（采矿工程专业论文）掘进作业规程编制系统的研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 掘进作业规程是规范煤矿掘进作业，合理组织生产的技术基础。科学规 范的作业规程不但能够指导煤矿安全生产，而且是减少巷道掘进事故、降低 矿井生产成本、提高经济效益的有效途径。随着信息时代的发展和自动化水 平的提高，传统手工编制规程周期长、出现错误不易发现、图形不精确等缺 点的弊端日益显露。掘进作业规程编制系统的开发，能够改变传统编制规程 的方法，提高规程编制效率和质量，规范规程格式和实现掘进工作面图形的 参数化输出。 本文主要以井巷工程理论为基础，结合面向对象编程技术，借鉴专家系 统的特点进行研究。在编制掘进作业规程过程中，围岩分类结果能够为支护 形式的选择提供依据，并且为巷道维护提供数据基础，为此系统建立了围岩 稳定性模糊综合评价模型确定围岩稳定性级别，并以此为入口确定巷道主要 掘进参数；在处理主要掘进参数时，应用逻辑推理与数值计算等方法建立规 则数据库和经验数据标准库来实现参数的校核功能；在处理循环图表和图形 等方面，系统以基于v i s u a lb a s i c 的a u t o c a d 二次开发的方法实现循环图表 和图形参数化绘制；应用面向对象编程方法建立作业规程模板子系统，从而 完成掘进作业规程输出。该系统在现场得以实践应用与验证，取得了较好的 应用效果。 关键词：作业规程；围岩分类；参数设计；参数校核；面向对象 黑龙江科技学院硕士学位论文 t u n n e l l i n go p e r a t i n gr e g u l a t i o n si st h et e c h n i c a lb a s eo fn o r m a l i z i n gm i n i n g a n dt u n n e l l i n gt a s ka n ds c i e 嘣6 c a l l yo r g a n i z i n gp r o d u c t i o n , n o to n l ys c i e n t i f i c a n ds t a n d a r do p e r a t i n gr e g u l a t i o n sc a l li n s t r u c tt h ec o a lm i l l es a f e t yt op r o d u c e , m o r e o v e ri st h ee f f e c t i v ea p p r o a c ho fr e d u c i n gt u n n e l l i n ga c c i d e n t , d e b a s i n g p r o d u c t i o n c o s ta n di n c r e a s i n ge c o n o m i cb e n e f i t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o na g ea n dt h ee n h a n c i n go fa u t o m a t e dl e v e l , t h e r ea r cs o m ep r o b l e m si n t h eo 叫僦o fc o m # l i v go p e r a t i n gr e g u l a t i o n sb yh a n d , s u c ha st o ol o n gc o m p i l i n g p e n o d , i m d j s a ) v e r e dm i s t a k e ，i n a c c u r a c yd r a w i n g t h ee x p l o i t a t i o no fs y s t e mf o r t u n n e l l i n go p e r a t i n gr e g u l a t i o n sw i l lh e l pt oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f c o m p i l i n gr e g u l a t i o n s ，r e g u l a t et h ef o r m a to fr e g u l a t i o n s , a n dr e a l i z et h ed r a w i n g p a r a m e t e r so u t p u t t h er e s e a r c hi sc a r r i e do u to ns i n l d n ga n dd r i v i n ge n g i n e e r i n gt h e o r yw i t h o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya n du s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x p e r t s y s t e mf o rr e f e r e n c e s d u r i n gc o m p i l i n go p e