國家科技獎答辯

申報單位：中國礦業(yè)大學(xué)匯報人：何學(xué)秋教授博導(dǎo)二○○六年六月煤礦沖擊礦壓電磁輻射監(jiān)測預(yù)警技術(shù)與裝備及其應(yīng)用2006年國家科技進步獎匯報材料匯報提綱一、立項背景二、主要技術(shù)內(nèi)容與創(chuàng)新點三、技術(shù)先進性及知識產(chǎn)權(quán)四、推廣應(yīng)用及效益五、推動科技進步作用一、立項背景煤礦沖擊礦壓災(zāi)害煤炭占我國一次能源的70％左右，2005年我國生產(chǎn)原煤21.9億噸。我國30%以上的原國有重點大中型礦區(qū)受沖擊礦壓威脅。隨開采深度及開采強度增加，沖擊礦壓災(zāi)害日趨嚴重。沖擊礦壓災(zāi)害嚴重影響煤礦的安全高效生產(chǎn)。煤礦投入大量的人力、物力預(yù)防沖擊礦壓。沖擊礦壓事故一、立項背景煤礦沖擊礦壓災(zāi)害沖擊礦壓是采掘空間周圍煤巖體中聚集的能量突然大量釋放，快速破壞煤巖體，并產(chǎn)生劇烈震動，造成采掘空間嚴重破壞的煤礦災(zāi)害。我國最大的沖擊礦壓里氏4.3級，破壞巷道500多米，地面震感明顯，已成為公共安全問題。沖擊后沖擊礦壓能引起煤巖層和采空區(qū)中的瓦斯大量突然涌出，引發(fā)瓦斯爆炸事故。安徽淮北蘆嶺2003年“5.13”頂板沖擊誘發(fā)瓦斯爆炸事故，死亡84人。遼寧阜新孫家灣2005年“2.14”沖擊礦壓－瓦斯爆炸事故，死亡214人。

一、立項背景沖擊礦壓現(xiàn)有的技術(shù)不能及時、準確地評價煤礦沖擊危險性，迫切需要開發(fā)安全、高效的實時連續(xù)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及裝備。

通過向煤體打鉆測取鉆屑量指標進行預(yù)測。需要打鉆、易誘發(fā)災(zāi)害，是靜態(tài)預(yù)測，難以反映煤巖破壞過程信息，無法實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測預(yù)警。一、立項背景沖擊礦壓預(yù)測技術(shù)現(xiàn)狀預(yù)測方法有鉆屑法、聲發(fā)射法、微震法、圍巖變形法等。在我國得到普遍應(yīng)用的是鉆屑法。二、主要技術(shù)內(nèi)容與創(chuàng)新點研究思路：實驗—理論—技術(shù)與裝備—推廣應(yīng)用理論、實驗室和現(xiàn)場試驗研究煤巖沖擊破壞過程電磁輻射效應(yīng)規(guī)律沖擊礦壓電磁輻射實時監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及裝備現(xiàn)場推廣應(yīng)用驗證和完善技術(shù)內(nèi)容一：揭示了煤巖沖擊破壞過程的電磁輻射規(guī)律

沖擊礦壓發(fā)生過程沖擊礦壓是一種動態(tài)演化過程導(dǎo)致的突發(fā)性災(zāi)害。實時監(jiān)測煤巖沖擊的演化過程是對災(zāi)害有效預(yù)測的重要途徑。煤巖沖擊破壞過程中產(chǎn)生電磁輻射（EME），是能量耗散的一種形式。載荷越大，變形破裂過程越強烈，電磁輻射越強。煤巖沖擊破壞之前，電磁輻射及其變化率有顯著的增加。通過電磁輻射可以實時監(jiān)測煤巖破裂過程。技術(shù)內(nèi)容一：揭示了煤巖沖擊破壞過程的電磁輻射規(guī)律

煤巖沖擊破壞過程的電磁輻射規(guī)律實驗室測試曲線電磁輻射是寬頻的，主頻段是變化的，隨破壞程度增加向高頻段遷移煤巖動力過程必須監(jiān)測寬頻電磁輻射信號，采用雙指標（E，N）監(jiān)測電磁輻射頻譜特征技術(shù)內(nèi)容一：揭示了煤巖沖擊破壞過程的電磁輻射規(guī)律

