專利名稱：一種應(yīng)用人工智能技術(shù)實時預(yù)測礦井頂板大面積冒頂事故的分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種預(yù)測礦井頂板大面積冒頂事故的裝置。
背景技術(shù)：
從地下礦井中開采礦石，尤其地下開采煤礦時，礦區(qū)煤層頂板往往比較堅 硬、完整，不容易跨塌，因此，礦區(qū)采空區(qū)往往呈現(xiàn)大面積的懸頂現(xiàn)象，有些采 空區(qū)懸頂面積有幾個足球場大。由于采空了堅硬頂板下的煤層，而造成了礦區(qū) 煤層頂板壓力集中現(xiàn)象，當(dāng)集中應(yīng)力的強度超過巖石強度時，會發(fā)生頂板巖層 斷裂、跨塌現(xiàn)象，這種突然"冒頂"落下的巖石，充填采空區(qū)，壓縮采空區(qū)的 空氣(采空遺留著大量的殘采煤層，由于通風(fēng)不暢，在采空區(qū)集聚著瓦斯、一 氧化碳等有毒有害氣體)，形成暴風(fēng)，這種瞬間形成的暴風(fēng)，能量極大，暴風(fēng)的 沖擊波能將數(shù)噸重的井下設(shè)備掀出幾十米，甚至將井下礦車壓縮成一團廢鐵。 頂板巖層斷裂、跨塌現(xiàn)象的發(fā)生，常常給礦山造成災(zāi)難性的人員傷亡、財產(chǎn)損 失。
防止煤礦大面積冒頂事故的突然發(fā)生，除了把反映大面積冒頂事故的前兆 信息實時采集外，重要的還要尋找或確定預(yù)測大面積冒頂危險的敏感參數(shù)指標(biāo) 及其臨界值。這項工作一直是礦井安全研究人員奮斗的目標(biāo)。但是數(shù)十年開展 的大面積冒頂預(yù)測、預(yù)報研究工作的成果都表明確定一個能夠適應(yīng)各個有大 面積冒頂事故危險礦井的臨界指標(biāo)是十分困難的，不同礦井巖石的性質(zhì)不同、 賦存的條件也不同，預(yù)測發(fā)生冒頂事故臨界指標(biāo)值也不同。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于，提供一種人工智能技術(shù)實時預(yù)測礦井頂板大面積 冒頂事故的分析裝置。
對付礦井的大面積冒頂事故，能否把一個富有防治礦井大面積冒頂事故經(jīng) 驗的工程師的思想作為一種分析、判斷方法，而制成預(yù)測礦井頂板大面積冒頂 事故的分析裝置呢？長期現(xiàn)場研究表明盡管各個局礦預(yù)測大面積冒頂事故的 臨界指標(biāo)不同，但是分析方法幾乎都是相同的。開發(fā)煤與瓦斯突出實時分析軟 件，可以根據(jù)這一思路，給計算機設(shè)計一套尋找特定條件下臨界指標(biāo)的方法； 由計算機完成這一任務(wù)，自動尋找確定出適合安裝監(jiān)測系統(tǒng)礦井環(huán)境條件下的
預(yù)測大面積冒頂事故的判據(jù)指標(biāo)。根據(jù)近幾年現(xiàn)場研究、收集的資料和現(xiàn)有的 技術(shù)條件都表明，達到這一目的是完全可行的。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的主要由有效信號采集器、數(shù)據(jù)統(tǒng)計機、原始數(shù) 據(jù)庫、推理機、學(xué)習(xí)機、判據(jù)庫、事故實例庫、控制器、數(shù)據(jù)顯示報警組成。 各部分的功能及相互關(guān)系如下
(1) 有效信號采集器
a. 硬件根據(jù)噪音信號特點濾除干擾信號；
b. 高速A/D轉(zhuǎn)換器，將微震信號(模擬信號)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。
(2) 數(shù)據(jù)處理機
a. 統(tǒng)計、處理原始數(shù)據(jù)，送數(shù)據(jù)到顯示器顯示；
b. 分析結(jié)果送推理機，啟動推理機對當(dāng)前安裝區(qū)域巖層穩(wěn)定性進行推 理分析；
(3) 原始數(shù)據(jù)庫根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，建立原始數(shù)據(jù)庫
(4) 推理機