r a t i n gr e g u l a t i o n sf o rt u n n e l l i n g , t h e r e s u l t so fc l a s s i f i e ds u r r o u n d i n gr o c k sc a ns u p p l yb a s ef o rs e l e c to fs u p p o r t i n g m o d e l , a n dd a t ab a s ef o rm a i n t e n a n c eo fl a n e w a y , a n dt h e nt h es y s t e me s t a b l i s h e s t h em o d e lo ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nf o rs u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yf o r e n s u r i n gt h ec l a s s i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ka n dt h em a i nm n n e l l i n gp a r a m e t e r - i nt h ec o i r s co fd e a l i n gw i t hs u p p o r t i n gp a r a m e t e r , t h ep a r a m e t e ri sc h e c k e db yt h e r e g u l a t i o n s - d a t a b a s ea n dt h ee m p i r i c a ls t a n d a r d - d a t a b a s e ，w h i c ha l ec r e a t e db y u s i n gt h em e t h o d so fl o g i c a l - i n f e r e n c ea n dn u m e r i c a l d u r i n gd i s p o s i n gd r a w i n g , t h ed r a w i n gp a r a m e t e r so u t p u ti sa c h i e v e db ys e c o n d a r yd e v e l o p i n go fa u t o c a d b a s e d0 1 1v i s u a lb a s i c ，a n do p e r a t i n gr e g u l a t i o n si sg e n e r a t e db yu s i n go p e r a t i n g r e g u l a t i o n sm o u l d i n gb o a r ds u b s y s t e mw h i c hi sc o n s t r u c t e db yu s i n go r i e n t e d o b j e c tp r o g r a m m i n g t h i ss y s t e mh a sb e e na p p l i e da n dv a l i d a t e da c t u a l i y , a n d b e t t e ra p p l i c a t i o ne f f e c th a sb e e no b t a i n e d k e yw o r d s ：o p e r a t i o n a lr u l e s ；s u r r o u n d i n gr o c ko a s s f i c a t i o n ；p a r a m e t e r d e s i g n i n g ；p a r a m e t e rc 五e c k i n 吕o b j e c t - o r i e n t e d 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽人所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 。 研究生签名 日册丝垒罗 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文档，可以用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和 借阅，可以公布饱括刊登尬文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外研究概况和存在的主要问题 1 1 1 国内外研究概况 煤矿作业规程是煤矿必须编制和执行的基础性规程之一。作为煤矿作业 规程之掘作业规程，在生产和管理过程中，它能够协调各工序、工程 的关系，既是煤矿贯彻安全生产方针、法律、法规、规章和规范，也是评价 采矿工程状况、调查分析事故原因和经过、划清事故责任的主要依据。 我国煤矿较分散，全国现有各类煤矿约2 8 万对，其技术管理水平参差不 齐，开采技术差异较大。