一种矿井保护煤柱智能动态留设优化方法与系统与流程

本技术属于矿山开采工程与自动化控制交叉，具体涉及一种矿井保护煤柱智能动态留设优化方法与系统。

背景技术：

1、在煤矿开采中，为保护地表建（构）筑物、水体、铁路或井下重要巷道免受采动损害，需留设保护煤柱。

2、现有技术主要依赖于国家规范、地区性经验公式及静态的地质采矿参数（如固定的下沉系数、移动角等）进行一次性设计，确定煤柱的固定边界。这种方法的显著不足在于：

3、首先，设计所依据的岩层移动参数多为经验值或矿区平均值，未能充分考虑具体工作面开采过程中的动态岩层响应差异，导致设计保守，煤柱留设宽度往往大于实际所需，造成宝贵的煤炭资源被永久压覆。

4、其次，现有方法缺乏与开采进程同步的动态感知与评估能力，一旦完成设计，煤柱边界即被固定，无法根据实时的地表沉降、巷道变形、微震活动等多源监测数据，对煤柱的实际受保护效果与安全状态进行量化评估与前瞻性调整。

5、最后，整个决策过程是开环的，当开采条件变化或监测到异常风险时，难以及时、科学地重新优化煤柱尺寸，只能在“过度留设”的资源浪费与“调整无据”的安全风险之间被动选择。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种矿井保护煤柱智能动态留设优化方法与系统，其可以在满足保护对象安全要求的前提下，基于开采过程中的实时监测数据动态评估采动影响，对保护煤柱的边界与宽度进行闭环、量化、可审计的优化与调整，从而在控制安全风险的同时，最大限度地回收被保护煤柱压占的煤炭资源，克服传统静态、一次性设计导致的煤柱留设保守与资源浪费问题。

2、为实现上述目的，本技术采用如下的技术方案：

3、本技术提供一种矿井保护煤柱智能动态留设优化方法，包括以下步骤：

4、s1、获取并建立设计基础数据集，所述数据集包括目标区域的地质采矿基础数据、保护对象的容许临界指标、以及依据现行规范与本矿区实测岩移参数确定的保护煤柱初始设计边界与对应的安全约束条件形式化表达；其中，地质采矿基础数据至少包括煤层产状、覆岩岩性分层与关键层位置、水文与隔水层结构以及地应力背景；实测岩移参数包括下沉系数、主要影响角正切、拐点偏移距及影响传播角；

5、s2、在采掘工程推进过程中，布设并运行动态感知网络，持续采集与采动影响相关的动态变量数据，并将所述动态变量数据按统一时空基准融合，生成反映当前采动影响状态的可量化快照；所述动态变量数据至少包括工作面实时推进度与暴露面积、邻近巷道围岩收敛量、地表或边坡关键测点的变形监测数据，以及根据需要的采动影响下水文动态数据；

6、s3、基于步骤s1中的安全约束条件形式化表达，构建可机读的、参数化的安全约束不等式模型，其中决策变量为待优化的保护煤柱边界位置或宽度；所述安全约束不等式模型至少整合了由保护对象容许变形指标导出的变形约束、由覆岩破坏高度与防水安全煤岩柱条件导出的隔水约束，以及由围岩自稳条件导出的工程稳定性约束；所述安全约束不等式模型的参数允许依据步骤s2生成的最新状态快照进行动态修正；

7、s4、以步骤s3构建的、经动态修正后的安全约束不等式模型作为硬性约束条件，以最小化保护煤柱宽度或最大化可回收压煤量为优化目标，求解满足所有约束的最优解，输出当前开采阶段下的最优保护煤柱宽度或边界调整量，并同步计算输出各项约束的当前安全裕度作为可视化风险指标；

8、s5、将步骤s4输出的优化结果转化为可执行的工程设计指令，包括更新后的煤柱边界坐标、允许采掘作业的限界以及加强监测的重点区域；当步骤s2中后续采集的监测数据表明安全裕度触及预设的预警阈值时，自动触发步骤s3至s4的重新计算与优化流程，生成新版本的留设方案，从而实现保护煤柱边界的动态、闭环、可审计的优化调整，并在整个过程中保留完整的方案版本与决策记录。

9、作为一种优选的技术方案，步骤s1中所述实测岩移参数是通过在目标矿区布置地表与井下岩层移动观测站进行长期监测与数据分析后获得的参数集合，该参数集合至少包括下沉系数、主要影响角正切、水平移动系数、拐点偏移距、边界角与移动角，在进行保护煤柱初始设计时使用该实测参数集合替代规范中的经验参数值，并在步骤s2的持续采掘过程中通过监测网络收集新的岩移与变形数据，定期对实测岩移参数集合进行校正与更新，再将更新后的参数反馈至步骤s3的安全约束不等式模型中实现对模型关键计算系数的动态校准。

10、作为一种优选的技术方案，步骤s3中所述的由保护对象容许变形指标导出的变形约束针对建筑物、铁路及水体等不同保护对象类型分别构建，对于建筑物与铁路保护煤柱采用基于概率积分法的预计模型计算保护对象受采动影响的最大变形值并确保其小于规范规定的临界容许值从而形成变形约束不等式，对于水体下保护煤柱则根据厚煤层综放开采导水裂缝带发育高度经验公式计算裂缝带最大高度并确保其与保护水体底部之间保留有大于防水安全煤岩柱厚度的岩柱以此形成隔水约束，所有约束均以煤柱宽度或边界坐标为变量表达为可计算的数学不等式。

