金川镍矿不良岩层采场巷道支护设计智能辅助支持系统.pdf

第5 2 卷第l 期 20 00 年2 月 有色金属 N o N F E R R O U sM E T A L s V 0 1 ．5 2 ，N o ．1 F e b r u a r y 2 000 金川镍矿不良岩层采场巷道支护设计 智能辅助支持系统 高谦1 ，刘同有2 ，刘大安3 1 ．北京科技大学，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．金川有色金属公司，甘肃金昌7 3 7 1 0 4 ； 3 ．中国科学院地质研究所工程地质力学开放研究实验室，北京1 0 0 0 2 9 摘要针对金 E l - “ 矿区复杂的地质条件，作者研究开发了金川二矿区不良岩层采场巷道支护设计智能辅助决策支持系 统 I D S S R S D 。本文介绍I D S S R S D 开发研究指导思想，系统结构及解决的关键技术。最后。说明该系统的优、缺点以及需 进一步完善的工作。 关键词巷道支护；支持系统；不良岩层；稳定性 中圈分类号T D 3 5 0 ．1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 1 - 0 0 0 1 0 4 金川镍矿位于甘肃省金昌市境内，金川镍矿的 主要生产矿区 二矿区 是目前我国有色系统规模 最大的矿山，该矿区已成为中国规模最大、现代化 程度最高、年产量居全国同行业之首的大型现代化 矿山。 矿区由于经历了多次地质构造运动作用，断层 纵横交错，节理裂隙十分发育。矿岩体极不稳定， 再加之矿体埋藏深 3 0 0 ～7 0 0 m ，地应力高 实 测表层最大水平地应力为3 M e a ，应力随深度增加 而增加，在地表下3 7 5 ～5 2 5 m 深度测得的最大主 应力一般为2 0 ～3 0 M P a 等不利因素，给采矿巷 道掘进与稳定性维护带来极大困难。 随着二期工程投人运行，采矿机械化程度提 高。为了满足机械化开采要求，采场进路断面加 大，使得本来难以维护的巷道更增大了困难。矿岩 片冒频繁，充填体脱层掉落 矿山采用的下向胶结 充填采矿法 ，严重危及职工人身安全和矿山正常 生产。采场巷道．尤其是不良岩层中的采场巷道支 护设计的经济合理、安全可靠与简单易行是该矿区 安全生产的关键。为此，针对二矿区地质、采矿条 件和管理水平，研制开发了金川二矿区采场巷道支 护与施工设计智能辅助决策系统。 1I D S S R S D 设计指导思想 不良岩层采场巷道支护设计是金川采矿设计中 的难题之一。因为，巷道支护设计涉及众多的不确 收稿日期1 9 9 9 0 8 2 7 作者简介高谦，男，4 3 岁，教授，博士 定的和未知因素。尽管已经发展了一些理论分析方 法，尤其是有限单元法的出现，大大地提高了巷道 支护设计分析能力。但是，目前支护设计理论和数 值分析还难以满足设计要求，在很大程度上依赖于 工程类比及专家知识与经验。能否综合利用现有的 信息、经验、成功和失败的工程实例以及理论分析 与计算方法，是不良岩层巷道支护设计成功的关 键。近年来发展起来的智能决策支持系统为解决采 场巷道支护设计提供了有力的工具。 在管理信息系统 M I S 基础上发展起来的决 策支持系统是把模型库与数据库结合起来，使得数 值计算和数据处理溶为一体，提高了辅助决策的能 力。但决策支持系统表现在定量分析上；专家系统 是利用专家知识在计算机上进行推理，采取的是定 性分析解决问题的方法。因此，将这两者结合，形 成了定性和定量联合的辅助决策形式，这就构成了 智能决策支持系统 I D S S 。 由于智能决策支持系统能够利用专家知识推理 和模型辅助决策，大大地提高了求解半结构化问题 的能力。因此，智能决策支持系统在国内外受到广 泛的关注。 地下采矿工程智能决策支持系统的成功开发不 仅在于决策支持系统理论和方法，而且很大程度上 依赖于支持决策的信息、辅助决策模型和知识的获 取。 由于金川矿区复杂的地质采矿条件，近十几年 来，国内外高等院校和研究单位开展了长期的研究 工作。不仅解决了采矿工程中的难题，而且发展了 万方数据 2有色金属 第5 2 卷 高地应力区不良岩层巷道开挖与支护分析方法。同 时，在采场围岩应力分析、有限元模拟以及围岩稳 定性可靠性评价等方面都取得了众多研究成 果‘‘1 5 ’系内部资料 。这些研究为不良岩层采场巷道 支护智能辅助决策系统的开发奠定了基础。 