有具有世界一流技术装备水平的煤矿，也有工艺技 术落后的煤矿；有生产零伤亡的煤矿企业，也存在着为数众多没有安全保障 的煤矿。煤矿事故8 0 以上发生在采掘工作面，分析事故的主要原因，主要 是由于一些煤矿安全生产技术管理粗放，作业规程不规范( 作业规程内容不完 善、程序缺失等) ，有的作业规程甚至不能正确指导施工。 ( 1 ) 围岩分类发展过程 围岩分类是编制作业规程的基础，科学合理的围岩分类能够为其它主要 参数设计提供有效参考。围岩分类是一个宏观的概念，旨在给人以粗线条的 认识，以便在地下工程施工中，有效评价巷道顶底板和两帮的情况，从而明 确巷道支护的对象，合理选择巷道支护形式。地下岩体工程十分复杂，影响 围岩分类的主要因素有岩体强度和围岩应力等。早在1 8 世纪，各种地下工程 已开始用分类的方法来研究围岩的稳定性。在围岩分类方面，较早的分类系 统有普氏岩石坚固性系数分类法和泰沙基分类方法。随着采矿、隧道等地下 工程建设的发展和人们对岩体物理力学性质认识的不断深入，提出了多种有 关岩体及围岩分类方法i 旧。 美国提出的用“岩芯质量指标”f r o d ) 进行分类。即钻探时将钻孔中直 接获取的岩芯的总长度，扣除破碎岩芯和软弱夹泥的长度，再与钻孔总进尺 相比，得出岩芯质量指标值。它具体规定，在计算岩芯长度时，只计算大于 1 0 c m 的坚硬的和完整的岩芯。r q d 可以反映岩体节理裂隙的发育程度，对 围岩物理状态的评价具有参考价值。r q d 指标在钻探过程中可顺便获得，方 法简便，定量容易，应用较广。 黑龙江科技学院硕士学位论文 w i c k h a m 于1 9 7 4 年在美国提出的围岩支护预计模式，岩石结构权值分类 法主要考虑地质参数和结构参数两大因素。地质参数包括：岩石类型，节理 形态( 平均节理间距) ，节理方向( 倾向与走向) ，不连续面类型，大型断层、剪 切面及褶皱，岩石材料特性，风化变质程度；结构参数包括：巷道断面尺寸， 掘进方向、方法。r s r 通过累计每个参数的数值得到。 从2 0 世纪7 0 年代末期开始，以中国矿业大学董方庭教授为首的支护研 究室，从研究开巷后围岩的客观物理状态入手，通过对松动圈性质的深入研 究，于1 9 8 5 年正式提出了以松动圈厚度为指标的巷道围岩松动圈分类方法p j 。 围岩分类的目的在于正确评价支护难度，判明主要支护对象，以便合理地确 定支护参数和施工工艺。围岩的稳定程度不仅取决于围岩性质，而且还取决 于地应力大小，分类必须考虑这两个方面的因素。 工程岩体分级标准是一种多因素、多指标定性与定量相结合的分级 方法。它分两步对围岩进行工程分级。首先根据岩石的单向抗压强度足和岩 体的完整性系数k 对岩体进行基本质量分级，然后根据地下水、初始应力状 态和结构面产状修正岩体基本质量指标【4 j 。另外，还有以弹性波为基础的分 类方法、岩体质量系数q 分类法、巷道稳定性指数分类法、锚喷支护围岩分 类( g b j 8 6 - 8 5 ) 法等。随着科学技术的不断发展和相关理论的成熟，围岩分类 方法应向重视支护理论的指导作用和采用综合指标分类的方向发展。 ( 2 ) 主要掘进参数 在巷道掘进爆破方面，由于巷道掘进爆破的效果和质量在很大程度上影 响巷道支护设计和巷道掘进速度，所以掘进爆破的主要任务是保证安全条件 下，高速度、高质量地将岩石按规定断面爆破下来，并尽可能不损伤围岩或 最大限度降低对围岩的损伤。随着爆破理论的不断发展，掏槽爆破、光面爆 破、微差爆破等技术在巷道掘进爆破中应用广泛。另外，针对不同类型巷道 提出了许多巷道掘进爆破的方法i 州。例如，随着新型起爆技术的发展，大断 面硐室的掘进爆破、小断面巷道的掘进爆破、大断面石门掘进爆破、盲井的 反方向掘进爆破、开切眼爆破等得到相应发展。特别是随着光面爆破技术理 论的发展和完善，光面爆破技术广泛应用到巷道掘进中，提高了岩石破碎质 量，降低了对围岩的爆破损伤，从而保证了巷道支护对象的完整性1 6 1 。 在巷道支护方面，目前我国巷道支护使用的支架类型有金属支架( 包括矿 用工字钢、u 型钢等各种钢材加工的支架) 、锚杆及锚杆与其它形式组合的 联合支护( 包括锚梁、锚网、锚喷等) 、木支架、钢筋混凝土支架等。巷道支 护参数设计方面 7 1 ，随着科学技术的发展，特别是新奥法、收敛法在国际上 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 的流行，澳大利亚、英国等在充分考虑水平地应力作用的条件下，采用了“地 质力学评估计算机数值模拟”进行初始“设计现场”施工、。监测信息” 反馈，最后修改完善设计参数的设计方法嗍；法国的设计方法以经验为基础， 适合于其它地质条件变化相对较大的情况1 9 1 ；德国煤层埋藏条件相对较为简 单，常采用有限元、有限差分进行分析和计算；美国在现场监测和信息反馈 的基础上进行锚杆支护设计，把顶板特性和锚杆参数结合起来，形成方程式 或诺模图，以选择合理的锚杆类型、支护参数1 1 0 l ；西班牙利用计算机储存量 大的特点，采用信息储存与检索法获取现场资料，经过计算机处理数据，提 供可供选择的支护参数。然而在我国，地下工程锚杆支护设计方法主要是以 工程类比法和经验公式计算方法为主。特别是矿山井巷锚杆支护设计，面对 岩性和岩体结构变化大、荷载影响因素多、巷道维护时间短、支护材料和结 构可能选择的范围小等实际情况，在设计时，使用工程类比法和经验公式计 算法，设计简单、推广容易、实用性强、效果较好。 ( 3 ) 掘进作业规程编制系统 近年来，全国煤矿工程技术人员积极探索，积累和丰富了各种安全生产 技术和管理经验，在编制掘进作业规程方面也得到了相应的发展。伴随着计 算机技术的发展和支护理论的不断完善，特别是专家系统己渗透到数学、物 理、化学、生物、农业、地质等众多领域，二十世纪八十年代以来在国外 相继开发了大量的用于采矿工程的专家系统。我国自从6 0 年代在人工智能领 域开始模拟人类专家的思维以来，计算机专家系统的应用越来越广，并在不 少领域取得了明显的技术经济效益，9 0 年代中期，中国矿业大学的高存宝、 谷德钟教授等进行了采掘作业规程计算机生成方面的研究1 1 ”，开发出了采掘 作业规程决策系统( c , c a d 与j c a d ) ，该系统采用f o r x p r o 进行数据库管理和 报表输出：9 0 年代末，太原理工大学开发了采掘工作面作业规程编制的管理 系统，即z y g c 系统软件1 1 2 1 ，该软件基于d o s 平台，采用w p s 进行文字处 理。另外，随着“面向对象编程技术”的不断发展，编制作业规程也产生了 新的技术手段，基于a u t o c a d 二次开发的作业规程辅助生成系统1 1 驯和基于 w e b 的规程编制和管理系统在相关方面也得到了一定的发展和应用【1 4 j ；最初 以山东煤矿安全监察局制订的煤矿作业规程编制规定为依据，由精诚软 件承担研发的煤矿作业规程编制管理系统能够实现多点同时处理同一作 业规程等功能，极大丰富了煤矿管理作业规程的手段和方法m j ，在应用中取 得了较好的技术经济效果；由北京龙软科技发展有限公司研发的生产辅助 设计系统能够实现巷道断面设计施工图、交岔点设计施工图等图形的自动 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 绘制功能，加快了作业规程中相关图形的编制速度1 1 司。 1 1 2 存在的主要问题 ( 1 ) 围岩分类存在的主要问题 由于巷道围岩分类是应用定性与定量相结合的方法对巷道围岩质量和稳定 性进行综合评价，是地下工程设计中必不可少的一部分，也是矿山建设投资的 重要依据，是现场进行科学管理与正确评价经济效益的有力工具。所以随着采 矿理论和数学应用的拓展，围岩分类方法已经从经验判断和专家评分阶段逐步 向数学分析阶段和智能决策阶段发展。 目前确定围岩分类的理论与方法较多，但是每种理论与方法考虑问题的侧 重点不同，比如岩芯质量指标r q d 围岩分类法，反映岩体节理裂隙的发育程 度，对围岩物理状态的评价有参考价值，通过钻探可顺便获取r q d 指标，方 法简便，容易做定量分析。但是，r q d 没有考虑节理的方向和密实度等因素， 原岩应力的影响也未能加以考虑，用它单独评价围岩的支护难度存在较大误 差：岩石结构权值( r s r ) 围岩分类法考虑的因素过于复杂，有些参数很难获得， 进行权值分配时，带有主观性，实际应用中有不少困难，而且没有考虑围岩应 力的影响。因此只能适用于浅埋巷道；围岩松动圈分类方法确定围岩分类指标 时，现场获得围岩松动圈尺寸有一定困难，而且一般巷道工程难以得到原岩应 力值，尤其是构造应力又是一个难以获得的分类指标；工程岩体分级标准 g b 5 0 2 1 8 - 9 4 确定基本分类指标时，有定性和定量指标，分类时较易掌握，但 是在考虑初始应力状态时考虑了极高应力区和高应力区两种情况，无定量指 标，具体应用时会有较大的随机性。 总之，利用以往的围岩分类方法确定围岩稳定性级别时，针对具体地下工 程通常能取得较好的应用效果，但通用性不强。 ( 2 ) 主要掘进参数确定存在的主要问题 在巷道掘进爆破参数设计过程中，按照规定应采用光面爆破参数设计方 法。光面爆破是合理选择爆破参数，使爆破后的巷道成形规整，减少了超挖 和欠挖，最大限度地保持了围岩的自身强度，从而增强了围岩的自撑能力， 有利于安全施工和永久支护的安全使用。在实际应用过程中，爆破参数确定 主要是按照现有公式和经验数据进行，利用公式确定爆破参数时，有些参数 不易获得，且计算量较大，在一定程度上延长了掘进作业规程编制时间：利 用经验数据确定时，又不能较好地针对现场围岩状况，而且在对单位炸药消 耗量、炮眼深度、炮眼直径、装药直径、炮眼数目等参数确定时，对参数间 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 的相互关系及其爆破效果和质量考虑不足【1 7 删。 在巷道支护方面，应积极发展锚杆支护。美国、澳大利亚等国由于煤层 埋藏条件好，加之锚杆支护技术的不断发展，在煤矿巷道的支护中锚杆支护 比重几乎达到了1 0 0 n 。目前我国煤矿锚杆支护技术已基本形成，并在实践 中取得了很好的经济效果，为安全高效矿井建设创造了良好的条件。然而， 国内众多的锚杆支护科学人员，在几十年的探索和研究中，主要是通过实验 室试验后，才在生产现场进行试验，并获得成功，从而形成了很多锚杆支护 理论、体系和设计方法1 1 ”。但是，没有组织有关科研人员仔细研究和探讨， 各理论之间交流不足，难以取长补短，发挥各理论的优势。