1、申报单位：中国矿业大学申报单位：中国矿业大学汇汇 报报 人：何学秋人：何学秋 教授教授 博导博导 二二六年六月六年六月煤矿冲击矿压电磁辐射煤矿冲击矿压电磁辐射监测预警技术与装备及其应用监测预警技术与装备及其应用2006年国家科技进步奖汇报材料年国家科技进步奖汇报材料汇汇 报报 提提 纲纲一、立项背景一、立项背景二、主要技术内容与创新点二、主要技术内容与创新点三、技术先进性及知识产权三、技术先进性及知识产权四、推广应用及效益四、推广应用及效益五、推动科技进步作用五、推动科技进步作用一、立项背景一、立项背景 煤矿冲击矿压灾害煤矿冲击矿压灾害p煤炭占我国一次能源的煤炭占我国一次能源的7070左右，左
2、右，20052005年我国年我国生产原煤生产原煤21.921.9亿吨。亿吨。p我国我国30%30%以上的原国有重以上的原国有重点大中型矿区受冲击矿点大中型矿区受冲击矿压威胁。随开采深度及压威胁。随开采深度及开采强度增加，冲击矿开采强度增加，冲击矿压灾害日趋严重。压灾害日趋严重。p冲击矿压灾害严重影响冲击矿压灾害严重影响煤矿的安全高效生产。煤矿的安全高效生产。煤矿投入大量的人力、煤矿投入大量的人力、物力预防冲击矿压。物力预防冲击矿压。冲击矿压事故冲击矿压事故一、立项背景一、立项背景 煤矿冲击矿压灾害煤矿冲击矿压灾害p冲击矿压是采掘空间周冲击矿压是采掘空间周围煤岩体中聚集的能量围煤岩体中聚集的能量
3、突然大量释放，快速破突然大量释放，快速破坏煤岩体，并产生剧烈坏煤岩体，并产生剧烈震动，造成采掘空间严震动，造成采掘空间严重破坏的煤矿灾害。重破坏的煤矿灾害。p我国最大的冲击矿压里我国最大的冲击矿压里氏氏4.3 4.3 级，破坏巷道级，破坏巷道500500多米，地面震感明显，多米，地面震感明显，已成为公共安全问题。已成为公共安全问题。冲击后冲击后p冲击矿压能引起煤岩层和采空冲击矿压能引起煤岩层和采空区中的瓦斯大量突然涌出，引区中的瓦斯大量突然涌出，引发瓦斯爆炸事故。发瓦斯爆炸事故。p安徽淮北芦岭安徽淮北芦岭20032003年年“5.13”5.13”顶板冲击诱发瓦斯爆炸事故，顶板冲击诱发瓦斯爆炸事
4、故，死亡死亡8484人。人。p辽宁阜新孙家湾辽宁阜新孙家湾20052005年年“2.14”2.14”冲击矿压瓦斯爆炸冲击矿压瓦斯爆炸事故，死亡事故，死亡214214人。人。一、立项背景一、立项背景 冲击矿压冲击矿压现有的技术不能及时、准确地评价煤矿冲击危险性，迫切需要开发现有的技术不能及时、准确地评价煤矿冲击危险性，迫切需要开发安全、高效的实时连续监测预警技术及装备。安全、高效的实时连续监测预警技术及装备。通过向煤体打钻测取钻屑量指标进行通过向煤体打钻测取钻屑量指标进行通过向煤体打钻测取钻屑量指标进行通过向煤体打钻测取钻屑量指标进行预测。需要打钻、易诱发灾害，是静预测。需要打钻、易诱发灾害，是
5、静预测。需要打钻、易诱发灾害，是静预测。需要打钻、易诱发灾害，是静态预测，难以反映煤岩破坏过程信息，态预测，难以反映煤岩破坏过程信息，态预测，难以反映煤岩破坏过程信息，态预测，难以反映煤岩破坏过程信息，无法实现动态监测预警无法实现动态监测预警无法实现动态监测预警无法实现动态监测预警。一、立项背景一、立项背景 冲击矿压预测技术现状冲击矿压预测技术现状pp预测方法有钻屑法、声发射法、微震法、围岩变形法等。预测方法有钻屑法、声发射法、微震法、围岩变形法等。预测方法有钻屑法、声发射法、微震法、围岩变形法等。预测方法有钻屑法、声发射法、微震法、围岩变形法等。pp在我国得到普遍应用的是钻屑法。在我国得到普
