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项目名称 支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统
项目品类 信息类型
参考价格 面议 万元 项目状态
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技术项目信息登记表(供给方)

技术项目名称 支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统
行业分类 一级    二级    三级 
战略性新兴产业分类 一级    二级    三级 
6+1产业分类
权属人所属地域 省    市    区 
项目权属 (个人或单位名称) 个人
专利情况 有   专利号:
无  (多项专利可在项目简介中列出)
专利类别 发明    实用新型      外观设计
申请日 授权日
意向价格 面议 万元
合作方式 技术转让 


商业计划及前景



地应力反分析系统商业计划书

一.系统概况

地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力,也称岩体初始应力。它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下开挖工程变形和破坏的根本作用力,是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要条件。决策过程中所有的计算和分析都必须在已知地应力的前提下进行。如果对工程区域的实际原始应力状态一无所知,那么任何计算和分析都将失去其应有的真实性和实用价值。

地应力的测量方法,就世界范围而言,目前各种测量方法有数十种之多,而测量仪器则有数百种之多,但因费用昂贵、试验结果离散性大以及不适合井下环境等因素,使得不足以为设计提供所需的有用的信息。

本系统使用的边界元位移反分析法得到的结果能全面真实地反映围岩状态,它是通过围岩在施工中的反响,来判断其“黑箱”中有关内容和推测以后可能出现的变化规律,由于位移量测比应力量测更经济、方便,且较易获取,所以更为工程所广泛采用,成为控制巷道稳定最现实的方法,已经成为一种较为成熟的地应力测量手段。

二.行业分析

采矿工程中,地下采掘空间对周围岩体内的原岩应力场产生扰动,使得原岩应力重新分布,并且在井巷和采场的围岩中产生几倍于原岩应力的高值应力(所谓的二次应力)。围岩随之变形,随着时间的延长,围岩变形继续扩大,甚至引起围岩破坏或支护物破坏,这就是我们常说的矿山压力显现。由此可见,矿山压力的来源与原岩应力密切相关,围岩稳定性显然是以原岩应力场为前提条件的。在计算任何人工开挖的岩体周围的应力分布以前,必须测量或估算开挖前的应力状态。

原位测量是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方法。因为尽管原岩应力的各种假说和理论对认识地壳的受力规律有一定的参考价值,但对于工程而言,都或多或少、或大或小存在各种地质构造和影响原岩应力大小和方向的错纵复杂的因素,因而没有也不可能有任何一种理论可以完全取代实测方法而能给出工程需要的可靠的资料。美国、西欧各国、澳大利亚、加拿大、南非、日本等都普遍开展了原岩应力量测。我国于上世纪60年代末进行了这项工作,并于70年代末开展的比较普遍。1964年,在陈宗基教授带领下,中科院武汉岩土所在湖北大冶铁矿进行了我国首次应力解除法测量原岩应力,测量深度为-80m1966年,李四光教授在河北省隆尧县建立了我国第一个地应力测量观测站。原岩应力测量在葛洲坝、二滩水电站、长江三峡建设工程中,发挥了重要作用。许多煤矿尤其是金属矿都开展了大量的原岩应力测量工作。

地应力实测常伴随有大量辅助工程,工作量大,费用很高,即使对投资很大的工程也只能进行少数几个点的地应力测量,所以大量的中小型工程没有条件进行地应力测量。而本反分析系统不象一般的地应力实测要很大的附加工作量,位移的观测是在施工过程中实现的,从而非常经济的得到了反映围岩应力状态宏观概括的反分析成果。

可以看出,本系统的市场重点在中小型工程。

三.产品优势

本系统暂时由四部分组成,控制用计算机、定制软件、相对位移观测仪器和使用说明书。

从原理上讲,原岩应力的实测方法除水压致裂法外也属于反分析法,只不过是通过原岩应力区岩石的应变来反算原岩应力的。这种应变需要某种传感器通过应力解除技术才能测量,而且传感器的安装和应力解除在技术上难度大,成功率低,可靠性差。由于任何地下工程围岩的位移可以用位移计十分方便地测量,所以,使用本系统来反算原岩应力自然就成为地下工程界所欢迎的选择。