a.推理機根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計機送來的統(tǒng)計分析結(jié)果及學(xué)習(xí)機認(rèn)可的邏輯關(guān)系和判據(jù)指標(biāo)，進行推理分析，預(yù)測可能發(fā)生事故的危險性；
b. 根據(jù)危險性控制邏輯進行決策，并向報警器和井下控制單元發(fā)出報 -警信號。
c. 判斷發(fā)生冒頂事故后，啟動學(xué)習(xí)機整理事故特征數(shù)據(jù)，建立事故實 例庫7
(5) 學(xué)習(xí)機
a. 冒頂事故發(fā)生后，建立事故檔案；
b. 分析事故發(fā)生全過程，尋找標(biāo)志事故發(fā)生危險的特征值，根據(jù)預(yù)測 準(zhǔn)確性，校核調(diào)整優(yōu)化判據(jù)指標(biāo)，逐步減小預(yù)報誤差，使判據(jù)指標(biāo)向真值逼 近。
(6) 判據(jù)庫
冒頂事故發(fā)生后，由學(xué)習(xí)機根據(jù)預(yù)測準(zhǔn)確性，修改判據(jù)庫中的判據(jù)指標(biāo)。
(7) 判據(jù)實例庫推理機根據(jù)已建立邏輯數(shù)據(jù)判斷、識別，由學(xué)習(xí)機進 行歸類整理，建立事故數(shù)據(jù)庫。
(8)控制器
根據(jù)控制邏輯和用戶定義，執(zhí)行特定的控制功能并根據(jù)推理機4數(shù)據(jù)流 的變化情況，判斷控制效果。
(7)顯示、報警就地顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)控制器指令進行聲光報警。
本賣用新型的科學(xué)依據(jù)是，通過在實驗室對各種不同巖性的巖石試件做 破壞性試驗及在煤礦和地下工程中使用表明巖石材料在不同的應(yīng)力作用
下，在正常應(yīng)力狀態(tài)(承受的應(yīng)力大小沒有超過巖石或材料的承載強度)、 危險狀態(tài)(承受的應(yīng)力大小開始逐漸超過巖石或材料的承載強度，材料開始發(fā)生微小破壞)和破壞狀態(tài)(承受的應(yīng)力大小超過巖石或材料的最大承載強
度，材料開始發(fā)生明顯破壞)時，產(chǎn)生的微震信號的數(shù)量差異很大,情況是: 在正常應(yīng)力狀態(tài)巖石材料不會發(fā)生破壞，幾乎沒有微震信號產(chǎn)生； 在危險狀態(tài)當(dāng)巖石材料承受的應(yīng)力大小開始逐漸超過巖石或材料的承 載強度時，由于巖石材料都是非均質(zhì)性的，巖石材料都含有弱面和瑕疵，弱 面和瑕疵發(fā)育的部分首先破壞，同時產(chǎn)生微震信號，隨著應(yīng)力的逐漸增大，這 種破壞的數(shù)量明顯增多，產(chǎn)生微震信號數(shù)量也大幅度增加。這時產(chǎn)生的微震信
號是正常情況下的產(chǎn)生微震信號的數(shù)千倍；
在破壞狀態(tài)當(dāng)巖石和混凝土材料承受的應(yīng)力大小超過巖石或材料的最 大承載強度時，材料開始發(fā)生明顯破壞，同時產(chǎn)生大能量的微震信號，隨著 冒落或垮塌事故的發(fā)生，大能量的微震信號伴隨著冒落或垮塌過程連續(xù)發(fā) 生，直至冒落或垮塌事故結(jié)束。
發(fā)明人在陜北和內(nèi)蒙礦區(qū)做了大量的現(xiàn)場試驗，取得了與上述實驗室做 破壞試驗幾乎完全一致的結(jié)果。
1) 在沒有明顯礦壓活動的正常區(qū)，監(jiān)測數(shù)月幾乎接收不到微震信號；
2) 受井下采動的影響，有礦壓活動時，僅在礦壓活動的片段時間內(nèi)出 現(xiàn)小數(shù)量的小能量的微震信號；
有明顯的礦壓活動時，小能量的微震信號大幅度的上升，增加幅度在數(shù) 千倍以上，活動時間加長，出現(xiàn)礦壓平衡的時間段減少；
在發(fā)生大面積冒頂事故前，小能量的微震信號整天出現(xiàn)，礦山壓力與巖 石的承載能力幾乎達不到平衡；這說明巖石材料微觀結(jié)構(gòu)在礦山壓力作用下 得到了充分的破壞，礦山壓力的作用點將向起關(guān)鍵支撐作用巖體轉(zhuǎn)移。
