第28卷第2期岩石力学与工程学报V ol.28 No.2 2009年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2009底板突水危险性评价专家系统及应用研究 高延法，章延平，张慧敏，王世法
(中国矿业大学，北京 100083)
摘要：矿井底板突水危险性评价涉及到水文地质、工程地质、开采条件及岩石力学等诸多因素，是一个复杂的理论与技术问题，底板突水危险性评价专家系统正是针对这一难点，将底板突水领域专家经验和理论成果等与计算机人工智能技术相结合，采用突水系数法和突水优势面两条推理途径，提出并运用典型突水案例加权类比的推理策略，初步具备了底板灰岩岩溶发育状况与隐伏断裂构造的预测功能。系统建立内容较为丰富的典型突水案例、专家经验、突水研究理论成果和防治水措施等四类知识库，能够对矿井是否会发生底板突水、突水点位置以及突水类型等做出预测与评价，并具有较强的咨询功能。应用该系统进行实际突水案例的模拟分析，评价结果与实际情况吻合较好。底板突水危险性评价专家系统将对矿井底板水害防治具有一定的实用价值。 关键词：采矿工程；底板突水；专家系统；危险性评价；预测预报
中图分类号：TD 163 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)02–0253–06 RESEARCH
ON EXPERT SYSTEM FOR RISK ASSESSMENT OF WATER INRUSH FROM COAL FLOOR AND ITS APPLICATION
GAO Yanfa，ZHANG Yanping，ZHANG Huimin，WANG Shifa
(China University of Mining and Technology，Beijing100083，China)
Abstract：Risk assessment of water inrush from coal floor is a complex problem of theory and technology，which is concerned with hydrogeology，engineering geology，mining conditions and rock mechanics. To aim at the above-mentioned problem，the expert system for risk assessment of water inrush from coal floor is combined with experts′ experiences and theoretical achievements with artificial intelligence technology，adopting two inferred methods，which are the water inrush coefficient and the preferred water inrush plane. The inference strategy of weighted analogy analysis of typical water inrush cases is put forward. This system is basically capable of forecasting the development of limestone karst and potential fault structure below the coal floor. This system is composed of four knowledge bases，i.e. base of typical water inrush cases，base of expert experiences，base of theoretical achievements，and base of water control measures. The risk，location and type of water inrush can be forecast and assessed through this system. Simultaneously，
this system also has a great consultant value for water inrush from coal floor. The answer of simulation analysis applying this system to the realistic water inrush cases is in good accordance with the truth condition. The expert system will be of some values for controlling and preventing water inrush from coal floor.
Key words：mining engineering；water inrush from coal floor；expert system；risk assessment；prediction and forecast
收稿日期：2008–09–12；修回日期：2008–10–24