岩体的开挖改变了边界条件,岩体的开挖面均将产生相应变形,变形的大小综合地反映了岩体的地质参数和地应力场的规模。根据开挖后的实测变位值反求原始应力场,这种方法称之为地应力场反分析,是取得地应力场的重要手段,而且是反求围岩的力学参数和原始应力场的一个具有很大实用价值的方法。

首先是因为洞室开挖后的变形综合地反映了岩体复杂力学特性及原始应力的影响,反分析的成果是围岩性质的宏观概括,利用这一资料可对即将开挖的洞段进行围岩稳定和变形预报。其次,这种观测是在施工过程中进行的,无须如一般的地应力实测要很大的附加工作量,因而是非常经济的。

四.竞品分析

原岩应力或称地应力,是岩石地下工程设计、施工和冲击地压预警中十分重要的参数,对于它的确定目前多采用理论计算或实测的方法。就理论计算而言,由于现有的原岩应力场理论均不涉及构造应力的计算,而采场开采更是在复杂层状岩体中的一个复杂力学过程,绝大多数情形下找不到一个可求解的力学模型。通过实测法可获得矿山开采过程中围岩任何一点的应力,但实际操作非常复杂,通常需化费大量的人力物力。因此,工程实践需要发展新的比较方便和廉价的测试方法来作为补充。由于位移反分析法所需要的位移测试系统比较容易建立、廉价、量测的结果也较为可靠,所以国内外已逐渐重视它。目前已经提出的为数不多的研究结果表明,反分析成果可同时用于地压分析和校核支护设计,以位移反分析法为理论基础的本系统是一种很有前途的产品。

近半个世纪来,随着地应力测量工作不断开展,各种测量方法和仪器也不断发展起来,种类繁多。例如对于煤矿冲击地压监测预警来说,主要使用的岩石力学方法有:

1) 煤粉钻屑法

该方法简单,便于实施,能直接反映煤体压力大小,并且通过不同深度的取屑,可以测量煤体不同深度的压力状态,实现线监测。缺点是:探测范围小,打钻工程量大,钻机布置受巷道断面、设备等影响,取屑、称量等过程人工操作存在较大误差,目前还不能实现在线监测,探测范围有限,有时顾此失彼。

2钻孔应力计法

最早由原煤炭科学研究总院北京开采研究所研发,通过在煤体中埋设带有油管的压力枕来间接反映煤体应力值。钻孔应力计法测试的是煤体相对应力值,这个值虽然不是煤体垂深位置处的真实垂直应力,但可以得到监测处采动应力变化。2004年这套仪器实现了在线连续监测,主要监测应力变化梯度,命名为采动应力监测系统。该方法的优点是:直接深入煤体中探测煤体应力大小,不受外界干扰;监测数据可实现自动采集,在线传输;监测范围随着传感器的增加而增大;探测应力值属于超前探测,也是冲击地压的力源探测,符合冲击地压发生机理。不足之处是:传感器只能反映所在位置的应力,属于监测,每个传感器性能、初始参数各异,因此相邻传感器探测值离散性较大,不适合关联分析;监测数据受安装质量影响很大。

(3) 支架载荷法

支架载荷是回采工作面和巷道矿压最基本的观测内容,其通过支护体受力的大小和变化来反映外载特征,主要观测项目有液压支架工作阻力、锚杆及锚索载荷等,近年来支架载荷的监测仪器实现了在线连续监测。冲击地压发生前的应力集中和能量聚集一定会在支架载荷上有所反映,但支架载荷受多种因素影响。然而,近期冲击地压发生主要在综放工作面的回采巷道,单纯依靠支架载荷还不能及时准确预警冲击地压。

目前没有任何一种单一的方法能够较准确地预测冲击地压,需和包括地球物理方法在内的多种方法联合预警、权重分析可以进一步增强冲击地压预警的可能性。

五.市场预测

矿产资源是人类生存和发展的重要资源,它构成了生产要素的重要组成部分。据统计,全世界有95的能源和80的工业原料来自于矿物原料,一个国家的经济实力以及综合国力和矿产资源有很大的关系。