在支护参数设计 过程中，以往的支护参数确定方法和专家系统有很大的局限性，在确定支护 参数时，往往采用某一方法，而没有对其它方法做出综合评价与对比，某些 方法理论研究虽得到发展，但在现场应用过程中效果不好，而且这些支护参 数确定方法和专家系统都主要局限于某一具体矿区，针对性较强。 ( 3 ) 掘进作业规程编制存在的主要问题 掘进作业规程在巷道掘进施工中起到关键作用。然而目前我国大多数煤 矿仍采用专人手工编制掘进作业规程，编制掘进作业规程的过程中费时费力， 并且由于手工绘制的图形大多数由于误差而精度不高，而文字部分通用性较 高，每次编制抄写时很繁琐，重复工作量大，延长了掘进作业规程编制完成 的周期，无法满足现代化安全高效矿井建设的要求；而且由于手工操作周期 较长，在确定主要掘进参数时，主要靠生产实验确定，无法达到参数的最优， 使掘进效率相对较低、成本较高，在一定程度上影响了巷道掘进进尺、生产 成本和采掘连续。 以往关于掘进作业规程的编制系统，以作业规程模板方式规范了规程的 格式，参数化输出图形方法则提高了图形精确度和绘图速度，但很少结合主 要掘进参数进行系统研究。主要掘进参数确定仍以现场工程技术人员经验为 主，在具体操作过程中存在主观性，一定程度上影响了矿井安全生产和技术 经济指标。 1 2 问题提出与选题的意义 1 2 1 问题提出 掘进作业规程是煤矿安全生产必不可少而又应用较多的法规文件，正确 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 编制作业规程，使其具有法规性、科学性和合理性，是煤矿工程技术人员编 制规程的主要任务，作业规程不仅规定了某一具体工作面掘进全过程的工艺 流程、循环方式、作业形式和劳动组织，而且还反映了工作面各项工序的安 排和配合方式，要制定必要的安全制度和技术安全措施。它是指挥和组织掘 进工作面正规循环作业的根据，也是安全生产、防止发生事故的可靠保障，。 它是掘进工作面生产的法规。掘进作业规程的编制内容必须符合矿山安全 法、煤矿安全规程、煤矿技术操作规程、煤炭工业技术政策、生产 矿井质量标准化及部、局、协会等有关技术安全文件的规定【1 9 1 。规范、科 学、合理的作业规程是现代化矿井建设的组成部分，为满足现代化矿井建设 要求，本文提出的掘进作业规程编制系统能够满足作业规程输出，达到实际 应用目的。 在编制整个掘进作业规程过程中，主要掘进参数的设计关系到规程的综 合质量，围岩稳定性评价能够为参数确定提供有效参考。巷道围岩稳定性分 类指标的合理确定对于巷道掘进具有十分重要的意义，同时也是预测巷道围 岩在开拓及整个回采过程中稳定性的重要前提，如何准确、科学的进行巷道 围岩稳定性分类一直是许多采矿工程技术人员研究的重要课题。随着各种理 论在采矿工程中的应用，巷道围岩分类方法不断向人工智能方向发展，例如 未确定数学、模糊数学、模糊聚类分析、人工神经网络等理论和方法成功应 用于巷道围岩稳定性分类，取得了很好的技术经济效果【0 1 互驯。 采用人工智能的方法来实现巷道围岩稳定性分类，能够方便地通过编程 实现，某些方面达到了自动化的要求。但是得出的围岩分类结果往往针对性 强。例如基于人工神经网络围岩分类方法是以某一矿区的已有巷道为基础， 用已有巷道的各种地质力学参数和稳定性类别作为训练样本，对这一矿区未 开采巷道进行围岩稳定性分类。利用这种方法得出的围岩分类结果虽然能够 很好地反映地质力学情况，实用价值较大，但随着开采深度的不断变化，地 质力学情况变化较大，采用这种方法得出的分类结果往往针对性较强，不能 适应要求。 目前众多围岩分类理论中，每个理论均有自己的分类特点和计算方法， 加之每种理论考虑问题的侧重点不同，其理论体系和方法也不同，在根据不 同矿区地质条件因素来对围岩进行综合评价时，围岩分类方法通用性不强， 各矿区在围岩分类方面没有形成很好的信息与技术共享，出现了人力物力资 源浪费现象，影响了安全高效矿井建设。为此，本文建立了围岩分类模糊综 合评价方法，该方法能综合不同分级方法的优点，发挥不同分级方法的优势， 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 同时能够全面考虑评价指标中各指标的重要性，得出的围岩稳定性分级结果 更加准确、可靠，能够达到现场应用的目的。 巷道掘进爆破在井巷掘进循环作业中是一个先行和主要的工序，其它后 续工序都要围绕它来安排，爆破的质量和效果都将影响后续工序的效率和质 量。掘进爆破的主要任务是保证在安全条件下，高速度、高质量地将岩石按 规定断面爆破下来，并且尽可能不损坏巷道围岩断面。所以按照光面爆破参 数理论要求来确定爆破参数时，各爆破参数计算公式中有些参数在实际应用 中不易获得，给爆破参数的确定带来不便。随着专家系统概念的提出和面向 对象开发工具的不断发展，形成了很多具有专家系统特点的智能化爆破参数 选择系统【2 4 捌。 在明确围岩类别和巷道支护对象的同时，应积极发展锚杆支护，采用以 锚杆为主的支护体系。但在实际操作过程中存在一些问题，支护设计多是采 用经验类比的单一方式来确定具体的支护参数；同种巷道基本采用一种布置 参数；各巷道锚杆支护布置参数基本相同；支护参数确定后，没有对其进行 校核。为此，本文提出了主要掘进参数确定问题。 