煤巖沖擊破壞過程的電磁輻射頻譜特征大量的現(xiàn)場試驗研究表明：沖擊礦壓發(fā)生前，電磁輻射及其變化率有顯著的增加。通過電磁輻射可以實時監(jiān)測沖擊礦壓過程，預(yù)報沖擊礦壓。技術(shù)內(nèi)容一：揭示了煤巖沖擊破壞過程的電磁輻射規(guī)律

現(xiàn)場煤巖的電磁輻射規(guī)律兗州濟二礦2303工作面前方動壓區(qū)電磁輻射分布新汶華豐煤礦3406工作面沖擊與電磁輻射研究得到了煤巖破裂過程電磁輻射的力電耦合模型：實驗?zāi)M式中，—應(yīng)變；－軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力；—Weibull分布的分布標度和以應(yīng)變形式表征的形態(tài)參數(shù)；—電磁輻射脈沖數(shù)增量和累計脈沖數(shù)；—完全破壞的電磁輻射累計脈沖數(shù)。

技術(shù)內(nèi)容一：揭示了煤巖沖擊破壞過程的電磁輻射規(guī)律

煤巖電磁輻射理論模型技術(shù)內(nèi)容二：

沖擊礦壓電磁輻射非接觸實時監(jiān)測預(yù)警裝備在線式監(jiān)測儀接收天線主機遠程傳輸電纜便攜式連續(xù)監(jiān)測儀接收天線主機主要技術(shù)參數(shù)及特點：監(jiān)測信號：寬頻帶（1k~500kHz）電磁輻射信號監(jiān)測指標：電磁輻射強度E和脈沖數(shù)N兩個指標監(jiān)測預(yù)警方式：非接觸、定向區(qū)域、實時監(jiān)測及預(yù)警防爆型式：礦用，本質(zhì)安全型裝備關(guān)鍵技術(shù)：寬頻帶、高靈敏度、定向抗干擾接收天線；電磁輻射信號采集及數(shù)據(jù)處理技術(shù)；沖擊危險性電磁輻射信息分析判識技術(shù)及軟件；礦用本安型設(shè)計制造技術(shù)。A/D轉(zhuǎn)換CPU防爆本安電源顯示與預(yù)警監(jiān)測主機地面監(jiān)測預(yù)警中心接收天線放大濾波信號輸出KJ系統(tǒng)分站井下部分防爆本安數(shù)據(jù)存儲技術(shù)內(nèi)容二：

沖擊礦壓電磁輻射非接觸實時監(jiān)測預(yù)警裝備由煤巖沖擊破壞過程的電磁輻射規(guī)律及電磁輻射理論模型建立了沖擊礦壓危險性的電磁輻射預(yù)測準則：電磁輻射的強度、脈沖數(shù)是沖擊礦壓前兆的敏感指標，其大小和變化率超過臨界值就有沖擊礦壓災(zāi)害危險。式中，和分別為有弱危險和強危險時電磁輻射脈沖數(shù)的臨界值系數(shù)；和分別為有弱危險和強危險時的電磁輻射強度臨界值系數(shù)；

E為電磁輻射強度；N為電磁輻射脈沖數(shù)；為應(yīng)力。技術(shù)內(nèi)容三：沖擊礦壓電磁輻射實時監(jiān)測預(yù)警技術(shù)沖擊礦壓預(yù)測準則根據(jù)預(yù)測準則和大量實驗，確定了臨界值與動態(tài)趨勢相結(jié)合的預(yù)測方法，實現(xiàn)分級預(yù)警。無危險弱危險強危險臨界值E<1.3EwN<1.7NwE≥1.3Ew或N≥1.7NwE≥1.7Ew或N≥2.3Nw動態(tài)趨勢KE<1.3KN<1.7或KE≥1.3或KN≥1.7或KE≥1.7或KN≥2.3措施不需采取措施需要采取措施撤人或立即措施EME強度動態(tài)趨勢系數(shù)KEEME脈沖數(shù)1.3Ew1.7Ew1.7Nw2.3Nw1.3KN1.71.72.3安全弱危險強危險技術(shù)內(nèi)容三：沖擊礦壓電磁輻射實時監(jiān)測預(yù)警技術(shù)沖擊礦壓分級預(yù)警技術(shù)技術(shù)內(nèi)容三：沖擊礦壓電磁輻射實時監(jiān)測預(yù)警技術(shù)沖擊礦壓監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測方法監(jiān)測方式：在采掘工作面集中區(qū)布置2－3個接收儀，天線朝向被監(jiān)測區(qū)域，隨工作面推進前移。監(jiān)測儀進行實時監(jiān)測及預(yù)警，并將結(jié)果傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測預(yù)警中心。監(jiān)測到有沖擊危險時，及時預(yù)警并采取解危措施。工程應(yīng)用過程