利用上述特點，就可以比較準(zhǔn)確地預(yù)報大面積的冒頂事故。3)在現(xiàn)場監(jiān)測中當(dāng)出現(xiàn)了大量的小能量的微震信號的前提下，如果出 現(xiàn)密集的大能量的微震信號，就有充分的理由判斷，監(jiān)測區(qū)域即將或己經(jīng)發(fā) 生了大面積的冒頂事故。
本實用新型的優(yōu)點在于根據(jù)巖石材料在三種不同的應(yīng)力狀態(tài)下釋放微 震信號特征的研究，采用人工智能技術(shù)開發(fā)出實時分析礦井頂板巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定性的專家診斷數(shù)學(xué)分析裝置。
本實用新型適用于煤礦和非煤礦山，也可以用于以鋼筋、混凝土為材料的 地下工程，如地鐵車站、隧道的穩(wěn)定性監(jiān)測，還可用于水壩、橋梁、高樓大廈、 山體滑坡等工程的穩(wěn)定性監(jiān)測。通過一套微震信號的數(shù)字濾波識別、采集技術(shù) 和應(yīng)用人工智能技術(shù)實時預(yù)測礦井頂板大面積冒頂事故的分析方法，在不同巖 性、不同礦井發(fā)生大面積冒頂事故的基礎(chǔ)上，有比較大的實用范圍和使用價值, 能夠?qū)㈩A(yù)測礦井大面積冒頂事故的準(zhǔn)確性提高到80%以上，居世界領(lǐng)先水平。


圖l.實時分析、確定礦井大面積冒頂裝置的結(jié)構(gòu)示意具體實施方式
以下結(jié)合附圖敘述一個本實用新型的1個實施例。
本實施例，主要由有效信號采集器l、數(shù)據(jù)統(tǒng)計機2、原始數(shù)據(jù)庫3、推理 機4、學(xué)習(xí)機5、判據(jù)庫6、事故實例庫7、控制器8、數(shù)據(jù)顯示報警9組成。各 部分功能和相互關(guān)系如下
(l)有效信號采集器1 a.硬件根據(jù)噪音信號特點濾除干擾信號；。 (2)數(shù)據(jù)處理機2
a. 統(tǒng)計、處理原始數(shù)據(jù)，送數(shù)據(jù)到顯示器顯示；
b. 分析結(jié)果送推理機，啟動推理機對當(dāng)前安裝區(qū)域巖層穩(wěn)定性進行推 理分析；
(3) 原始數(shù)據(jù)庫3:根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，建立原始數(shù)據(jù)庫
(4) 推理機
a. 推理機根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計機2送來的統(tǒng)計分析結(jié)果及學(xué)習(xí)機5認(rèn)可的邏輯 關(guān)系和判據(jù)指標(biāo)一一判據(jù)庫6，進行推理分析，預(yù)測可能發(fā)生事故的危險性；
b. 根據(jù)危險性控制邏輯進行決策，并向數(shù)據(jù)顯示報警器9和井下控制單 元發(fā)出報警信號。
c. 判斷發(fā)生冒頂事故后，啟動學(xué)習(xí)機整理事故特征數(shù)據(jù)，建立事故實 例庫7
(5) 學(xué)習(xí)機5
a. 冒頂事故發(fā)生后，建立事故檔案；
b. 分析事故發(fā)生全過程，尋找標(biāo)志事故發(fā)生危險的特征值，根據(jù)預(yù)測 準(zhǔn)確性，校核調(diào)整優(yōu)化判據(jù)指標(biāo)，逐步減小預(yù)報誤差，使判據(jù)指標(biāo)向真值逼 近。
(6) 判據(jù)庫6
冒頂事故發(fā)生后，由學(xué)習(xí)機根據(jù)預(yù)測準(zhǔn)確性，修改判據(jù)庫中的判據(jù)指標(biāo)。
(7) 判據(jù)實例庫7
推理機根據(jù)已建立邏輯數(shù)據(jù)判斷、識別，由學(xué)習(xí)機進行歸類整理，建立 事故數(shù)據(jù)庫。(8)控制器8
根據(jù)控制邏輯和用戶定義，執(zhí)行特定的控制功能并根據(jù)推理機4數(shù)據(jù)流 的變化情況，判斷控制效果。
(7)顯示、報警9:就地顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)控制器8指令進行聲光報警。