1 2 2 选题的意义 目前我国大多数煤矿仍采用专人手工编制掘进作业规程，编制掘进作业 规程过程中劳动强度较大，有些信息很难实现共享，势必造成资源浪费：由 于人为操作，在某些问题的处理上常伴有主客性，甚至产生局部错误而不易 发现，从而影响作业规程指导煤矿安全生产：另外个人和局部的经验往往存 在不完善性，在确定主要掘进参数时，很难把握各参数之间的协调关系，无 法达到参数的优化设计，使掘进效率相对较低、成本较高，影响了巷道掘进 进尺、生产成本和采掘连续，在一定程度上也影响了安全高效矿井建设。 高效巷道掘进( 高进尺、低成本) 爆破参数与支护参数的确定是矿井安全 高效的重要组成部分，是矿井巷道掘进技术的主要发展方向之一。巷道掘进 成本约占矿井生产成本的3 0 以上，巷道主要掘进参数的合理确定是矿井降 低生产成本、保证煤矿安全生产、提高效益的一个重要组成部分。一些煤矿 顶板事故与巷道主要掘进参数设计有一定关系，而巷道掘进效率低则是造成 矿井生产成本高、采掘失调的主要原因之一。开展高效巷道掘进爆破参数与 支护参数的确定与校核研究，可有效减少煤矿事故发生，提高矿井掘进效率， 降低巷道支护成本。 本文提出掘进作业规程编制系统来实现作业规程输出，可以保证作业规 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 程中有关文字、插图、附表处理的规范化、标准化，使掘进作业规程更具科 学性与合理性，另外又可加快作业规程编制速度，缩短规程编制时间，且修 改方便、快捷，掘进作业规程能够保持对外开放的特点，系统结合主要掘进 参数确定的研究方法能够使生成的作业规程内容全面、客观准确、针对性强， 避免了由于个人原因或局部( 区队) 经验造成规程存在主观性和不完善的情 况。利用本系统输出掘进作业规程可提高规程的编制质量和效率，对于指导 煤矿安全生产、增加企业经济效益和社会效益具有一定价值。 1 3 论文的主要研究内容和研究方法 1 3 1 论文的主要研究内容 ( 1 ) 围岩稳定性模糊综合评价方法确定围岩稳定性等级 在没有支护理论或支护理论发展的初期，围岩分类曾一度是进行支护设 计的方法，但实质是经验类比型的设计方法。围岩分类结果为宏观确定支护 形式提供了很好的依据，并且为巷道的维护提供了数据基础，围岩分类工作 和支护参数设计工作是整个支护设计的两个阶段。两者有密切的联系，但是 又相互独立。围岩分类结果为支护方案的选择提供参考，参数设计则完成了 支护方案的具体量化。 由于选择合适的理论方法对围岩稳定性做出综合评价，存在一定的困难， 而且在确定巷道围岩分类时，对具体某一围岩条件和分类方法，因有关人员 接受知识的不完备性、掌握围岩条件分类的不准确性、考虑围岩分类方法选 择的单一性、以及生产条件的复杂性等因素的影响，特别是在利用某一分类 方法进行集体决策某一巷道围岩类别时，不同的人员会选择不同的理论方法， 既使是针对同一方法，在选择不同的因素时，可能给出不同的标准，对巷道 支护方案的确定产生一定影响。 所以，本文采用围岩稳定性模糊综合评价方法对围岩进行分类瞄l ，该方 法在充分考虑各个分类方法的同时，建立模糊综合评价模型，在集体确定围 岩分类时，给出各种分类方法中围岩稳定性分类的可信度，同时通过层次分 析法确定各指标权重，建立评价矩阵，通过矩阵运算得出结果，根据最大隶 属度原则，最后确定围岩稳定性的分类级别。 ( 2 ) 主要掘进参数确定 在应用程序中借鉴和利用专家系统建立知识库的方法建立数据库，数据 库用以存放领域专家提供的经验数据。经验数据含有领域问题的相关的理论 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 和规则，例如领域内有关的定理公式等。数据库建立过程中，考虑数据库的 检查、添加、修改和删除等功能，以有利于数据库的维护和更新。 随着爆破理论与技术的不断发展，光面爆破已成功用于地下工程掘进爆 破施工中。光面爆破技术是2 0 世纪5 0 年代发展起来的控制爆破新技术，它 是合理选择爆破参数的控制爆破技术，使爆破后的巷道成形完整，最大限度 地保持了围岩的自身强度，从而增加了围岩的自稳能力。在系统设计的过程 中，根据围岩分类结果、巷道的形状和围岩力学参数来确定爆破参数。操作 过程中，根据数据库中已保存的相关信息，可以对数据库记录进行访问对话， 实现程序自动化运算和数据输出功能。 支护参数确定与校核对掘进作业规程指导巷道施工有至关重要的作用。 在支护参数确定与校核过程中，通过围岩分类结果确定合理巷道支护方案， 根据数据库中提供的规定和工程类比等方法，考虑支护经验，确定支护的参 数。特别是在锚杆支护的处理过程中，根据锚杆作用的不同机理和围岩松动 圈锚杆支护设计方法对支护参数进行确定，在对支护参数校核后进行技术和 经济对比，以实现巷道支护参数确定和校核。保存各个参数于数据库中，为 炮眼的布置等工作提供参数依据。 ( 3 ) 掘进作业规程编制 针对规程中的图形实际需求，系统采用a m o c a d 二次开发技术手段完 成规程中相关图形的输出，考虑单一的a u t o c a d 二次开发技术手段来实现系 统的安装程序制作和文字处理存在很大困难，因此系统引用a c t i v c x 技术方 法，采用v i s u a lb i c 6 0 作为前台开发工具，以w o r d 和a u t o c a d 为开发平 台实现完整规程的输出。系统形成主要应用面向对象编程的技术方法实现， 图形输出部分充分利用了c a d 平台的图形处理优势，文字处理则体现了“宏” 与a c t i v c x 技术组件的功能特点。 