中国的地理资源复杂多变,地域广阔,横跨三大构造地带。由于处于多个板块的交界处,地壳活动频繁,使得中国矿藏无论从储量上还是种类上在世界上排名都是靠前的。由于矿产资源的储量比较可观,以及近年来国内经济的迅速发展对于资源的大量需求,采矿工程学和对于采矿过程中安全问题的研究正在迅速发展起来。由于我国矿产资源多储于地下,露天矿开采还比较少,而且已逐渐进入深部开采阶段。深部的地应力比较大,地压显现比较严重。所以我国矿山对于地压的监测和管理显得尤为重要。

地应力状态等关于采矿基础信息的获取是金属矿山采矿设计及优化的前提条件,应力、位移等多种现场监测手段是实现金属矿山采矿优化设计的保证。

综上所述,本产品有着广阔的国内市场。

六.核心团队

薛恩瑞(1946——):男,山西省晋城市人1968年毕业于山西农大资源与坏璄专业长治职业技术学院采矿系副教授,从事岩土工程的教学与研究工作40年。著有软件作品支护条件下地压反分析边界元法计算程序,已取得国家版权局颁发的软件著作权证书,同名科研成果通过了省级鉴定。出席第五届国际岩石力学研讨会的中国代表之一,在国内外发表矿工程问题的地应力测量在地震预报中应用的可行性研究等论文多篇

联系方式:E-mail:xueenrui46@163.com电话:13521118712

周鑫(1966——):男,北京人。1989年毕业于武汉大学计算机专业,毕业后在西门子公司从事通信网络工作15年,后与同事一起创业,继续在IT 领域耕耘,是本系统目标程序部分的主要完成人。

七.发展规划

在信息化发展的今天,依靠自身力量将企业做大已不再可行,以合作共赢为前提的商业运营将更有利于推动企业的快速发展。供已所有,取已所需,遵循1+1>2的原则,方能将有限的资源最大化。

初期目标:完成技术入股?作。科技成果作价入股已经成为科技成果转化的重要方式希望尽快找到一家专业对口实力雄厚的企业,与其形成最牢固有效的技术利益联盟推动技术成果的资本化、产业化,促进产业结构转型升级。

中期目标:实现在线监测。本产品的核心技术是定制软件,随着数据采仪器逐渐趋向于自动化,通过无线或者现场总线技术,连接传感器附近的各采集器,进行远距离采集巷道围岩变形值等几何数据的采集,传输到地面后再通过反分析系统得到地应力值,实现在线监测,使本系统成为多参量综合监测模式中的组成部分。




项目简介



支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统简介


2008年四川汶川“5.12”大地震后,所有的人都知道了地売中的岩体存在着地应力。在采矿工程和其它地下开挖工程中,地应力的大小是决定顶板灾害事故发生与否的主要因素之一。地层空间应力状态是引起采掘过程中围岩变形、岩体离散移动和垮落、煤和瓦斯突出以及支架受压损害等矿压显现的根本作用力。因此,对地层原岩应力状态的深入研究,不但是确定工程岩体的力学特性,进行围岩稳定性分析的必要前提,同时也为实现采掘设计和决策的科学化提供了必要的科学依据。所以,为了更好地保证地下矿山的安全生产,并最大限度地开采矿产资源,我们必须研究矿山压力及岩层活动规律。研究地下采矿工程诱发的地层空间应力场的演变变化规律,发展岩层支护技术与控制措施,这是采矿学科的一个永恒的重要主题。

一.基本功能

原岩应力是地下工程设计、施工中十分重要的参数,对于它的确定目前多采用理论计算或实测的方法。就理论计算而言,由于现有的原岩应力场理论均不涉及构造应力的计算,从而该方法的计算结果往往与实际情况有很大差别,所以这些理论在使用时受到很大程度的限制;利用实测的方法原则上可以准确获得工程区域内的原岩应力分布情况,但由于测量时消耗的人力、物力、财力过大,技术操作十分复杂。使得工程设计部门在一般情况下也难以实施。现在,随着本系统的研制成功,可以利用已开挖的地下工程围岩的位移来反算原岩应力,它以方便、节省财力受到工程界的日益重视。