2I D S S R S D 结构与功能 2 ．1 系统结构 金川不良岩层采场巷道支护智能辅助决策系统 I D S S R S D 是一个智能决策支持系统。该系统 把模型库、数据库、知识推理、人机交互四者有机 的结合起来，达到了定性的知识推理，定量数值计 算，数据库管理系统的高度集成。该系统是金川公 司与北京科技大学联合完成的。开发的系统既考虑 到采场进路临时性巷道的支护设计，又涉及到位于 不良岩层中开拓工程的开挖与支护，该系统总体结 构如图l 所示。 l 矿訾譬料 ⋯土⋯～ B 国 预测与设计 参数控制 7 模型库M B l l模型库M B 2 目录库 F O R T R A N目 ’ 经验模型目 B A S I C 等标理论模型标 源程序 摩 数值模型库 数据 库 I D 8 S 一ⅫI D T 模型库管理系统 V F o x P r o 数据库管理系统 管理系统 图1金川不良岩层采场巷道支护设计 智能辅助决策系统结构 F i g ．1 S t r u c t u r eo fI D S S R S D 2 ．2系统功能 I D S S R S D 具有围岩稳定性预测，支护设计决 策和管理功能，其功能如图2 所示。 I 囤岩稳定预测与支护设计辅助系统 I II l 预测系统 设计系统 管理系统l lI I围岩分类经验设计模型库管理l II l 模型预测模型设计数据库管理 l 工程经验f 图2I D S S R S D 系统功能图 F i g ．2C h a r to fI D S S R S Ds y s t e r nf u n c t i o n s 2 ．3 管理系统 数据库管理系统是对矿山地质、采矿等资料的 增加、删除、修改、统计、分析和输出打印。为围 岩稳定性预测提供必要的基础资料。该系统包含五 个数据库；围岩物性数据库 Y S W X ．d b f ，岩石 强度数据库 Y S Q D ．d b f ，岩体强度数据库 Y r Q D ．d b f ，断裂构造数据库 D L G Z ．d b f 和 支护设计数据库 Z H S J ．d b f 。模型库管理系统包 括围岩稳定性预测模型和设计模型的管理。 2 ．4 预测系统 2 ．4 ．1 知识推理预测。围岩稳定性预测系统中的 围岩分类和工程经验采用知识推理预测。它包含知 识库、动态数据库、推理机和用户接口四大部分。 ①知识库目前围岩分类大多采用定性和定 量因素相结合的方法，因此，基于各种分类方法建 立相应的知识库。该系统采用的是天马专家系 统开发工具。该系统的知识采用的是框架 产 生式规则。因此，知识库是由框架库和规则库组 成，分别存放在不同的文件中。 框架库是由环境头部定义与一个或若干个框架 定义体组成，即 r P ‘ f 南t d e f i n e c f m l e n d c f m f c l e f i n e c f m l e n d c f m 为了获取框架知识库，我们采用的是树状结构 图来建立框架知识库。例如，描述地下水因素时， 其树结构如图3 所示 图3地下水因素树结构 F i g ．3 S t r u c t u r et r e eo fu n d e r g r o u n dw a t e rf a c t o r s 规则库中的规则划分成五类即一般推理规则 G E N ；自参考规则 A N T E ；触发型规则 T R I G R U L E ；证实型规则 C O N F I R M R U L E 和深层规则 D E E P R U L E 。一般性规则的形式为 i f 条件1a n d 条件2a n d ⋯条件nt h e n 结论 甲甲 万方数据 第1 期高谦等金川镍矿不良岩层采场巷道支护设计智能辅助支持系统3 基于知识库，可以预测围岩的稳定类别，岩体 物理力学性质和变形性质参数，岩体结构类型等。 ②动态数据库动态数据库用于存储初始信 息和推理过程中得到的中间信息，也即存人用户回 答的事实、已知事实和推理得到的事实。换言之， 它存放的是系统当前要处理对象的一些事实。该系 统动态数据库中的内容，是通过用户接口，由计算 机提问，用户回答的事实。 ③用户接口用户接口是专家系统进行咨询 的桥梁。对于该系统用户只要按照计算机屏幕上显 示的菜单，逐级选择所需要项即可进入用户欲用的 预测方法，然后按Y 或N 或输入一些实际调查的 地质资料即可进行预测。 2 ．4 ．2 围岩稳定性模型预测。