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400)
作者简介：高延法(1962–)，男，博士，1982年毕业于山东矿业学院采矿工程系，现任教授、博士生导师，主要从事矿山岩石力学方面的教学与研
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1 引言
我国许多煤田(特别是华北煤田)水文地质条件十分复杂，随着开采深度的增加，底板灰岩岩溶承压水
的突水危险性也不断增大[1，2]。研制“底板突水危险性评价专家系统”[3]对矿井突水预测与防治具有重要的应用价值[4]。在底板突水预测预报[5]专家系统研究方面，张璟等[6]将神经网络专家系统(NNES)应用于煤矿突水预测中，将影响底板突水的主要因素参数作为神经网络的结点，利用神经网络模型自动获取知识及并行处理的特点，提高系统运行速度。刘伟韬等[7]初步建立了底板突水预测专家系统(FWIP)，将影响突水的各种因素赋以一定的程度值进行定量化分析，采用规则的形式表示专家的判断性知识，以可信度反应专家经验的不确定性，进行开采安全性和突水预测综合评价。潘树仁等[8]建立了煤矿水害防治专家系统(MWPC)，采用Prolog 和Pascal混合编程方法及模块化编程技术，通过分析矿井水文地质条件，提出水害防治方案，并结合典型突水案例的分析建立了防治水方案库。
2 底板突水危险性评价专家系统概述
新开发的矿井底板突水危险性评价专家系统作为一个预测及咨询系统，能够对具体评价区域的开采安全性做出科学评价，对评价区域是否突水与突水概率、突水点位置与突水类型、突水量等做出预计，为底板突水防治提供依据。该系统主要具有如下特点：
(1) 矿井地质开采信息的数值化。系统进行矿井底板突水危险性评价的直接依据是矿井地质信息资料。为了便于计算机系统进行存储与推理，将由文字及图表表示的矿井地质信息资料在系统内进行了数值化处理和存储。
(2) 灰岩富水性与断裂构造的预测功能。系统能够根据岩溶理论、地质力学理论以及构造预测理论等来推测底板灰岩岩溶的发育状态和隐伏地质构造。大战略2001
(3) 突水危险性评价推理的智能化。系统能够根据典型的突水案例、专家经验和突水研究成果，按照一定逻辑关系，分析、评价突水的危险性。专家系统能够发挥信息丰富、计算功能强大和推理过程严谨等优势，对底板突水危险性做出更为客观、准确的评价。康普顿效应
(4) 系统的可扩充性。该系统为开放式系统，在实际应用中可不断扩充。随着底板突水预测和防治理论的发展，系统的知识库可得到继承与积累，推理过程可日趋完善，功能不断加强。
3 底板突水危险性评价专家系统结构
系统包括知识库、推理机、动态数据库、解释机和人机接口五个部分组成，如图1所示。
3.1 人机交互界面(人机接口)
人机交互界面(人机接口)是实现用户与系统、知识工程师与系统进行交互的途径。该系统人机交互界面将地质开采信息分为评价区域基本信息、底板岩层结构、地质构造、含水层状况及强径流带五个方面进行输入。对用户未经实测而无法确定的参数采用以下方式处理：
(1) 建议用户经过实测后进行评价，以提高评价的可靠度。
(2) 建议用户与本区域类似条件进行比较后确定，同时给出参数取值的置信度。
(3) 系统通过与相近条件的突水案例类比后给出参数取值，由用户进行确认。底板突水危险性评价专家系统人机交互界面如图2所示。
3.2 知识库
(1) 典型突水案例知识库：现已将我国一百多个典型突水案例编入案例知识库，其中构造揭露型底板突水案例56个，断层采动型突水案例38个，底板破坏型突水案例42个。
(2) 专家经验知识库：该知识库正在建立，包括防治水研究领域专家与工程技术人员的防治水理论与工程经验。
(3) 底板突水理论研究成果知识库：主要包括有关底板水防治的论文、专著、科研报告和专利等成果。
(4) 防治水的技术措施及有关国家法规知识库：该知识库中存有目前使用比较广泛、相对成熟的防治水技术措施，如防水煤柱留设技术、探放水技术、疏水降压技术、帷幕注浆截流技术、煤层底板含水层注浆改造技术、注浆封堵技术、巷道过断层预注浆加固技术等；相关的国家安全规程主要有《煤矿安全规程》和《矿井水文地质规程》等。
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图1 底板突水危险性评价专家系统结构图
Fig.1 Structural diagram of expert system for risk evaluation of floor water inrush
控制层
解释机
推理机
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(a) 系统启动界面
(b) 开采条件参数输入
图2 底板突水危险性评价专家系统人机交互界面图Fig.2 Man-machine interaction interface diagram on expert system for risk evaluation of floor water inrush
3.3 推理机
突水系数推理途径：突水系数推理的流程如图1中的推理机部分。突水系数计算分3种情况：(1) 正常底板隔水层；(2) 断层构造带；(3) 褶曲轴部(底板裂隙发育带)。临界突水系数值通过理论计算和典型突水案例加权类比2种方式确定。
3.3.1 突水优势面推理途径