6、遍应用的是钻屑法。在我国得到普遍应用的是钻屑法。在我国得到普遍应用的是钻屑法。二、主要技术内容与创新点二、主要技术内容与创新点 研究思路研究思路：实验实验理论理论技术与装备技术与装备推广应用推广应用理论、实验室和现场试验研究理论、实验室和现场试验研究理论、实验室和现场试验研究理论、实验室和现场试验研究煤岩冲击破坏过程电磁辐射效应规律煤岩冲击破坏过程电磁辐射效应规律煤岩冲击破坏过程电磁辐射效应规律煤岩冲击破坏过程电磁辐射效应规律冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术及装备冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术及装备冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术及装备冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术及装备现场推广应用现场推
7、广应用现场推广应用现场推广应用验验验验证证证证和和和和完完完完善善善善技术内容一：技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律 冲击矿压发生过程冲击矿压发生过程pp冲击矿压是一种冲击矿压是一种冲击矿压是一种冲击矿压是一种动态演化过程动态演化过程动态演化过程动态演化过程导致的突发性导致的突发性导致的突发性导致的突发性灾害灾害灾害灾害。pp实时监测煤岩冲实时监测煤岩冲实时监测煤岩冲实时监测煤岩冲击的演化过程击的演化过程击的演化过程击的演化过程是对灾害有效是对灾害有效是对灾害有效是对灾害有
8、效预测的重要途预测的重要途预测的重要途预测的重要途径。径。径。径。oo煤岩冲击破坏过程中产生煤岩冲击破坏过程中产生煤岩冲击破坏过程中产生煤岩冲击破坏过程中产生电磁辐射（电磁辐射（电磁辐射（电磁辐射（EMEEMEEMEEME），是能量），是能量），是能量），是能量耗散的一种形式。耗散的一种形式。耗散的一种形式。耗散的一种形式。oo载荷越大，变形破裂过程载荷越大，变形破裂过程载荷越大，变形破裂过程载荷越大，变形破裂过程越强烈，电磁辐射越强。越强烈，电磁辐射越强。越强烈，电磁辐射越强。越强烈，电磁辐射越强。oo煤岩冲击破坏之前，电磁煤岩冲击破坏之前，电磁煤岩冲击破坏之前，电磁煤岩冲击破坏之前，电磁辐
9、射及其变化率有显著的辐射及其变化率有显著的辐射及其变化率有显著的辐射及其变化率有显著的增加。增加。增加。增加。oo通过电磁辐射可以实时监通过电磁辐射可以实时监通过电磁辐射可以实时监通过电磁辐射可以实时监测煤岩破裂过程。测煤岩破裂过程。测煤岩破裂过程。测煤岩破裂过程。技术内容一：技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律 煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律实验室测试曲线pp电磁辐射是宽频的，主频段是变化的，随破坏程度增加向高频段迁移电磁辐射是宽频的，主频段是
10、变化的，随破坏程度增加向高频段迁移电磁辐射是宽频的，主频段是变化的，随破坏程度增加向高频段迁移电磁辐射是宽频的，主频段是变化的，随破坏程度增加向高频段迁移pp煤岩动力过程必须监测宽频电磁辐射信号，采用双指标（煤岩动力过程必须监测宽频电磁辐射信号，采用双指标（煤岩动力过程必须监测宽频电磁辐射信号，采用双指标（煤岩动力过程必须监测宽频电磁辐射信号，采用双指标（E E E E，N N N N）监测）监测）监测）监测电电电电磁磁磁磁辐辐辐辐射射射射频频频频谱谱谱谱特特特特征征征征技术内容一：技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁
