一种煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，它包括通过处理用户输入的数据或者调用相关知识库中的参数实现对巷道围岩稳定性的分类与评估的巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统；基于系统内部知识库内的样本巷道训练BP神经网络建立训练模型实现该巷道的锚杆支护参数智能匹配的锚杆支护参数智能匹配子系统；根据锚杆支护参数智能能匹配子系统得到的锚杆支护参数基于悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论、能量理论进行理论验算，自动对各种支护方案进行分析，以选取满足巷道围岩变形要求的支护方案作为最优支护方案推荐给用户的支护设计验证与优化子系统。本系统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，促进了我国煤矿巷道锚杆支护技术的健康发展。
【专利说明】一种煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于煤矿巷道锚杆支护设计与优化的系统。
【背景技术】
[0002]随着煤炭工业的发展，我国高产高效工作面越来越多，产量大幅度增长。煤矿采掘支护是十分重要的生产环节。锚杆技术是一项系统工程，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。由于地质条件的复杂性和不确定性，支护工程设计中各种参数的选择、岩体及岩石各种性质的近似描述，支护效果的最终评价都依赖专家的经验和个人的知识水平，由于无法用定量或统一的标准做判据，不免带有较大的随意性和盲目性，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，要么巷道支护强度不够，不能有效控制围岩变形，进而导致巷道出现冒顶片帮等事故；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。加强科技创新，实现煤炭企业信息资源的管理，加快信息化的建设，对于煤炭企业的高效、安全生产具有深远的影响和巨大的作用。随着经济快速发展和计算机及其应用知识的普及，把计算机知识应用到煤矿生产设计中，具有极其重要的理论意义和生产实践意义。
[0003]煤炭系统由于生产的特殊性，在计算机方面技术的应用和其它行业相比，还是比较落后的。在我国矿山生产的第一线的许多单位，技术工作仍是采用传统的人海战术和手工劳动，不仅浪费大量的技术力量，而且不宜进行科学管理。因此，应用计算机技术进行煤矿生产设计和生产管理系统的开发是现代化煤矿必须首先解决的问题。
[0004]目前的锚杆支护设计系统操作繁琐，需要用户输入的参数过于繁杂、过于专业，很多数据一般生产现场难以获得，且要求用户具有较高的专业水平。这样就限制了此类系统在生产实际中的推广使用。
【发明内容】
[0005]本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种智能化煤巷锚杆支护设计与优化系统。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，它包括，
[0007]巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统，其通过处理用户输入的数据或者调用相关知识库中的参数，实现对巷道围岩稳定性的分类与评估；
[0008]锚杆支护参数智能匹配子系统，其通过运用BP神经网络原理，基于系统内部知识库内的样本巷道训练BP神经网络，建立训练模型，用户提供的巷道的具体相关参数后实现该巷道的锚杆支护参数智能匹配；
[0009]支护设计验证与优化子系统，其根据所述的锚杆支护参数智能匹配子系统得到的锚杆支护参数基于悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论进行理论验算，并调入数值模拟模块，自动进行FLAC3D建模、模拟、优化处理，自动对各种支护方案进行分析，以选取满足巷道围岩变形要求的支护方案作为最优支护方案推荐给用户。
[0010]优化地，所述的巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统自动根据导入的样本数据，依据基于等价关系的模糊聚类法自动完成样本数据的预处理、标准化、加权、标定、聚类处理，并根据用户选择或者系统自动判断将样本巷道进行分类，给出聚类中心。
[0011]优化地，所述的系统巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统内部创建有一套基础样本数据。
[0012]优化地，所述的巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统选定顶板强度、两帮强度、底板强度、巷道埋深、直接顶初次垮落步距、顶高比、煤柱宽度、最大水平主应力等参数作为巷道围岩稳定性分类与评价指标，用户输入新掘巷道的与上述参数相对应的数据，系统自动基于模糊综合评判方法对该巷道围岩稳定性进行评判，得到该巷道的围岩稳定性类别。
[0013]优化地，所述的锚杆支护参数智能匹配子系统，其将用于巷道围岩稳定性所需的参数进行巷道参数的预测并运算，所述的运算包括先对样本数据及支护参数知识库进行学习训练，得到优化后的权值及阀值，而后将已输入的待预测参数，与权值、阀值进行计算，得到系统预测的支护基本参数值。
[0014]优化地，所述的巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统与锚杆支护参数智能匹配子系统以及支护设计验证与优化子系统作为一个相互关联的一个整体使用，一次性且系统地完成巷道的围岩稳定性分类、锚杆支护参数智能匹配、支护方案智能优化工作。
[0015]优化地，所述的巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统与锚杆支护参数智能匹配子系统以及支护设计验证与优化子系统根据用户的实际情况分别独立。
[0016]由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:本系统利用智能专家系统对锚杆支护进行定量分析与优化设计，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，提高支护安全，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和数字矿山的发展。系统建立基于相关专家、8大矿区典型案例“专家级”知识库以提供参考数据供用户调用，使得用户在只输入较少、实际可获得数据的前提下就可以满足锚杆设计的数据需求；系统秉承了简约的界面设计，“傻瓜式”的操作模式，易于掌握和使用；智能化方案决策，提高支护设计合理性和生产管理规范性、标准化；内容丰富的“专家级别”巷道支护知识库，有效保障支护方案决策的科学性和准确性；人性化和灵活的原始参数输入和选择机制，真正实现了系统的实用、可用、能用、易用的开发目标；完善的使用说明和帮助系统，有效提高技术人员设计水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]附图1是本发明的煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统流程图；