二.主要特点

1.十分方便

从原理上讲,原岩应力的实测方法除水压致裂法外也属于反分析法,只不过是通过原岩应力区岩石的应变来反算原岩应力的。这种应变需要某种传感器通过应力解除技术才能测量,而且传感器的安装和应力解除在技术上难度大,成功率低,可靠性差。由于任何地下工程围岩的位移可以用位移计十分方便地测量,所以,使用本系统来反算原岩应力自然就成为地下工程界所希欢的选择。

2.非常经济

《支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统》,得到的结果能较全面、真实地反映围岩力学状态由于岩体的开挖改变了边界条件,岩体的开挖面均将产生相应变形,变形的大小综合地反映了岩体的地质参数和地应力场的规模。根据开挖后的实测变位值反求原始应力场,这种方法称之为地应力场反分析,是取得地应力场的重要手段,而且是反求围岩的力学参数和原始应力场的一个具有很大实用价值的方法。首先是因为洞室开挖后的变形综合地反映了岩体复杂力学特性及原始应力的影响,反分析的成果是围岩性质的宏观概括,利用这一资料可对即将开挖的洞段进行围岩稳定和变形预报。其次,这种观测是在施工过程中进行的,无须如一般的地应力实测要很大的附加工作量,因而是非常经济的。

3能测试水平应力

就围岩压力来看,过去较为重视垂直压力的作用,上世纪末以来,对水平应力研究较多,究其原因是以前缺乏对岩体应力的测试方法,原岩应力状态难以测定,然而本软件系统完全能够解决这一难题。这种了解的价值对于设计和施工来讲是至关重要的,因为水平应力是影响巷道顶板冒顶、底板鼓起、两帮内挤的主要因素。如果对工程区域的实际原岩应力一无所知,任何计算和分析都将失去其应有的真实性和实用价值。

4适用于井下的工作环境

在现实岩石开挖的过程中,存在着许多问题影响着其测量的精确性和准确性,诸如:受现场条件限制严重、局限性大;岩体内部性状变化测试困难;现有的矿山实用的测试仪器、仪表粗糙落后,其它领域较先进的仪器、仪表又无法适应煤矿井下潮湿多粉尘的工作环境;对非测量地区缺乏延展意义等问题。而这些问题在本软件系统中都能得到很好的解决。

5可以确定巷道和采场的最佳断面形状

对矿山设计来说,只有掌握了具体工程区域的地应力条件,才能合理确定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸。根据弹性力学理论,巷道和采场的最佳断面形状由其断面内两个主应力的比值来决定。为了减少巷道和采场周边的应力集中现象,它们最理想的断面形状是一个椭圆,而这个椭圆在水平和垂直方向的两个半轴的长度之比与该断面内水平主应力和垂直主应力之比相等。在此情况下,巷道和采场周边将处于均匀等压应力状态。这是一种最稳定的受力状态。当然,实际工作中的采场和断面形状还要考虑工程需要、经济性和其它条件来决定。

6计算结果是工程设计和岩体分类的重要依据

工程岩体分类十分必要,分类的目的在于,整理和传授岩石中开挖地下工程的经验,是将分散的实践经验加以定量化的合理骨架,以及应用前人经验进行支护设计的桥梁。对工程岩体的优劣给预明确的区分和定性的评价,为岩体工程的勘察、设计和编制定额提供必要的基本依据。

我国工程岩体分级标准(GB5021894)中已把地应力参数列为重要依据。其它的岩体结构参数还有:岩石的强度、岩体结构面的分布和工程规模等因素。

7 数据采集仪器的操作简单

根据量测项目及国内量测仪器的现状,我们选择了简单可靠、耐用、成本低的量测手段。量测项目选择为最基本的收敛量测,仪器的操作十分简单。它只是一个与百分表相联接的镍铁合金尺,俗称钢尺。主要由支架、百分表、带孔钢尺、弹簧、连接球铰、测杆等部分组成。我们用这种仪器在潞安集团慈林山煤业有限公司完成了数据采集工作并提供了计算成果,同时也验证了软件的正确性。