11、辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律 煤岩冲击破坏过程的电磁辐射频谱特征煤岩冲击破坏过程的电磁辐射频谱特征大量的现场试验研究表明：大量的现场试验研究表明：大量的现场试验研究表明：大量的现场试验研究表明：oo冲击矿压发生前，电磁辐射及其变化率有显著的增加。冲击矿压发生前，电磁辐射及其变化率有显著的增加。冲击矿压发生前，电磁辐射及其变化率有显著的增加。冲击矿压发生前，电磁辐射及其变化率有显著的增加。oo通过电磁辐射可以实时监测冲击矿压过程，预报冲击矿压。通过电磁辐射可以实时监测冲击矿压过程，预报冲击矿压。通过电磁辐射可以实时监测冲击矿压过程，预报冲击矿压。通过电磁辐射可以实时监测冲击矿压过
12、程，预报冲击矿压。技术内容一：技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律 现场煤岩的电磁辐射规律现场煤岩的电磁辐射规律兖州济二矿兖州济二矿兖州济二矿兖州济二矿23032303工作面前方动压工作面前方动压工作面前方动压工作面前方动压区电磁辐射分布区电磁辐射分布区电磁辐射分布区电磁辐射分布新汶华丰煤矿新汶华丰煤矿新汶华丰煤矿新汶华丰煤矿34063406工作面冲击工作面冲击工作面冲击工作面冲击与电磁辐射与电磁辐射与电磁辐射与电磁辐射研究得到了煤岩破裂过程电磁辐射的力电耦合模型：研究得到了
13、煤岩破裂过程电磁辐射的力电耦合模型：研究得到了煤岩破裂过程电磁辐射的力电耦合模型：研究得到了煤岩破裂过程电磁辐射的力电耦合模型：实验模拟式中，式中，应变；应变；轴向应力和环向应力；轴向应力和环向应力；Weibull分布的分布标度和以应变形分布的分布标度和以应变形式表征的形态参数；式表征的形态参数；电磁辐射脉冲数增量和累计脉冲数；电磁辐射脉冲数增量和累计脉冲数；完全破坏的完全破坏的电磁辐射累计脉冲数。电磁辐射累计脉冲数。技术内容一：技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律 煤岩电磁
14、辐射理论模型煤岩电磁辐射理论模型技术内容二：技术内容二：冲击矿压电磁辐射非接触实时监测预警装备冲击矿压电磁辐射非接触实时监测预警装备在线式监测仪在线式监测仪接收天线主机远程传输电缆便携式连续监测仪便携式连续监测仪接收天线主机主要技术参数及特点：主要技术参数及特点：主要技术参数及特点：主要技术参数及特点：p监测信号：监测信号：宽频带宽频带（1k500kHz）电磁辐射信号电磁辐射信号p监测指标：监测指标：电磁辐射强度电磁辐射强度E E和脉冲数和脉冲数N N两个指标两个指标p监测预警方式：监测预警方式：非接触、定向区域、实时监测及预警非接触、定向区域、实时监测及预警p防爆型式：防爆型式：矿用，本质安
15、全型矿用，本质安全型 装备关键技术：装备关键技术：p宽频带、高灵敏度、宽频带、高灵敏度、定向抗干扰接收天定向抗干扰接收天线；线；p电磁辐射信号采集电磁辐射信号采集及数据处理技术；及数据处理技术；p冲击危险性电磁辐冲击危险性电磁辐射信息分析判识技射信息分析判识技术及软件；术及软件；p矿用本安型设计制矿用本安型设计制造技术。造技术。A/DA/D转换转换CPUCPU防爆本安电源防爆本安电源显示与预警显示与预警监测主机监测主机地面监测预警中心地面监测预警中心接收接收天线天线放大放大滤波滤波信号信号输出输出KJKJ系统系统分站分站井下部分井下部分防爆本安防爆本安数据存储数据存储技术内容二：技术内容二：冲