實驗室煤巖沖擊傾向性鑒定實時監(jiān)測危險區(qū)域監(jiān)測技術(shù)三級預(yù)警技術(shù)分級預(yù)警弱危險邊作業(yè)，邊治理強危險停止作業(yè)，撤人，治理有危險無危險電磁輻射監(jiān)測預(yù)警裝備本項目的主要創(chuàng)新點研究并揭示了煤巖沖擊破壞過程的電磁輻射規(guī)律，提出了電磁輻射法非接觸、連續(xù)監(jiān)測預(yù)警沖擊礦壓的原理。提出了沖擊礦壓電磁輻射監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，實現(xiàn)了沖擊礦壓的定向、非接觸、連續(xù)監(jiān)測和危險性的分級預(yù)警。開發(fā)了礦用本安型沖擊礦壓非接觸、實時監(jiān)測預(yù)警裝備。預(yù)警原理創(chuàng)新預(yù)警技術(shù)創(chuàng)新預(yù)警裝備創(chuàng)新徐州三河尖礦可采儲量3.01億噸,年產(chǎn)180萬噸。危險區(qū)占開采儲量的五分之三（1.8億噸），有些采區(qū)因動力災(zāi)害而被迫停采。采用電磁輻射預(yù)測，恢復(fù)生產(chǎn)，解放了資源?，F(xiàn)已安全回采6個面，生產(chǎn)煤炭150萬噸。預(yù)報有危險應(yīng)用實例：（一）徐州三河尖煤礦9202工作面，開采深度已達850m，上覆有7煤7202工作面殘留的煤柱，應(yīng)力集中程度相當嚴重。煤柱區(qū)垂直應(yīng)力分布（集中系數(shù)10以上）應(yīng)用實例：（一）徐州三河尖煤礦采用電磁輻射技術(shù)成功地進行監(jiān)測預(yù)警，并采用卸壓方法進行了解危。9202工作面已安全回采完畢。煤柱區(qū)卸壓爆破前后電磁輻射幅值變化應(yīng)用實例：（一）徐州三河尖煤礦應(yīng)用實例：（一）徐州三河尖煤礦無危險有危險無危險有危險7204工作面沖擊嚴重，采用電磁輻射技術(shù)保證了安全預(yù)警。預(yù)測有危險,采取措施不到位發(fā)生沖擊災(zāi)害（在24日中班預(yù)報有危險，安排25日卸壓，需8個鉆孔，僅打4個，卸壓未到位，在26日中班發(fā)生沖擊礦壓)新汶華豐礦年產(chǎn)140萬噸,-500m以下受沖擊礦壓的威脅。

