晉城礦區(qū)頂板事故預(yù)報(bào)集成系統(tǒng)開發(fā)
王占雄
(晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司王臺鋪礦趙莊井，山西晉城。48006)
關(guān)鍵詞:事故預(yù)報(bào);集成系統(tǒng);研究開發(fā)
中圖分類號: TD327 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
文章編號:0253一2336 (2004) 06一0056一03
Development of roof accident prediction integratedsystem in Jincheng Mining Area
WANG Zhan- xiong
(Zhaozhuang Shaft, Wangtaipu從ne, Jincheng Anthracite Coal Mining Group Corp.Ltd .Jincheng 048006, China)
晉城礦區(qū)是我國特大型現(xiàn)代化煤炭生產(chǎn)基地。隨著工作面產(chǎn)量的逐年增加，巷道斷面也越來越大。與巖石巷道相比，煤層巷道圍巖比較松軟、破碎，破壞范圍較大，煤層中錨桿的錨固力較小等[1]。這些不利因素在高地應(yīng)力和破碎煤層中表現(xiàn)得尤為突出，給礦山安全生產(chǎn)帶來隱患。為此，針對晉城礦區(qū)地質(zhì)、采礦等條件，研究、開發(fā)一個(gè)集安全信息管理、事故分析與隱患預(yù)報(bào)于一體的地下采礦智能集成系統(tǒng)。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、作用與功能
該研究基于系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，將采煤生產(chǎn)涉及的掘進(jìn)、支護(hù)、回采、運(yùn)輸和機(jī)電等工序視為一大系統(tǒng)。構(gòu)成系統(tǒng)的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間既相互依存，又相互影響。影響安全的因素可分為2類:其一，自然因素和工程因素:包括地質(zhì)構(gòu)造、礦巖性質(zhì)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、采場空間、采礦順序、支護(hù)型式和支護(hù)參數(shù)等;其二，管理因素和經(jīng)濟(jì)因素，包括采礦生產(chǎn)組織、作業(yè)管理、安全措施、設(shè)備費(fèi)用、生產(chǎn)經(jīng)營費(fèi)用以及維修費(fèi)用等。基于信息學(xué)觀點(diǎn)，采煤安全管理和事故預(yù)報(bào)包括2項(xiàng)工作:獲取信息和使用信息。及時(shí)獲取影響采煤生產(chǎn)的地質(zhì)、采掘與管理信息是事故預(yù)測的基礎(chǔ)[2]。通過現(xiàn)場觀察、儀器測量等手段獲取反映采礦生產(chǎn)安全狀態(tài)的某種屬性的原始信息，如礦巖條件、斷層節(jié)理發(fā)育程度以及采煤條件和方法等，然而，基于獲取的原始信息進(jìn)行提煉、加工處理，獲取揭示事故隱患發(fā)生發(fā)展規(guī)律的深層次知識是至關(guān)重要的。
基于上述思想，研究開發(fā)的晉城礦區(qū)安全信息管理與事故預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有信息管理、事故分析和事故隱患預(yù)報(bào)的作用和功能，集“安全信息管理系統(tǒng)，事故樹分析系統(tǒng)與事故隱患預(yù)報(bào)系統(tǒng)”于一體的智能集成軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1晉城礦區(qū)安全管理與事故預(yù)報(bào)智能集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2安全信息管理系統(tǒng)
安全信息系統(tǒng)是晉城礦區(qū)安全信息管理與事故預(yù)報(bào)智能集成系統(tǒng)的重要組成部分。為礦區(qū)的信息儲存、管理和使用提供必要的管理工具。
晉城礦區(qū)幾十年來，已經(jīng)積累了大量的地質(zhì)、采礦、支護(hù)、及事故記錄與事故分析等資料。同時(shí)，針對晉城礦區(qū)復(fù)雜的采礦條件，國內(nèi)外多家高等院校、科研院所進(jìn)行了掘進(jìn)、支護(hù)以及采煤工藝等科研工作，獲得了大量的研究成果。這些研究不僅解決了采煤生產(chǎn)中的難題，而且也為礦區(qū)安全管理和事故預(yù)報(bào)提供了寶貴的資料。
因此，晉城礦區(qū)安全信息系統(tǒng)包括兩方面信息:直接安全信息和間接安全信息。直接安全信息是指已經(jīng)發(fā)生事故或未遂事件，包括輕傷、重傷和死亡事故。為此，建立了職工傷亡事故數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(圖2)。信息管理系統(tǒng)能夠?qū)κ鹿蕯?shù)據(jù)庫管理:數(shù)據(jù)追加、刪除與修改，數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)分析，圖形顯示、事故宏觀預(yù)測以及統(tǒng)計(jì)報(bào)表的輸出打印等。