16、击矿压电磁辐射非接触实时监测预警装备冲击矿压电磁辐射非接触实时监测预警装备p由煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律及电磁辐射理论模型建立了冲击矿由煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律及电磁辐射理论模型建立了冲击矿压危险性的电磁辐射预测准则：压危险性的电磁辐射预测准则：p电磁辐射的强度、脉冲数是冲击矿压前兆的敏感指标，其大小和变化率电磁辐射的强度、脉冲数是冲击矿压前兆的敏感指标，其大小和变化率超过临界值就有冲击矿压灾害危险。超过临界值就有冲击矿压灾害危险。式中，式中，和和 分别为有弱危险和强危险时电磁辐射脉冲数的临界值系数；分别为有弱危险和强危险时电磁辐射脉冲数的临界值系数；和和 分别为有弱危险和强危险时的
17、电磁辐射强度临界值系数；分别为有弱危险和强危险时的电磁辐射强度临界值系数；E为电磁辐射强度；为电磁辐射强度；N为电磁辐射脉冲数；为应力。为电磁辐射脉冲数；为应力。技术内容三：技术内容三：冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术 冲击矿压预测准则冲击矿压预测准则根据预测准则和大量实验，确定了临界值与动态趋势相结合的根据预测准则和大量实验，确定了临界值与动态趋势相结合的根据预测准则和大量实验，确定了临界值与动态趋势相结合的根据预测准则和大量实验，确定了临界值与动态趋势相结合的预测方法，实现分级预警预测方法，实现分级预警预测方法，实现分级预警预测方法，实现分级预警 。无危险无
18、危险弱危险弱危险强危险强危险临临界界值值E1.3EwN1.7NwE 1.3Ew或或N 1.7NwE 1.7Ew或或N 2.3Nw动动态态趋趋势势KE1.3 KN70%60%60%三、技术先进性及知识产权三、技术先进性及知识产权 （二）国内外比较（二）国内外比较本申请项目共获本申请项目共获3项专利：项专利：获得国家发明专利授权获得国家发明专利授权1项项（ZL98111185.8ZL98111185.8）获得实用新型专利授权获得实用新型专利授权1项项(ZL01272808.X(ZL01272808.X）申请发明专利待授权申请发明专利待授权1项项(公开号：公开号：CN1619340CN1619340
19、三、技术先进性及知识产权三、技术先进性及知识产权 （三）知识产权情况（三）知识产权情况具有自主知识产权具有自主知识产权p本技术装备通过国家防爆安全、质量性能检验本技术装备通过国家防爆安全、质量性能检验（MA，Ex），获得生产和使用许可。），获得生产和使用许可。三、技术先进性及知识产权三、技术先进性及知识产权 （四）行业认证（四）行业认证四、应用及效益四、应用及效益 （一）推广应用情况（一）推广应用情况pp在在在在3030多多个个不不不不同同同同类类类类型型型型的的的的冲冲冲冲击击击击矿矿矿矿压压压压煤煤煤煤矿矿矿矿、矿区进行了广泛的推广应用。矿区进行了广泛的推广应用。矿区进行了广泛的推广应用
20、矿区进行了广泛的推广应用。pp全全全全国国国国约约约约70%70%70%70%冲冲冲冲击击击击矿矿矿矿压压压压严严严严重重重重矿矿矿矿区区区区已已已已采采采采用该成果。用该成果。用该成果。用该成果。序号应用单位序号应用单位1徐州三河尖煤矿18阜新五龙煤矿2新汶华丰煤矿19阜新海州立井3新汶协庄煤矿20阜新王营矿4新汶孙村煤矿21曲阜单家村煤矿5兖州东滩煤矿22大屯孔庄煤矿6兖州济二矿23抚顺红透山铜矿7兖州济三矿24临沂古城煤矿8兖州鲍店煤矿25开滦唐山矿9鹤岗新安煤矿26开滦赵各庄矿10鹤岗南山矿27义马千秋煤矿11鹤岗峻德煤矿28徐州天能龙固煤矿12鹤岗富力煤矿29四川煤矿安全监察局13
21、鹤岗大陆矿30辽宁煤矿安全监察局14大同煤峪口矿31山东煤矿安全监察局15大同同家梁矿32北京木城涧煤矿16大同忻州窑矿33天安星村煤矿17抚顺老虎台煤矿34四、应用及效果四、应用及效果 （二）社会经济效益（二）社会经济效益p经济效益显著经济效益显著,据据不完全统计，应不完全统计，应用单位用单位2003-20052003-2005年三年累计获得年三年累计获得直接经济效益直接经济效益5.85.8亿元。亿元。p有效地预防了冲有效地预防了冲击灾害，避免了击灾害，避免了人员伤亡，保障人员伤亡，保障了安全生产，社了安全生产，社会效益显著。会效益显著。pp整体达到国际先进水平，整体达到国际先进水平，整体达