[0018]附图2是本发明的巷道围岩指标获取与相应稳定性分类系统流程图；
[0019]附图3是本发明的锚杆支护参数智能匹配子系统流程图；
[0020]附图4是本发明的支护设计验证与优化子系统流程图；【具体实施方式】
[0021]下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明:
[0022]本发明的煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，如图1所示，其包括巷道围岩指标获取与稳定性子类系统、锚杆支护参数智能匹配子系统、支护设计验证与优化子系统。具体如下:
[0023] 一、巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统
[0024]如图2所示，在巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统中，系统选定了顶板强度σ w、两帮强度。胃、底板强度。、巷道埋深H、直接顶初次垮落步距L、顶高比N、煤柱宽度B、最大水平主应力011等8个参数作为巷道围岩稳定性分类与评价指标。用户可以通过操作界面输入相关数据，系统同时也通过调研分析、整理收集相关资料在内部自带有围岩物理力学参数知识库、地应力知识库等知识库，以便用户在难以获取相关数据时参考选用。
[0025]子系统初始使用时需要导入一定数量的典型巷道样本以完成围岩稳定性分类工作。系统可自动根据导入的样本数据，依据基于等价关系的模糊聚类法自动完成样本数据的预处理、标准化、加权、标定、聚类等处理，并可以根据用户选择或者系统自动判断将样本巷道进行分类，并给出聚类中心。系统内部也有一套基础样本，以便用户在难以获得样本时调用。
[0026]在完成分类工作后，用户输入新掘巷道的8个相关数据，系统自动基于模糊综合评判方法对该巷道围岩稳定性进行评判，得到该巷道的围岩稳定性类别。
[0027]具体处理方式为:
[0028](一 )巷道围岩稳定性聚类
[0029]1.输入数据预处理
[0030]将输入η条巷道样本的信息，每条巷道8个指标，分别为顶板强度σ w、两帮强度σ A!、底板强度。--、巷道埋深H、直接顶初次垮落步距L、顶高比N、煤柱宽度B、最大水平主应力oh。则即为一个nX8的矩阵。
[0031]数据的预处理:
[0032]
【权利要求】
1.一种煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，其特征在于:它包括， 巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统，其通过处理用户输入的数据或者调用相关知识库中的参数，实现对巷道围岩稳定性的分类与评估； 锚杆支护参数智能匹配子系统，其通过运用BP神经网络原理，基于系统内部知识库内的样本巷道训练练BP神经网络，建立训练模型，用户提供的巷道的具体相关参数后实现该巷道的锚杆支护参数智能匹配； 支护设计验证与优化子系统，其根据所述的锚杆支护参数智能匹配子系统得到的锚杆支护参数基于悬吊理论、给合梁理论、组合拱理论进行理论验算，并调入数值模拟模块，自动进行FLAC3D建模、模拟、优化处理，自动对各种支护方案进行分析，以选取满足巷道围岩变形要求的支护方案作为最优支护方案推荐给用户。
2.根据权利要求1所述的煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，其特征在于:所述的巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统自动根据导入的样本数据，依据基于等价关系的模糊聚类法自动完成样本数据的预处理、标推化、加权、标定、聚类处理，并根据用户选择或者系统自动判断将样本巷道进行分类，绐出聚类中心。
3.根据权利要求2所述的煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，其特征在于:所述的系统巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统内部创建有一套基础样本数据。
4.根据权利要求2所述的煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，其特征在于:所述的巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统选定顶板强度、两帮强度、底板强度、巷道埋深、直接顶初次垮落步距、顶高比、煤柱宽度、最大水平主应力等参数作为巷道围岩稳定性分类与评价指标，用户输入新掘巷道的与上述参数相对应的数据，系统自动基于模糊综合评判方法对该巷道围岩稳定性进行评判，得到该巷道的围岩稳定性类别。
5.根据权利要求1所述的煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，其特征在于:所述的锚杆支护参数智能能匹配子系统，其将用于巷道围岩稳定性所需的参数进行巷道参数的预测并运算，所述的运算包括先对样本数据及支护参数知识库进行学习训练，得到优化后的权值及阀值，而后将已输入的待预测参数，与权值、阀值进行计算，得到系统预测的支护基本参数值。
6.根据权利要求1所述的煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，其特征在于:所述的巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统与锚杆支护参数智能匹配子系统以及支护设计验证与优化子系统作为一个相互关联的一个整体使用，一次性且系统地完成巷道的围岩稳定性分类、锚杆支护参数智能匹配、支护方案智能优化工作。
7.根据权利要求1所述的煤巷锚杆支护自动智能设计与优化系统，其特征在于:所述的巷道围岩指标获取与稳定性分类子系统与锚杆支护参数智能匹配子系统以及支护设计验证与优化子系统根据用户的实际情况分别独立。
【文档编号】G06F17/50GK103984788SQ201310746911
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】马鑫民, 王茂源, 杨仁树, 栾利建, 万为民, 陈凯 申请人:中国矿业大学(北京)