专利名称：一种应用人工智能技术实时预测矿井顶板大面积冒顶事故的分析装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种预测矿井顶板大面积冒顶事故的装置。
背景技术：
从地下矿井中开采矿石，尤其地下开采煤矿时，矿区煤层顶板往往比较坚 硬、完整，不容易跨塌，因此，矿区采空区往往呈现大面积的悬顶现象，有些采 空区悬顶面积有几个足球场大。由于采空了坚硬顶板下的煤层，而造成了矿区 煤层顶板压力集中现象，当集中应力的强度超过岩石强度时，会发生顶板岩层 断裂、跨塌现象，这种突然"冒顶"落下的岩石，充填采空区，压縮采空区的 空气(采空遗留着大量的残采煤层，由于通风不畅，在采空区集聚着瓦斯、一 氧化碳等有毒有害气体)，形成暴风，这种瞬间形成的暴风，能量极大，暴风的 冲击波能将数吨重的井下设备掀出几十米，甚至将井下矿车压縮成一团废铁。 顶板岩层断裂、跨塌现象的发生，常常给矿山造成灾难性的人员伤亡、财产损 失。
防止煤矿大面积冒顶事故的突然发生，除了把反映大面积冒顶事故的前兆 信息实时采集外，重要的还要寻找或确定预测大面积冒顶危险的敏感参数指标 及其临界值。这项工作一直是矿井安全研究人员奋斗的目标。但是数十年开展 的大面积冒顶预测、预报研究工作的成果都表明确定一个能够适应各个有大 面积冒顶事故危险矿井的临界指标是十分困难的，不同矿井岩石的性质不同、 赋存的条件也不同，预测发生冒顶事故临界指标值也不同。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种人工智能技术实时预测矿井顶板大面积 冒顶事故的分析装置。
对付矿井的大面积冒顶事故，能否把一个富有防治矿井大面积冒顶事故经 验的工程师的思想作为一种分析、判断方法，而制成预测矿井顶板大面积冒顶 事故的分析装置呢？长期现场研究表明尽管各个局矿预测大面积冒顶事故的 临界指标不同，但是分析方法几乎都是相同的。开发煤与瓦斯突出实时分析软 件，可以根据这一思路，给计算机设计一套寻找特定条件下临界指标的方法； 由计算机完成这一任务，自动寻找确定出适合安装监测系统矿井环境条件下的
预测大面积冒顶事故的判据指标。根据近几年现场研究、收集的资料和现有的 技术条件都表明，达到这一目的是完全可行的。
本实用新型是这样实现的主要由有效信号采集器、数据统计机、原始数 据库、推理机、学习机、判据库、事故实例库、控制器、数据显示报警组成。 各部分的功能及相互关系如下
(1) 有效信号采集器
a. 硬件根据噪音信号特点滤除干扰信号；
b. 高速A/D转换器，将微震信号(模拟信号)转变为数字信号。
(2) 数据处理机
a. 统计、处理原始数据，送数据到显示器显示；
b. 分析结果送推理机，启动推理机对当前安装区域岩层稳定性进行推 理分析；
(3) 原始数据库根据数据统计结果，建立原始数据库
(4) 推理机
a.推理机根据数据统计机送来的统计分析结果及学习机认可的逻辑关系和判据指标，进行推理分析，预测可能发生事故的危险性；
b. 根据危险性控制逻辑进行决策，并向报警器和井下控制单元发出报 -警信号。
c. 判断发生冒顶事故后，启动学习机整理事故特征数据，建立事故实 例库7
(5) 学习机
a. 冒顶事故发生后，建立事故档案；
b. 分析事故发生全过程，寻找标志事故发生危险的特征值，根据预测 准确性，校核调整优化判据指标，逐步减小预报误差，使判据指标向真值逼 近。
(6) 判据库
冒顶事故发生后，由学习机根据预测准确性，修改判据库中的判据指标。