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 简称c a d ) 是计算机绘图软件。 a u “) c a d 软件具有使用方便、体系结构开放等特点，广泛应用于各个领域。 但在绘制只需部分参数就能确定的图形时，图形形成后，一旦需要修改时， 工作量较大。例如绘制圆弧形巷道断面，三心拱形巷道断面等。另外，蚰a l b a s i c 是一个独立的开发工具，有自己完全独立的工作环境和编译功能，可以 很好的面向对象编程。a u t o c a d 恰好为v l s u a lb a s i c 提供了二次开发接口， 可以通过v i s u a lb a s i c 建立应用程序来访问a u t o c a d ，通过尺寸驱动的方式 来完成参数化图形的绘制和输出。文字处理则采用由v i s u a lb a s i c 控制w o r d 操作实现具体功能。 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 3 2 论文的研究方法 近年来，人工智能和专家系统有了新的发展，本项目结合它们的特点， 应用到矿山中，开发具有一定判断、自运算能力的通用性主要掘进参数确定 子系统，并结合实际完成掘进作业规程的编制，在巷道支护参数设计中能够 进行综合、系统的全面设计，形成一个完整的巷道掘进、支护体系，并且能 够直接生成作业规程。本系统主要是围绕掘进作业规程输出展开的，在参数 化图形处理、围岩分类和支护参数校核的内容中体现了本文的一些创新点。 具体操作过程中，系统充分考虑巷道爆破和支护参数设计的方法，建立了参 数数据库和相关规定数据库，以逻辑推理和数值计算相结合，在程序内部进 行运算，对各种支护参数确定方法进行技术经济效果比较，并且借鉴专家系 统的知识数据库建立方法和各种信息处理方法与当前的计算机技术有机地结 合起来，开发出一个有科学依据的掘进作业规程编制系统。 巷道支护参数的确定是利用井巷工程、系统工程、矿山支护、质量工程、 数学等有关理论方法研究和解决的，它是一个复杂的系统工程，同时又是多 学科领域交叉的边缘学科。本论文以围岩分类模糊综合评价方法确定围岩稳 定性等级，并以此为入口确定主要掘进参数，采用数据库交叉定位的方法寻 找经验数据用以完成支护参数校核：应用面向对象编程方法进行程序设计， 建立了作业规程模板，通过模板来规范规程内容，实现规程统一格式管理； 采用“帮助文档”的形式组织技术安全措施；以v i s u a lb a s i c 作为前台开发工 具，根据参数驱动的方法向a u t o c a d 发送指令，完成规程中循环图表和相关 图形的输出；另外建立了大量丰富的采矿图元库，以加强系统人机交互的效 率。最后结合规程模板输出掘进作业规程。 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章围岩分类与主要掘进参数确定 围岩稳定性评判是确保工程安全应用的一个重要环节。目前围岩分类理 论和方法较多，且各有优缺点和适应性，在确定某一具体巷道和回采工作面 围岩分类时，按不同的围岩分类理论和方法可能会得出不同的分类结果，即 便是采用同一种围岩分类方案，由于不同的工程技术人员生产经验和技术水 平的差异性，对同一围岩也可能得出不同的分类结果，这样给支护参数设计 造成一定影响，加之影响自然岩体复杂性因素众多，各因素之间的关系错综 复杂，所以在对围岩稳定性做综合评价的过程中，难以清晰的对待与处理各 因素之间的相互作用，利用模糊综合评价方法能够较为合理的解决这些问题。 2 1 围岩分类模糊综合评价方法 精确、随机的问题基本上已经有了一套成熟的数学处理方法，对于大量 而普遍存在的模糊性问题，工程技术人员给予越来越多的关注。由于模糊数 学是用定量的方法来研究和处理模糊现象，与普遍的分析设计方法比较起来， 在处理问题时能够充分定量地考虑模糊因素，使设计的方案更符合客观实际。 模糊综合评价方法在处理类似的问题时能够更大限度地考虑模糊因素在评价 过程中的作用，得到的结果较客观合理。 2 1 1 模糊综合评价原理 应用模糊综合评价方法评价一个具体对象，首先应对这个对象的各种属 性或性能给出评语，然后再进行综合评价。评价步骤如下阳捌： ( 1 ) 建立因素集 影响评价对象的各种因素构成的集合为因素集，它是一个普通集合，用 u 表示： u 一恤1 ，比2 ，u j ( 2 1 ) 其中u j 代表第f 个影响因素，n 是因素数，通常都具有不同程度的模糊性。例 如评价服装的好坏时，影响评价的因素可选为：u 1 ( 花色) 、u 2 ( 样式) 、“3 ( 价 格) 、( 耐用性) 等。 ( 2 ) 建立权重集 一般来说，各个因素的重要程度是不同的，对重要的因素要特别看重： 对不太重要的因素虽然应当考虑，但不必十分看重。为了反映各因素的重要 程度，对各个因素u l 应分配一个相应的权数w 。通常要求满足： 】1 黑龙江科技学院硕士学位论文 m 0 ，罗w i - 1 ( 2 2 ) 笥 于是，由各个权重w 。组成u 上的一个模糊集： w “，h ) 。丝+ 丝+ + 监 ( 2 3 ) 1 2 称形为权重集。 ( 3 ) 建立评价集 评价集是评价者对评价对象可能作出的各种总的评价结果组成的集合， 用y 表示： v 一 v 1 ，v 2 ， ( 2 4 ) 其中代表第i 个评价结果，n 为总的评价结果数。模糊综合评价的目的就是 在综合考虑所有因素的基础上，从评价集中选出一个最佳的评价结果。 ( 4 ) 模糊综合评价 为了进行综合评判，要确定u 到y 的f u z z y 映射”u 一，( v ) 且 v l i ；，又设u 。在综合评判中所占有的权重为q 【o 刖。通过对单个因素 ，( i - 1 ，2 ，m ) 的评判，得到v 上的模糊集o n ，u 2 ，) ，它是u 到v 的_ 个映射。 厂u 一，) ( 2 5 ) 模糊映射，可以确定一个模糊关系r u 。评价矩阵 n e 一1 ： l( 2 6 ) ，叫j 可以用每列元素之和 c ，- c 口 ( 2 7 ) j 1 来反映所有因素的综合影响，但这种方法并未考虑各因素的重要程度。如果 在( 2 7 ) 式的各项作用以相应的权重w i ( 1 - - 1 ，2 ，n ) ，则能够较合理地反映所 有因素的综合影响。因此模糊综合评价可以表示为 丑_ i yo 尺 ( 2 8 ) 这里“o ”表示与r 的一种合成方式。 ( 5 ) 评价指标的处理 经过前几步之后，得到了评价结果，可以用最大隶属度法、加权平均法 1 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 和模糊分布法确定最终评价结果。本文应用最大隶属度法确定围岩稳定性等 级，即取矿中的m a x b 作为围岩分类结果 2 1 2 围岩分类模糊综合评价数学模型建立 利用单一围岩分类方法来确定围岩稳定性等级时，各种方法侧重点有所 不同，往往不能全面考虑各指标在围岩稳定性等级划分中的重要性。利用多 种围岩稳定性分级方法，充分发挥每种方法的优点，兼顾各种分级方法中参 数的重要性，最终确定围岩稳定性分级结果是围岩稳定性模糊综合评价方法 的主要原理。 首先以五级分类法为原则确定围岩稳定性级别，围岩稳定性的等级划分 为稳定性好、基本稳定、稳定性差、不稳定和极不稳定五级，以围岩稳定性 等级建立评价因素u ：根据不同的参数来建立评价集。分别以八类参数为依 据，根据不同理论方法确定围岩分类级别时对结果影响的不同程度，由集体 给出围岩分类级别的可信度，从而建立评价矩阵：为了达到计算结果准确的 目的，利用层次分析法计算各评价指标权重虬。兼顾各评价指标在围岩稳定 性等级划分中的重要性，采用普通矩阵乘法运算法则进行矩阵运算，并按照 最大隶属度原则，得出围岩稳定性等级划分的结果。这种处理方式避免了采 用模糊综合评价方法时，隶属函数难确定的情况，又充分考虑了不同理论方 法的侧重点。 ( 1 ) 建立因素集 将围岩类别用因素集【，描述，u 中因素按照类别可分为五类，即【，中有 5 个子集 如 稳定性好，基本稳定，稳定性差，不稳定，极不稳定) ( 2 9 ) 每个子集应包括8 个因素：“一缸”f j 2 ，“j 3 口口球m 口m i 8 其中为第i 个因素子集中的第，个因素，在本文的模型中各因素子分别取单向饱和抗压 强度、重力密度、内摩擦角( 抗剪断峰值强度) 、粘聚力( 抗剪断峰值强度) 、 弹性模量、泊松比、节理组数和r q d 。建立因素集及其子集的基本层次模型 分别如图2 - 1 、2 - 2 所示。 ( 2 ) 建立评价集 由技术人员针对相应的围岩分类方法对个子因素所对应的不同分级结果 进行打分，以确定各参数在不同围岩稳定性级别中的可信度，从而构建评价 黑龙江科技学院硕士学位论文 矩阵。 r l ，k k 1 r 。ii 1 ( 2 1 0 ) 【kk j 图2 - i 因素集模型囤 图2 - 2 因素子集模型图 ( 3 ) 模糊综合评价和评价指标的处理 评价因素的权重是各因素对评价对象影响大小的数量表示。采用文献【2 9 】 所述的层次分析法确定评价因素权重集肌通过b = w r 并应用最大隶属度法 得出围岩稳定性分级结果。 2 1 3 应用实例 鸡西矿业集团某矿一巷道为采区绞车道。巷道顶板主要由砂岩组成，现 场取样实验测试研究，得到参数结果如表1 所示。 根据实验所得数据，技术人员在进行围岩稳定性决策时，给出不同参数 围岩稳定性分级结果的可信度分别为： 单向饱和抗压强度：1 8 人员认为属于i 类围岩，认为属于i i 类围 岩；2 人员认为属于3 类围岩： 重力密度：2 0 人员认为属于类围岩，7 5 人员认为属于类围岩， 5 人员认为属于类围岩； 1 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 表1 参教试验数据 参数名称参数值 单向饱和抗压强度 重力密度 内摩擦角( 抗剪断峰值强度) 粘聚力( 抗剪断峰值强度) 弹性模量 泊松比 节理组数 r o d r - 5 9 m p a 2 6 3 k n m 3 廖。5 1 。 c 一1 8 l z 尸h 一3 3 m ，- 0 1 8 3 条m 3 8 5 内摩擦角( 抗剪断峰值强度) ：8 5 人员认为属于类围岩，1 5 人员认 为属于类围岩； 粘聚力( 抗剪断峰值强度) ：4 0 人员认为属于i 类围岩，6 0 人员认为 属于类围岩： 弹性模量：4 0 人员认为属于1 类围岩，6 0 人员认为属于类围岩； 泊松比：9 5 人员认为属于i 类围岩，5 人