11、作为一种优选的技术方案，步骤s3中所述的安全约束不等式模型是一个多目标多约束的优化数学模型，其决策变量为煤柱各侧向的保留宽度或煤柱边界的关键控制点坐标，目标函数在煤柱宽度最小化之外还可设置为全生命周期内压煤资源采出价值的最大化或在满足安全约束前提下开采进度影响的最小化，模型的求解采用线性规划、非线性规划或智能优化算法，在每次触发优化时算法基于当前最新的动态变量数据与修正后的约束参数在可行域内搜索最优解并提供不同优化目标权重下的方案比选。

12、作为一种优选的技术方案，步骤s2中所述动态感知网络所采集的数据包括微震监测系统获取的岩体破裂事件三维坐标与能量、巷道顶板离层仪与多点位移计监测的围岩分离与变形速率、高精度水准仪与gnss监测站获取的地表移动时序数据、以及井下钻孔渗流监测设备获取的水文动态数据，这些数据经过预处理和时空配准后不仅用于更新状态快照，还用于反演分析工作面前方与煤柱内部的应力分布演化、覆岩关键层破断状态以及导水裂隙发育高度，从而为步骤s3中约束条件的右端项提供更为精细和前瞻性的修正依据。

13、作为一种优选的技术方案，步骤s5中所述的预警阈值是根据约束的安全裕度进行分级设置的，系统设置绿色安全区、黄色预警区与红色警报区，当监测数据表明某项约束的安全裕度下降至黄色预警区时系统自动标记风险并提示工程技术人员关注并可触发低优先级优化重算以评估潜在调整方向，当安全裕度进入红色警报区时系统立即触发高优先级优化重算并自动生成煤柱临时加固、开采速度调控或局部增留煤柱的应急方案建议，同时将警报与方案推送至相关决策人员以供紧急审批执行。

14、作为一种优选的技术方案，该方法适用于处理受邻近采空区侧向支承压力影响的区段巷道保护煤柱的优化，在此场景下步骤s3的工程稳定性约束中需重点考虑煤柱的长期强度稳定性与蠕变特性，通过结合步骤s2中监测的巷道变形速率与煤柱应力数据动态评估煤柱的损伤与塑性区范围并以此修正煤柱有效承载宽度的计算模型，优化目标是在保证巷道使用期间断面满足要求的前提下尽可能缩小区段煤柱的宽度，其优化结果指导工作面停采线与巷道支护方案的动态调整。

15、作为一种优选的技术方案，步骤s5中输出的可执行设计成果以数字化的采掘工程平面图、三维地质模型更新图层及施工参数表单的形式下发，系统自动对比新旧版本的煤柱边界并计算变化区域的煤量增减及评估调整带来的安全与经济效益，所有的优化决策、触发条件、输入数据、输出结果及审批流程均被完整记录在区块链或具有防篡改功能的数据库中，形成可追溯、可审计的完整决策链。

16、作为一种优选的技术方案，所述方法通过一个集成的智能优化系统平台来实施，该智能优化系统平台包括地质数据管理、实时监测接入、模型计算引擎、优化求解器、可视化展示与工作流驱动模块，智能优化系统平台提供应用程序接口以使得智能优化系统平台能够与矿方的地测空间管理信息系统、安全监测监控系统及生产执行系统进行数据集成与指令交互，实现从数据感知到设计优化再到生产指令下达的自动化与智能化闭环管理。

17、本技术还提供一种矿井保护煤柱智能动态留设优化系统，用于实现上述的矿井保护煤柱智能动态留设优化方法，所述系统包括：

18、地质与设计基础数据库模块，用于存储和管理煤层地质信息、岩移参数、保护对象信息及初始煤柱设计方案；

19、动态感知与数据融合模块，用于接入并处理来自地表沉降监测、井下围岩变形监测、微震监测、水文监测等多种传感器的实时与历史数据，以生成时空统一的状态快照；

20、安全约束建模引擎，用于根据保护对象类型与安全标准将变形约束、隔水约束与稳定性约束形式化为参数化的可机读不等式模型，并能接收状态快照数据对模型参数进行动态修正；

21、智能优化求解模块，内置多种数学规划与智能优化算法，用于在安全约束模型定义的可行域内以煤柱尺寸最小化或资源回收最大化为目标，求解最优煤柱边界方案并计算各约束的实时安全裕度；

22、设计成果生成与发布模块，用于将优化结果自动转换为更新的工程图件、控制坐标与施工指导文件，并通过工作流驱动其进行审核与发布；

23、风险预警与闭环控制模块，用于持续监测安全裕度并在触及预警阈值时自动触发重新优化流程并对应急调整方案进行管理；

24、所述各模块通过系统总线与数据服务进行连接与协同。

25、与现有技术相比，本技术的有益效果在于：

26、本技术通过构建一个集动态感知、建模优化与闭环控制于一体的智能方法，改变了保护煤柱留设的静态模式。

27、首先，本方法通过持续集成开采过程中的多源实时监测数据，动态更新表征岩层移动规律的关键参数，使煤柱留设的设计基础能够随开采实际响应而校准，显著提升了设计的针对性与精确性，为缩小煤柱尺寸提供了科学依据。

28、其次，通过将保护对象的安全要求形式化为可计算的安全约束不等式模型，并以煤柱尺寸最小化或资源回收最大化为目标进行在线优化求解，实现了在严格满足安全阈值前提下的煤柱尺寸精益化设计，从而能够直接、定量地解放被保守设计压覆的煤炭资源。

29、最后，本方法建立了完整的“监测 - 评估 - 优化 - 预警 - 再优化”闭环，当实时监测数据表明安全裕度偏离预设区间时，系统可自动触发重评估与再优化流程，并生成相应的预警或调整指令，使得保护煤柱的留设从一个前期的一次性决策，转变为贯穿开采全周期的、可动态调整的、风险可控的智能化管理过程，在保障安全的前提下实现了资源回收率的最大化。