(7) 判据实例库推理机根据已建立逻辑数据判断、识别，由学习机进 行归类整理，建立事故数据库。
(8)控制器
根据控制逻辑和用户定义，执行特定的控制功能并根据推理机4数据流 的变化情况，判断控制效果。
(7)显示、报警就地显示数据，根据控制器指令进行声光报警。
本卖用新型的科学依据是，通过在实验室对各种不同岩性的岩石试件做 破坏性试验及在煤矿和地下工程中使用表明岩石材料在不同的应力作用
下，在正常应力状态(承受的应力大小没有超过岩石或材料的承载强度)、 危险状态(承受的应力大小开始逐渐超过岩石或材料的承载强度，材料开始发生微小破坏)和破坏状态(承受的应力大小超过岩石或材料的最大承载强
度，材料开始发生明显破坏)时，产生的微震信号的数量差异很大,情况是: 在正常应力状态岩石材料不会发生破坏，几乎没有微震信号产生； 在危险状态当岩石材料承受的应力大小开始逐渐超过岩石或材料的承 载强度时，由于岩石材料都是非均质性的，岩石材料都含有弱面和瑕疵，弱 面和瑕疵发育的部分首先破坏，同时产生微震信号，随着应力的逐渐增大，这 种破坏的数量明显增多，产生微震信号数量也大幅度增加。这时产生的微震信
号是正常情况下的产生微震信号的数千倍；
在破坏状态当岩石和混凝土材料承受的应力大小超过岩石或材料的最 大承载强度时，材料开始发生明显破坏，同时产生大能量的微震信号，随着 冒落或垮塌事故的发生，大能量的微震信号伴随着冒落或垮塌过程连续发 生，直至冒落或垮塌事故结束。
发明人在陕北和内蒙矿区做了大量的现场试验，取得了与上述实验室做 破坏试验几乎完全一致的结果。
1) 在没有明显矿压活动的正常区，监测数月几乎接收不到微震信号；
2) 受井下采动的影响，有矿压活动时，仅在矿压活动的片段时间内出 现小数量的小能量的微震信号；
有明显的矿压活动时，小能量的微震信号大幅度的上升，增加幅度在数 千倍以上，活动时间加长，出现矿压平衡的时间段减少；
在发生大面积冒顶事故前，小能量的微震信号整天出现，矿山压力与岩 石的承载能力几乎达不到平衡；这说明岩石材料微观结构在矿山压力作用下 得到了充分的破坏，矿山压力的作用点将向起关键支撑作用岩体转移。
利用上述特点，就可以比较准确地预报大面积的冒顶事故。3)在现场监测中当出现了大量的小能量的微震信号的前提下，如果出 现密集的大能量的微震信号，就有充分的理由判断，监测区域即将或己经发 生了大面积的冒顶事故。
本实用新型的优点在于根据岩石材料在三种不同的应力状态下释放微 震信号特征的研究，采用人工智能技术开发出实时分析矿井顶板岩层结构稳 定性的专家诊断数学分析装置。
本实用新型适用于煤矿和非煤矿山，也可以用于以钢筋、混凝土为材料的 地下工程，如地铁车站、隧道的稳定性监测，还可用于水坝、桥梁、高楼大厦、 山体滑坡等工程的稳定性监测。通过一套微震信号的数字滤波识别、采集技术 和应用人工智能技术实时预测矿井顶板大面积冒顶事故的分析方法，在不同岩 性、不同矿井发生大面积冒顶事故的基础上，有比较大的实用范围和使用价值, 能够将预测矿井大面积冒顶事故的准确性提高到80%以上，居世界领先水平。
图l.实时分析、确定矿井大面积冒顶装置的结构示意具体实施方式
以下结合附图叙述一个本实用新型的1个实施例。
本实施例，主要由有效信号采集器l、数据统计机2、原始数据库3、推理 机4、学习机5、判据库6、事故实例库7、控制器8、数据显示报警9组成。各 部分功能和相互关系如下
(l)有效信号采集器1 a.硬件根据噪音信号特点滤除干扰信号；。 (2)数据处理机2
a. 统计、处理原始数据，送数据到显示器显示；
b. 分析结果送推理机，启动推理机对当前安装区域岩层稳定性进行推 理分析；