突水优势面观点的学术思想主要有3点：
(1) 在开采平面上各处的突水危险性有着巨大差别。
(2) 倡导在开采平面上出最易突水的危险区(带)即突水优势面。
(3) 突水优势面主要有4种：底板灰岩强径流带、导水断层、采动断层和底板裂隙发育带。突水优势面推理过程如图1所示。
3.3.2 案例类比推理方法
该系统在临界突水系数确定与突水优势面推理过程中，都采用了典型突水案例类比法。该方法首先对突水案例进行突水参数敏感性分析，出突水敏感性因素，进而赋予参数不同的权重值，最后采域的具体条件(例如断层)与突水案例知识库内与之最相近的突水案例相类比，分析、评价其突水危险性。
3.4 解释机
解释机能够解释突水系数和突水优势面推理过程、典型突水案例的类比过程、灰岩岩溶发育状况和地质构造预测的推理过程及依据等，也能对突水概率、突水点位置及突水量等评价结果做出解释。
4 底板灰岩岩溶富水性与隐伏构造
预测方法
4.1 底板灰岩岩溶富水性预测
岩溶预测依据岩溶发育规律和岩溶理论研究成果，应用的岩溶理论成果和地质资料主要有：
HODGKINHUXLEY模型
(1) 由岩溶水的补给区、径流区和排泄区，以及区域构造发育规律，判断强径流带的方向。
(2) 根据底板灰岩纵向分段特征，判断底板厚层灰岩岩溶发育的层位。
(3) 根据已发现的岩溶陷落柱分布规律和底板探水钻孔的涌水量，判断底板灰岩强径流带的平面位置[9]。地质构造与含水层信息输入界面图如图3所示。
流鬼国
(a) 含水层参数输入
(b) 地质构造条件参数输入
图3 地质构造与含水层信息输入界面图Fig.3 Information input interface graphs of geological structure and aquifer
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4.2 隐伏构造预测
现有的构造形迹都是各个地质历史时期地层在构造应力场作用下发生地质运动的产物，各种规模与类型的构造之间存在着一定的内在联系，在空间上显现出固有的展布特征和组合形式，在时间上表现出一定的演化序列。煤矿构造都是浅层构造，以脆性断裂为主，是多期构造叠加、复合的结果，而大、中型构造在地质勘探时已基本查明，因此构造预测以小型构造为主[10]。
该系统应用构造地质学、地质力学和趋势面分析等理论与方法，根据区域构造展布总体规律和构造应力场，结合钻探、巷探和物探等手段，进行矿井隐伏构造预测。
5 底板突水危险性评价专家系统应用
实例
5.1 开滦赵各庄矿断层突水危险性评价
开滦赵各庄矿，煤层底板岩性为砂岩、泥岩、薄层灰岩和腐泥质黏土岩，底板奥陶系灰岩含水层厚度为700 m ，岩溶发育，富水性强，单孔涌水量为6 m 3
/min 。主采煤层12煤到奥灰的层间距约为150 m ，底板奥灰水压为6.0 MPa ，奥灰水原始导高为0.0 m 。
该矿九水平(－730 m)井口东440 m 岩石风道内F3断层处，曾发生底板采动断层突水，最大突水量为756 m 3/h 。F3断层走向N70°
～80°W ，倾向W 侧，倾角40°～50°，是由数条小断层所组成的张性断裂带，总落差20 m 。该断层带落差和破碎带随深度加大而增大的趋势，如图4所示。
图4 开滦赵各庄矿九水平突水示意图
Fig.4 Schematic diagram of water inrush graph of level No.9
of Zhaogezhuang mining of Kailuan group
应用该专家系统模拟分析F3断层突水危险性，其推理过程如图5所示，推理途径为突水优势面推理。分析结果表明：采动影响和断层破碎带阻隔水能力差是引发F3断层突水的2个主要因素，评价结果与案例实际情况相符。
工效挂钩管理办法图5 开滦赵各庄矿九水平石门突水危险性评价推理过程图
Fig.5 Reasoning process graph of risk evaluation for floor
water inrush of coal seam crosscut in level No.9 Zhaogezhuang mining of Kailuan group
5.2 肥城大封矿采场底板突水危险性评价
肥城大封矿10204工作面开采十层煤，工作面走向长203 m ，斜长83 m ，采深为144 m ，煤层倾角为10°。工作面内无断层和褶曲构造，处于岩溶裂隙发育的富水区。直接含水层为本溪组徐家庄灰岩(五灰)，厚度为12.24 m ，水位高程为+56 m ，距奥灰仅约12.5 m ，与奥灰水力联系密切。奥灰含水层厚度约为800 m ，富水性强，是五灰的主要补给水源。十层煤底板至五灰(含水层)的隔水层岩性主要是黏土岩、粉砂岩，隔水层厚度约16.5 m 。突水点高程为41.2 m ，突水时底臌严重(如图6所示)。该工作面推采到38 m ，溜子头发生底板突水，突水量为10 m 3/h ，之后水量逐渐增大，12 h 后水量达到最大值，
图6 肥城大封矿10204工作面突水示意图 Fig.6 Schematic diagram of water inrush graph of 10204
working face in Dafeng mining of Feicheng group
高程/m
八水平
九水平
十水平
(－730 m)
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