模型预测是基于理论 分析或数值计算进行围岩稳定性分析给出围岩稳定 状态的预测。根据目前国内外研究进展。在模型库 内有理论分析模型，数值分析模型和关键块体理论 分析方法 图4 。 稳定性模型预测 理论分析模型 数值分析模型Il 关键块体理论 剪切滑I I 围岩强II 围岩变II 有限单I l 边界单I I 离散单I l 刚体单lI 关键块I l 关键块 移楔体lI 度控制I l 形控制lI 元分析II 元分析I I 元分析I I 元分析II 体识别Il 体分析 图4围岩稳定性模型预测 F i g ．4S t a b i l i t yp r e d i c t i o nm o d e lo fs u r r o u n d i n gr o c k 2 ．5 设计系统 设计系统包含经验设计和模型设计。经验设计 是基于知识推理。同预测系统。也是由知识库、动 态数据库、人机交互界面和推理机组成。经验设计 知识主要来自金川二矿区研究成果、设计规范以及 一些经验总结。模型辅助设计包括数值分析方法和 可靠度优化方法。 3I D S S R S D 中的关键问题 在开发该系统时，主要解决以下主要问题 3 ．1 专家系统与模型库的接口 专家系统根据围岩结构类型识别结果选择围岩 稳定性分析方法．并将预测围岩体参数输入到临时 性文件中～P R O ．T M P ，调用模型库中的模型进行 计算。其计算结果存入相应的P R O ．T M P 中。设 计系统中的专家系统从P R O ．T M P 中取出结果进 行推理和分析，进行辅助设计。 3 ．2 专家系统与数据库的接口 数据库由专家系统来调用，可由数据库本身提 供的功能对数据进行追加、删除、修改、检索和打 印。专家系统用的数据直接从数据库中取出也可以 从屏幕输入 对话部件 ，专家系统推理的结果自动 存人数据库中。 3 ．3 利用神经网络从实例中提取规则 在知识工程中，最困难的问题是知识的获取。 由于专家往往很难将领域知识表达清楚，使得知识 工作者要花大量的精力。因此，在开发I D S S R S D 系统时，利用曾树青等人研究的利用神经网络从例 子中提取规则的方法获取专家系统中的规则知识。 采用的算法分成5 步 1 获取初始规则库； 2 将上一步获得的规则库变成F N N 网络，并 采用B P 算法进行学习； 3 对F N N 网络中每一隐层的节点进行聚类， 形成简化的F N N 网络； 4 继续采用B P 算法对上一步形成的简化F N N 网络进行学习； 5 将学习后的网络转化为规则，得到修正后 精炼后 的规则库。 4I D S S R S D 特点与不足 开发的I D S S R S D 系统具有如下特点。 1 把多个不同模型的巷道围岩稳定预测 和支护设计方法有机的结合起来，形成一个完整的 预测系统。 以前对围岩稳定性分析或支护设计都是采用单 一模型进行的计算，模型的选取依赖于分析设计者 的经验和知识水平。而I D S S R S D 将目前围岩稳 定性分析、巷道设计方法有机地汇集在一个系统 中．可以任意调用。这些模型包括数学模型和智能 模型。同时，为了提高模型分析的求解方便和计算 曾树清等．模式识别与人工智能，1 9 9 5 , 0 万方数据 4 有色金属第5 2 卷 能力，我们对模型作了很大改进，增加用户界面， 改变过去模型预测时需要人工输入数据以及前后处 理等繁琐手工作业，实现了模型计算的高度计算 机化。 2 实现了相似模型的预测择优决策。该系 统能够同时自动地采用几个模型对复杂的不良岩体 进行稳定性分析，以表格形式输出分析结果，并指 出最优预测结果和可靠度。用户可以从中择优应用 于巷道支护形式和支护参数的设计。 3 模型直接调用数据库中的数据。以前进 行模型计算时，只能把原始数据作为程序的一部分 或需要另外建立数据文件，现在，计算数据既可以 从数据库中直接获得，也可以基于智能模型通过推 理获得，大大提高了计算数据的可靠度。在各模型 的计算过程中可以任意调用其中的某一个或几个其 它模型的计算结果。充分实现了多模型的综合分析 能力。同时，各模型分析结果都是存放在数据库 中，还可以便于查询、修改、增删以及统计和打印 输出，克服了过去无法对宝贵的预报资料进行科学 管理的缺点。 4 形成了不良岩层巷道围岩稳定性分析和 支护设计资料的大型数据库管理系统。以往对不良 岩层稳定分析和支护设计研究都是以研究报告的形 式保存，不便于进行科学的管理与交流，且容易丢 失。