(3) 原始数据库3:根据数据统计结果，建立原始数据库
(4) 推理机
a. 推理机根据数据统计机2送来的统计分析结果及学习机5认可的逻辑 关系和判据指标一一判据库6，进行推理分析，预测可能发生事故的危险性；
b. 根据危险性控制逻辑进行决策，并向数据显示报警器9和井下控制单 元发出报警信号。
c. 判断发生冒顶事故后，启动学习机整理事故特征数据，建立事故实 例库7
(5) 学习机5
a. 冒顶事故发生后，建立事故档案；
b. 分析事故发生全过程，寻找标志事故发生危险的特征值，根据预测 准确性，校核调整优化判据指标，逐步减小预报误差，使判据指标向真值逼 近。
(6) 判据库6
冒顶事故发生后，由学习机根据预测准确性，修改判据库中的判据指标。
(7) 判据实例库7
推理机根据已建立逻辑数据判断、识别，由学习机进行归类整理，建立 事故数据库。(8)控制器8
根据控制逻辑和用户定义，执行特定的控制功能并根据推理机4数据流 的变化情况，判断控制效果。
(7)显示、报警9:就地显示数据，根据控制器8指令进行声光报警。
权利要求1.一种应用人工智能技术实时预测矿井顶板大面积冒顶事故的分析装置，其特征在于由有效信号采集器(1)、数据统计机(2)、原始数据库(3)、推理机(4)、学习机(5)、判据库(6)、事故实例库(7)、控制器(8)、数据显示报警(9)组成；各部分的作用和连接关系是(1)有效信号采集器a.该硬件根据噪音信号特点滤除干扰信号；b.高速A/D转换器，将微震信号转变为数字信号；(2)数据处理机a.统计、处理原始数据，送数据到显示器显示；b.分析结果送推理机，启动推理机对当前安装区域岩层稳定性进行推理分析；(3)原始数据库根据数据统计结果，建立原始数据库(4)推理机a.根据数据统计机(2)送来的统计分析结果及学习机(5)认可的逻辑关系和判据库(6)，进行推理分析，预测可能发生事故的危险性；b.根据危险性控制逻辑进行决策，并向数据显示报警(9)和井下控制单元发出报警信号；c.判断发生冒顶事故后，启动学习机整理事故特征数据，建立事故实例库(7)；(5)学习机a.冒顶事故发生后，建立事故档案；b.分析事故发生全过程，寻找标志事故发生危险的特征值，根据预测准确性，校核调整优化判据指标，逐步减小预报误差，使判据指标向真值逼近；(6)判据库冒顶事故发生后，由学习机根据预测准确性，修改判据库中的判据指标；(7)判据实例库推理机根据已建立逻辑数据判断、识别，由学习机进行归类整理，建立事故数据库；(8)控制器根据控制逻辑和用户定义，执行特定的控制功能并根据推理机(4)数据流的变化情况，判断控制效果；(7)显示、报警就地显示数据，根据控制器(8)指令进行声光报警。
专利摘要本实用新型涉及实时预测矿井顶板大面积冒顶事故的分析装置，由有效信号采集器、数据统计机、原始数据库、推理机、学习机、判据库、事故实例库、控制器、数据显示报警组成，通过一套微震信号的数字滤波识别、采集、实时分析判断、处理技术，能将矿井大面积冒顶事故危险性预测的准确性提高到80％以上，很好地完成了实时监测矿井顶板岩层或混凝土结构稳定性的目的。本实用新型适用于煤矿和非煤矿山，也可以用于以钢筋、混凝土为材料的地下工程，如地铁车站、隧道的稳定性监测，还可用于水坝、桥梁、高楼大厦、山体滑坡等稳定性监测。
文档编号G05B19/048GK201417386SQ20092003181
公开日2010年3月3日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者燹 苏 申请人:西安西科测控设备有限责任公司