正方案与参数。表1信息反馈修正设计准则
权利要求
一种煤矿巷道锚杆支护智能设计方法，其特征是该设计方法是利用智能专家系统进行锚杆支护动态信息反馈设计的方法，具体步骤为(1) 收集巷道基本地质及生产情况资料，测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平，建立锚杆支护设计的基础数据库；(2) 利用智能专家系统进行巷道围岩地质力学评估，评价巷道围岩稳定性等级，获得锚杆支护设计所需的相关参数；(3) 利用智能专家系统建立巷道锚杆支护方案及参数推理、计算、优化模型，确定一种或几种合理的锚杆支护初始设计方案；(4) 选择一种初始方案在现场施工、监测，将监测信息实时反馈到智能专家系统中；(5) 利用智能专家系统判断初始设计方案的合理性，对锚杆支护结构与参数进行必要的修正，修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计形成；所述的智能专家系统，首先通过用户接口进入围岩地质力学评估模块，在该模块中输入相关围岩地质力学参数后，系统在后台自动建立围岩地质力学数据库和知识库；然后进入系统初始设计推理模块，在该模块中，系统自动调用已建立的围岩地质力学数据库，分别进行巷道围岩变形破坏的数值计算分析、巷道围岩稳定性评价分析、锚杆初始支护方案优化计算分析，初步确定一种或几种合理的支护设计方案；然后进入系统的后处理模块中，通过后处理模块将系统设计结果反馈给用户，在系统后处理模块中，用户可以根据自己需要查看锚杆支护施工布置图，分析锚杆支护成本及经济效益，生成锚杆初始支护设计报告；当用户接受系统的设计方案以后，可立即组织工人进行现场施工和监测，并将监测结果及时地反馈到系统修正设计模块中；在系统修正设计模块中，系统自动判断初始设计方案的合理性，对不合理的支护方案依据一定的原则自动进行修正，给出反馈修正设计方案和设计报告；当用户接受反馈修正设计方案以后需再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计方案形成。
全文摘要
一种煤矿巷道锚杆支护智能设计方法，属于煤矿巷道锚杆支护设计方法。该设计方法包括收集巷道基本情况资料，测试巷道围岩物理力学性质及地应力水平，建立锚杆支护设计基础数据库；利用智能专家系统进行围岩地质力学评估，获得锚杆支护设计所需参数；利用智能专家系统建立锚杆支护方案及参数推理、计算、优化模型，确定初始设计方案；在现场施工、监测，将监测信息实时反馈到智能专家系统中；利用智能专家系统判断初始设计方案的合理性，进行必要的修正，修正后的设计再次循环进行现场施工、监测和验证，直至最终设计形成。本方法解决了煤矿支护材料浪费严重、巷道安全性差等问题，能够面向现场工程技术人员，有广泛的实用性。
文档编号G06F17/50GK101968825SQ20101055536
公开日2011年2月9日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者张蓓, 李玉杰, 王连国, 陆银龙 申请人:中国矿业大学