02年開始使用電磁輻射技術(shù),現(xiàn)已安全生產(chǎn)5個面，采煤300萬噸。應(yīng)用實例：（二）華豐煤礦新汶華豐煤礦1409工作面監(jiān)測預(yù)警曲線（04年02月15日－04年04月11日）0.7級沖擊1.0級沖擊1.0級沖擊應(yīng)用實例：（二）華豐煤礦木城澗煤礦是北京昊華能源股份公司的主產(chǎn)礦井，沖擊礦壓較為嚴重。2004年4月開始采用電磁輻射技術(shù)監(jiān)測沖擊礦壓及頂板穩(wěn)定性。5.26冒落120m25.27冒落1000m2木城澗煤礦3段采掘平面圖應(yīng)用實例：（三）北京木城澗煤礦波蘭煤礦沖擊礦壓嚴重，70%的煤礦有沖擊危險。波蘭對本技術(shù)高度重視。中－波政府科技合作項目《采動覆巖運動型沖擊礦壓機理及防治研究》應(yīng)用實例：（四）波蘭zofiowka礦Zofiowka煤礦年產(chǎn)300萬噸,－600m以下受沖擊礦壓的威脅。本技術(shù)在該礦進行了成功應(yīng)用。危險區(qū)域應(yīng)用實例：（四）波蘭zofiowka礦監(jiān)測指標：電磁輻射強度和脈沖數(shù)實現(xiàn)功能：非接觸、連續(xù)監(jiān)測及分級預(yù)警準確率：預(yù)測無危險100%，有危險＞70%技術(shù)成熟度：技術(shù)成熟度高，適用范圍廣防爆型式：礦用，本質(zhì)安全型三、技術(shù)先進性及知識產(chǎn)權(quán)（一）主要技術(shù)經(jīng)濟指標比較項目本項目國內(nèi)國外非接觸、實時監(jiān)測預(yù)警裝備√——實時動態(tài)預(yù)警技術(shù)√——安全性好可能誘發(fā)災(zāi)害可能誘發(fā)災(zāi)害準確率預(yù)測無危險100％預(yù)測有危險>70%60%60%三、技術(shù)先進性及知識產(chǎn)權(quán)（二）國內(nèi)外比較本申請項目共獲3項專利：獲得國家發(fā)明專利授權(quán)1項（ZL98111185.8）獲得實用新型專利授權(quán)1項(ZL01272808.X）申請發(fā)明專利待授權(quán)1項(公開號：CN1619340）三、技術(shù)先進性及知識產(chǎn)權(quán)（三）知識產(chǎn)權(quán)情況具有自主知識產(chǎn)權(quán)本技術(shù)裝備通過國家防爆安全、質(zhì)量性能檢驗（MA

，Ex），獲得生產(chǎn)和使用許可。三、技術(shù)先進性及知識產(chǎn)權(quán)（四）行業(yè)認證四、應(yīng)用及效益（一）推廣應(yīng)用情況在30多個不同類型的沖擊礦壓煤礦、礦區(qū)進行了廣泛的推廣應(yīng)用。全國約70%沖擊礦壓嚴重礦區(qū)已采用該成果。序號應(yīng)用單位序號應(yīng)用單位1徐州三河尖煤礦18阜新五龍煤礦2新汶華豐煤礦19阜新海州立井3新汶?yún)f(xié)莊煤礦20阜新王營礦4新汶孫村煤礦21曲阜單家村煤礦5兗州東灘煤礦22大屯孔莊煤礦6兗州濟二礦23撫順紅透山銅礦7兗州濟三礦24臨沂古城煤礦8兗州鮑店煤礦25開灤唐山礦9鶴崗新安煤礦26開灤趙各莊礦10鶴崗南山礦27義馬千秋煤礦11鶴崗峻德煤礦28徐州天能龍固煤礦12鶴崗富力煤礦29四川煤礦安全監(jiān)察局13鶴崗大陸礦30遼寧煤礦安全監(jiān)察局14大同煤峪口礦31山東煤礦安全監(jiān)察局15大同同家梁礦32北京木城澗煤礦16大同忻州窯礦33天安星村煤礦17撫順老虎臺煤礦34四、應(yīng)用及效果（二）社會經(jīng)濟效益經(jīng)濟效益顯著,據(jù)不完全統(tǒng)計，應(yīng)用單位2003-2005年三年累計獲得直接經(jīng)濟效益5.8億元。有效地預(yù)防了沖擊災(zāi)害，避免了人員傷亡，保障了安全生產(chǎn)，社會效益顯著。整體達到國際先進水平，對不同類型的煤礦具有普遍適用性。技術(shù)和裝備實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,被列入國家重點推廣計劃,在約70%沖擊礦壓嚴重威脅的國有重點煤礦區(qū)得到推廣,提高了沖擊礦壓治理的針對性和有效性,經(jīng)濟社會效益顯著。五、推動科技進步的作用（一）對行業(yè)科技進步的作用五、推動科技進步的作用（一）對行業(yè)科技進步的作用提升了煤礦沖擊礦壓防治的技術(shù)和裝備水平，促進了安全高效生產(chǎn)，得到了行業(yè)的認可，對我國煤礦安全科技進步具有重要實際推動作用。隨著開采深度增加，煤礦沖擊礦壓災(zāi)害將日趨嚴重，技術(shù)成果具有廣泛的應(yīng)用前景。五、推動科技進步的作用（二）對學(xué)科領(lǐng)域的促進作用為認識煤巖破裂過程提供了一種新的有