間接信息是指影響采礦安全生產(chǎn)的地質(zhì)、采礦和支護(hù)設(shè)計(jì)資料、數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)等。該信息管理系統(tǒng)涉及巖體穩(wěn)定信息、巖體強(qiáng)度信息、巖石強(qiáng)度信息和巖石物性信息(圖2)。為此，該信息管理系統(tǒng)包括上述5類信息的數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對上述信息的管理和使用。
圖2晉城礦區(qū)安全信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3事故隱患預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)
信息不僅反映過去的情況，而且可以幫助預(yù)測未來。然而根據(jù)已經(jīng)獲取的信息，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律，加以外推，必帶有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。其風(fēng)險(xiǎn)程度既取決于獲取信息的數(shù)量與質(zhì)量以及基于當(dāng)前信息的預(yù)測知識的總結(jié)，更重要的還在于使用者的理論水平和工程經(jīng)驗(yàn)。
煤礦環(huán)境復(fù)雜多變，準(zhǔn)確地進(jìn)行生產(chǎn)事故隱患預(yù)報(bào)十分困難。提高采煤事故隱患的預(yù)報(bào)能力，是晉城礦區(qū)安全管理與事故預(yù)報(bào)的核心。它必須建立在信息管理系統(tǒng)之上，并基于動態(tài)獲取采煤生產(chǎn)信息，借助于人機(jī)界面進(jìn)行事故隱患的動態(tài)預(yù)報(bào)。
研究開發(fā)的事故隱患預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括2個(gè)子系統(tǒng):基于知識的常規(guī)推理專家系統(tǒng)和基于實(shí)例的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)(圖3)。
圖3晉城礦區(qū)事故隱患預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.1事故預(yù)報(bào)常規(guī)推理專家系統(tǒng)
在分析、研究國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)的專家系統(tǒng)開發(fā)工具的基礎(chǔ)上，并考慮到基層礦山人員的使用。因此，采用中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所和浙江大學(xué)等6家科研單位開發(fā)的“天馬”專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境(中國科學(xué)院數(shù)學(xué)所等，1991)，開發(fā)了事故預(yù)報(bào)常規(guī)推理專家系統(tǒng)?！疤祚R”開發(fā)環(huán)境已經(jīng)成功地應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)，煤礦瓦斯預(yù)報(bào)等專家系統(tǒng)的開發(fā)。通過實(shí)際應(yīng)用專家系統(tǒng)的開發(fā)，表明該工具功能強(qiáng)、可靠性高，容量大，已成為國內(nèi)較好的漢化商業(yè)軟件。同時(shí)，該開發(fā)環(huán)境是漢字平臺，窗口菜單顯示，使系統(tǒng)使用簡單，操作方便。
該系統(tǒng)的知識表達(dá)方式采用的是“框架+規(guī)則”形式，克服一般開發(fā)工具單一的規(guī)則知識表達(dá)方法，適合于復(fù)雜的采礦系統(tǒng)的知識描述。
借助于“天馬”開發(fā)工具，分別建立晉城礦區(qū)采煤生產(chǎn)涉及到的6個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的知識庫(圖3)。為了獲取可靠的知識，不僅走訪采礦專家、工程技術(shù)人員，而且還對采礦生產(chǎn)的事故隱患進(jìn)行分析，為知識庫的建立奠定基礎(chǔ)。
3. 2事故預(yù)報(bào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)
考慮到采礦與巷道掘進(jìn)系統(tǒng)的事故隱患多，危害嚴(yán)重，該預(yù)報(bào)系統(tǒng)還借助于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，開發(fā)了晉城礦區(qū)采煤、掘進(jìn)、支護(hù)和通風(fēng)4個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)。