三.已经完成的工作

1. 参加第五届国际岩石力学会议

200712鉴定以后的第一项有意义的事情是出席第五届国际岩石力学会议。国际岩石应力研讨会是国际岩石力学学会组织的有关地应力研究专业领域的国际会议,该会议已瑞典、日本(两届)、挪威举办过四届。本届国际会议经国际岩石力学学会批准,于2010 8 月在中国北京召开。会议宗旨是为从事地壳动力学、岩石力学与岩土工程测试技术的学者和专家提供一个国际交流和共同探讨的机会,展示地应力研究的新进展,推动相关领域的科学进展。

在本次会议研发者发表了一篇论文题目是:采矿工程问题的地应力测量在地震监测系统应用的可行性研究,论文首先简要介绍了相对地球动力学说”,该学说采用物理学原理说明地震动力源的不可抗性。在此基础上,本文提出了在全国的矿井中同时而连续地测量地应力场的基本思想。最后,本文导出了边界元法的地应力场计算公式,并以一个煤矿巷道的实例计算证明了程序的正确性和边界元法反分析地应力场的优越性。
第五届岩石应力国际研讨会(ISRS V)学术委员会的选择和评审,论文已被包括在由泰勒和佛朗西斯出版社出版的发行于全世界的研讨会学报中。

通过参加此次国际会议和在国际上发表论文,说明项目已得到了国际岩石力学委员会专家的认可和肯定。

2.项目的实践检验

众所周知,科技成果在完成技术鉴定之后,还必需经过一个熟化的过程,才能转化为生产力。2010年秋,研发者为陵川县关岭山煤矿进行了一次技术服务,目的是完成项目中试。后来将这项工作的全过程写成论文,投稿给了山西煤炭期刊社,发表在2011年第3期。题目是“陵川县关岭山煤矿152井田边界巷地压测量报告”

论文介绍了用“支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统”测算煤矿巷道地压的全过程:用收敛计测量巷道的收敛值,然后用线性回归法对原始数据进行处理,将处理后的数据输入计算机的程序系统算出地应力,再用正分析检验正确性。最后列出计算成果在工程中的实际应用,证明了这种地压测量方法的方便、灵活、是取得地应力场数据的重要手段。

这次服务的意义在于它是第一次把项目应用于生产实践。实践证明,用本项目软件得到的结果能全面真实地反映围岩应力状态,它是通过围岩在施工中的反响,来判断其“黑箱”中有关内容和推测以后可能出现的变化规律。由于位移量测比应力量测更经济,数据易获取,以及能适合井下环境等因素,所以能为井下工程广泛采用,且成为控制巷道稳定最现实的方法。

3.山西科技报的宣传

2015618日,研发者在山西科技报发表题为简论矿山信息化的科普论文,向公众讲明了项目推广的必然性:随着国家煤炭行业体制改革的不断深化、现代信息技术的飞速发展,煤炭管理信息化将为煤炭工业的可持续发展提供良好的条件煤炭行业的信息化建设必将成为煤炭行业发展的必然趋势。
4.已取得著作权证书

根据中华人民共和国著作权法,本项目之软件已于2008927日取得国家版权局颁发的登计证书。证书编号:软著登字108492号。著作权的取得,是指著作权人已取得了著作权法的保护。

5.已通过中国软件评测中心的评测

中国软件评测中心隶属于国家工信部,2011726日,该中心根据CSTC软件产品测试规范及评分标准V3.0,对本项目软件进行了登计测试。测试结论如下:

“该软件属于应用软件,包括获取数据、参数选择、计算地应力等主要功能,上述主要功能抽查测试基本正常。CSTC登计测试结果表明:该非嵌入式软件功能基本满足登计测试规范的要求。”

6. 安全监管总局将本项目列为2013年安全生产重大事故防治关键技术科技项目

文件号:安监总厅科技[2013]140号。






获得资助情况
(国家计划课题等)
科技型中小企业技术创新基金 
项目开发阶段 中试
样品情况 样品类型 实物 


信息有效期   2018-01-22   至   2021-12-31

项目联系人信息

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