22、到国际先进水平，整体达到国际先进水平，对不同类型的煤矿具有普对不同类型的煤矿具有普对不同类型的煤矿具有普对不同类型的煤矿具有普遍适用性。遍适用性。遍适用性。遍适用性。pp技术和装备实现了产业化技术和装备实现了产业化技术和装备实现了产业化技术和装备实现了产业化,被列入国家重点推广计划被列入国家重点推广计划被列入国家重点推广计划被列入国家重点推广计划,在约在约在约在约70%70%70%70%冲击矿压严重威冲击矿压严重威冲击矿压严重威冲击矿压严重威胁的国有重点煤矿区得到胁的国有重点煤矿区得到胁的国有重点煤矿区得到胁的国有重点煤矿区得到推广推广推广推广,提高了冲击矿压治提高了冲击矿压治提高了冲击矿压治
23、提高了冲击矿压治理的针对性和有效性理的针对性和有效性理的针对性和有效性理的针对性和有效性,经经经经济社会效益显著。济社会效益显著。济社会效益显著。济社会效益显著。五、推动科技进步的作用五、推动科技进步的作用 （一）对行业科技进步的作用（一）对行业科技进步的作用五、推动科技进步的作用五、推动科技进步的作用 （一）对行业科技进步的作用（一）对行业科技进步的作用pp提升了煤矿冲击矿压防治的技提升了煤矿冲击矿压防治的技提升了煤矿冲击矿压防治的技提升了煤矿冲击矿压防治的技术和装备水平，促进了安全高术和装备水平，促进了安全高术和装备水平，促进了安全高术和装备水平，促进了安全高效生产，得到了行业的认可，效生
24、产，得到了行业的认可，效生产，得到了行业的认可，效生产，得到了行业的认可，对我国煤矿安全科技进步具有对我国煤矿安全科技进步具有对我国煤矿安全科技进步具有对我国煤矿安全科技进步具有重要实际推动作用。重要实际推动作用。重要实际推动作用。重要实际推动作用。pp随着开采深度增加，煤矿冲击随着开采深度增加，煤矿冲击随着开采深度增加，煤矿冲击随着开采深度增加，煤矿冲击矿压灾害将日趋严重，技术成矿压灾害将日趋严重，技术成矿压灾害将日趋严重，技术成矿压灾害将日趋严重，技术成果具有广泛的应用前景。果具有广泛的应用前景。果具有广泛的应用前景。果具有广泛的应用前景。五、推动科技进步的作用五、推动科技进步的作用 （二
25、对学科领域的促进作用（二）对学科领域的促进作用o为认识煤岩破裂过程提为认识煤岩破裂过程提供了一种新的有效途径。供了一种新的有效途径。o对进一步揭示煤岩破裂对进一步揭示煤岩破裂过程及灾害机理有重要过程及灾害机理有重要推动作用。推动作用。o对岩石力学等相关学科对岩石力学等相关学科的理论与实验研究具有的理论与实验研究具有重要促进作用。重要促进作用。项目主要完成人的贡献项目主要完成人的贡献o何学秋：何学秋：制定研究方案，提出连续监测及分级预警技术，制定研究方案，提出连续监测及分级预警技术，主持开发监测预警系统。主持开发监测预警系统。o王恩元：王恩元：研究受载煤岩电磁辐射效应规律，提出预警方研究受载煤岩电磁辐射效应规律，提出预警方法，开发电磁辐辐射监测预警系统。法，开发电磁辐辐射监测预警系统。o窦林名：窦林名：研究冲击破坏电磁辐射规律，提出测试指标，研究冲击破坏电磁辐射规律，提出测试指标，现场试验及推广应用；现场试验及推广应用；o聂百胜：聂百胜：建立力电耦合模型和预警准则，参与现场试验。建立力电耦合模型和预警准则，参与现场试验。o刘明举：刘明举：研究提出监测方法，参与电磁辐射效应规律及理研究提出监测方法，参与电磁辐射效应规律及理论分析研究。论分析研究。谢谢各位评委谢谢各位评委谢谢各位评委谢谢各位评委!谢谢各位评委谢谢各位评委谢谢各位评委谢谢各位评委!
免费区 