權(quán)利要求1.一種應(yīng)用人工智能技術(shù)實時預(yù)測礦井頂板大面積冒頂事故的分析裝置，其特征在于由有效信號采集器(1)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計機(2)、原始數(shù)據(jù)庫(3)、推理機(4)、學(xué)習(xí)機(5)、判據(jù)庫(6)、事故實例庫(7)、控制器(8)、數(shù)據(jù)顯示報警(9)組成；各部分的作用和連接關(guān)系是(1)有效信號采集器a.該硬件根據(jù)噪音信號特點濾除干擾信號；b.高速A/D轉(zhuǎn)換器，將微震信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；(2)數(shù)據(jù)處理機a.統(tǒng)計、處理原始數(shù)據(jù)，送數(shù)據(jù)到顯示器顯示；b.分析結(jié)果送推理機，啟動推理機對當(dāng)前安裝區(qū)域巖層穩(wěn)定性進行推理分析；(3)原始數(shù)據(jù)庫根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，建立原始數(shù)據(jù)庫(4)推理機a.根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計機(2)送來的統(tǒng)計分析結(jié)果及學(xué)習(xí)機(5)認(rèn)可的邏輯關(guān)系和判據(jù)庫(6)，進行推理分析，預(yù)測可能發(fā)生事故的危險性；b.根據(jù)危險性控制邏輯進行決策，并向數(shù)據(jù)顯示報警(9)和井下控制單元發(fā)出報警信號；c.判斷發(fā)生冒頂事故后，啟動學(xué)習(xí)機整理事故特征數(shù)據(jù)，建立事故實例庫(7)；(5)學(xué)習(xí)機a.冒頂事故發(fā)生后，建立事故檔案；b.分析事故發(fā)生全過程，尋找標(biāo)志事故發(fā)生危險的特征值，根據(jù)預(yù)測準(zhǔn)確性，校核調(diào)整優(yōu)化判據(jù)指標(biāo)，逐步減小預(yù)報誤差，使判據(jù)指標(biāo)向真值逼近；(6)判據(jù)庫冒頂事故發(fā)生后，由學(xué)習(xí)機根據(jù)預(yù)測準(zhǔn)確性，修改判據(jù)庫中的判據(jù)指標(biāo)；(7)判據(jù)實例庫推理機根據(jù)已建立邏輯數(shù)據(jù)判斷、識別，由學(xué)習(xí)機進行歸類整理，建立事故數(shù)據(jù)庫；(8)控制器根據(jù)控制邏輯和用戶定義，執(zhí)行特定的控制功能并根據(jù)推理機(4)數(shù)據(jù)流的變化情況，判斷控制效果；(7)顯示、報警就地顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)控制器(8)指令進行聲光報警。
專利摘要本實用新型涉及實時預(yù)測礦井頂板大面積冒頂事故的分析裝置，由有效信號采集器、數(shù)據(jù)統(tǒng)計機、原始數(shù)據(jù)庫、推理機、學(xué)習(xí)機、判據(jù)庫、事故實例庫、控制器、數(shù)據(jù)顯示報警組成，通過一套微震信號的數(shù)字濾波識別、采集、實時分析判斷、處理技術(shù)，能將礦井大面積冒頂事故危險性預(yù)測的準(zhǔn)確性提高到80％以上，很好地完成了實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。本實用新型適用于煤礦和非煤礦山，也可以用于以鋼筋、混凝土為材料的地下工程，如地鐵車站、隧道的穩(wěn)定性監(jiān)測，還可用于水壩、橋梁、高樓大廈、山體滑坡等穩(wěn)定性監(jiān)測。
文檔編號G05B19/048GK201417386SQ20092003181
公開日2010年3月3日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者燹 蘇 申請人:西安西科測控設(shè)備有限責(zé)任公司