與常規(guī)推理專家系統(tǒng)不同，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的事故預(yù)測是基于從工程實(shí)例中學(xué)習(xí)所獲取的知識。系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP學(xué)習(xí)算法，基于晉城礦區(qū)已經(jīng)發(fā)生的事故實(shí)例，建立供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的實(shí)例庫。為了便于實(shí)例的修改、擴(kuò)充和知識更新，開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)具備人機(jī)交互界面，十分方便于礦山人員使用。
4事故樹分析與輔助分析系統(tǒng)
事故分析目的是為了揭示事故發(fā)生的內(nèi)在規(guī)律和影響因素，以便以更經(jīng)濟(jì)的代價(jià)，更有效的手段，及時(shí)采取安全措施，預(yù)防事故的發(fā)生。
事故樹分析方法是目前眾多事故分析方法的重要和有效的方法之一?；诖朔椒?，不僅能夠定性分析，找出發(fā)生頂上事件所有基本事件的組合(最小割集)以及頂上事件不發(fā)生基本事件的所有組合(最小徑集)，而且還能夠進(jìn)行定量分析，確定基本事件的重要度和頂上事件發(fā)生的概率，以便采取預(yù)防措施，降低或減小事故發(fā)生的概率。
基于晉城礦區(qū)的采礦生產(chǎn)工序，分別研究不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)潛在的事故類型來確定頂上事件，由此繪制事故樹以及事故樹的定性與定量分析。為了便于使用和新建數(shù)據(jù)庫，該研究開發(fā)了事故樹輔助分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含5個(gè)子系統(tǒng)，即運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、掘進(jìn)支護(hù)系統(tǒng)、采煤系統(tǒng)和新建事故樹系統(tǒng)(圖4)。基于此系統(tǒng)，可以對晉城礦區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)潛在的21種事故隱患進(jìn)行分析，求解事故樹的最小割、徑集以及頂上事件發(fā)生概率。同時(shí)，該系統(tǒng)還提供重新或增加新的事故樹子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)能夠自動繪制事故樹圖，求解最小割徑集以及頂上事件發(fā)生的概率。
圖4晉城礦區(qū)事故樹輔助分析系統(tǒng)
5結(jié)論
晉城礦區(qū)安全管理與事故預(yù)報(bào)智能集成系統(tǒng)的研究，采用系統(tǒng)工程學(xué)的觀念與方法，將采礦生產(chǎn)視為一大系統(tǒng);不僅注重信息管理，更注重信息的使用，開發(fā)了一個(gè)集安全信息管理，事故分析與隱患預(yù)報(bào)于一體的集成軟件系統(tǒng)。
任何軟件開發(fā)不可能一次就能完善，需要在使用過程中得到修改和擴(kuò)充。同樣，作者正在從事以下研究工作，逐步完善軟件系統(tǒng)。
(1)基于常規(guī)推理專家系統(tǒng)的知識庫的完善。常規(guī)推理專家系統(tǒng)采用的是“天馬”開發(fā)環(huán)境，知識庫采用的是框架庫+規(guī)則庫。框架庫是借助于事故樹分析的與或圖建造，規(guī)則庫是采用的專家經(jīng)驗(yàn)和事故樹分析結(jié)果。因此，規(guī)則庫的知識需要在使用中不斷修改與擴(kuò)充。同時(shí)，在知識獲取方面，研究從事故案例中提取知識的技術(shù)和方法，完善常規(guī)推理專家系統(tǒng)知識庫。
(2)預(yù)測模型研究與應(yīng)用研究。對于危及礦山安全生產(chǎn)的最嚴(yán)重的片冒事故，應(yīng)重視預(yù)測模型的研究，即不僅依賴于專家的經(jīng)驗(yàn)和事故案例，而且還要利用工程地質(zhì)、巖石力學(xué)的理論與分析方法，進(jìn)行輔助分析，獲取更深層次的預(yù)報(bào)知識，才可能從根本上解決礦山安全生產(chǎn)這一難題。因此，作者對此也進(jìn)行初步研究工作。
(3)智能決策支持系統(tǒng)的研究與開發(fā)。對于復(fù)雜的采礦環(huán)境和多變的地質(zhì)條件，必須從采礦設(shè)計(jì)，生產(chǎn)管理和事故分析等3個(gè)方面進(jìn)行綜合分析、動態(tài)預(yù)測。為實(shí)現(xiàn)這一目的，作者正在研究、開發(fā)晉城礦區(qū)采礦設(shè)計(jì)與安全管理智能決策支持系統(tǒng)。基于該系統(tǒng)，能夠提高采礦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理與事故預(yù)測的能力。
參考文獻(xiàn):
[1]康紅普.煤巷錨桿支護(hù)動態(tài)信息設(shè)計(jì)法及其應(yīng)用[J]煤礦開采，2002 (1)
[2]劉同有，高謙，趙千里.地下采礦系統(tǒng)分析與集成管理[M]北京:地質(zhì)出版社，1998
作者簡介:王占雄(1968－)，男，山西河曲人，現(xiàn)任晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司王臺鋪礦趙莊井建設(shè)辦主任。