该系统搜集金川矿区自建矿以来所有的研究资 料，以数据库的形式存放在计算机软、硬盘中，通 过金川I 公司的网络系统为全公司所用。既便于携 带．又便于交流，这无疑大大提高了研究资料的管 理水平。 5 具有围岩稳定性分析和支护设计的知识 推理功能。由于不良岩层地质条件复杂变化，任何 模型分析和支护设计必须考虑特定的工程地质条件 和采矿环境作出决策。该系统包含了大量而全面的 分析与设计知识推理，使得分析与设计具有智能特 征。使用时，用户只需按几个键或输入一些数据即 可得到满意结果，这对使用计算机能力较低的矿山 来说极为重要，为该系统的推广使用提供了方便。 6 建立了一个多功能的综合系统。该系统 把围岩参数预测、稳定性分析与支护设计等多功能 汇集于一体，是一个大型系统。它既能综合全面信 息，较可靠的评估计算参数，又能够在专家知识的指 导下进行模型分析、计算结果的择优和支护优化设计。 7 整个系统都是在中文方式下运行。对于 使用汉语的金J I I 公司采矿生产者，这是十分方便 的。也有利于向全国推广使用。当然，现开发的系 统尚存在一些不足之处，有待于进一步完善。 5结论 “金川镍矿不良岩层采场巷道支护设计智能辅 助支持系统”的研究，采用系统工程学的观念与方 法，将地下采矿生产视为一大系统；基于信息学的 观点，不仅注重信息管理，更注重信息的使用，研 究开发了一个“集安全信息管理，事故分析与隐患 预报”于一体的集成软件系统。该系统已经成功地 应用于金川二矿区的信息管理、事故分析与隐患预 报，获得明显的经济效益和社会效益。 任何软件开发不可能一次就能完善，需要在使 用过程中得到修改和扩充。同样，作者正在对本系 统作进一步的开发与深层次的研究工作。 R E S E A R C Ho NI D S SF O RR o C KS U P P o R TD E S I G NI NJ l N C H U A N ⅦN E G A OQ i a n l ，L I UT o n 毋, o u 2 ．L I UD a a n 3 1 ．U n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g yo ．tB 耐i n g ．B a t i n g1 0 0 0 8 3 ； 2 ．J i n c h u a nN o n f e r r o u sM e t a l C o r p o r a ’t m n ，J i n c h a n g7 3 7 1 0 4 ； iE n g i n e e r i n gG e o m e c h a n i c sL A BI n s t i t u t eo fG e o l o g y ，A c a d e m i aS i n i c a ，B e i j i n ot 0 0 0 2 9 A B s ，r R A C T C o n s i d e r i n gt h ec o m p l e xg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa tN o ．2M i n eo fJ i n c h u a n N o n f e r r o u sM e t a l C o r p o r a t i o n ，a nI n t e l l i g e n tD e c i s i o nS u p p o r tS y s t e mf o rR o c kS u p p o r tD e s i g n I D S S R S D h a sb e e nd e v e l o p e d ．T h i sp a p e rs t a t e st h er e s e a r c hi d e a s ，t h es t r u c t u r ea n d t h ek e y t e c h n o l o g i e so ft h es y s t e m F i n a l l yt h ea d v a n t a g ea n dp r o b l e m si nt h es y s t e ma r ei n c l u d e d ． K E YW O R D S r o c ks u p p o r t ；s u p p o r ts y s t e m ；u n s t a b l es t r a t a ；s t a b i l i t y 万方数据