国家科技奖答辩

申报单位：中国矿业大学汇报人：何学秋教授博导二○○六年六月煤矿冲击矿压电磁辐射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汇报提纲一、立项背景二、主要技术内容与创新点三、技术先进性及知识产权四、推广应用及效益五、推动科技进步作用一、立项背景煤矿冲击矿压灾害煤炭占我国一次能源的70％左右，2005年我国生产原煤21.9亿吨。我国30%以上的原国有重点大中型矿区受冲击矿压威胁。随开采深度及开采强度增加，冲击矿压灾害日趋严重。冲击矿压灾害严重影响煤矿的安全高效生产。煤矿投入大量的人力、物力预防冲击矿压。00.10.20.30.40.50.60.70.8300400500600700800900H,mWt,n/milt冲击矿压事故一、立项背景煤矿冲击矿压灾害冲击矿压是采掘空间周围煤岩体中聚集的能量突然大量释放，快速破坏煤岩体，并产生剧烈震动，造成采掘空间严重破坏的煤矿灾害。我国最大的冲击矿压里氏4.3级，破坏巷道500多米，地面震感明显，已成为公共安全问题。冲击后冲击矿压能引起煤岩层和采空区中的瓦斯大量突然涌出，引发瓦斯爆炸事故。安徽淮北芦岭2003年“5.13”顶板冲击诱发瓦斯爆炸事故，死亡84人。辽宁阜新孙家湾2005年“2.14”冲击矿压－瓦斯爆炸事故，死亡214人。孙家湾遇难矿工遗体开始火化矿工蹲坐在发生事故的井口214名矿工已全部遇难家属获赔付20万元19日，辽宁阜新孙家湾特大矿难发生第6天。阜新矿业集团和当地有关方面正在全力以赴处理善后工作，已有130多名遇难者家属与阜新矿业集团签订了善后赔偿协议...[全文]胡锦涛温家宝：采取一切措施抢救被困人员事故发生后，党中央、国务院领导同志高度重视，胡锦涛、温家宝、黄菊等作出重要批示，要求地方和有关部门立即采取一切措施，全力抢救井下被困人员...[全文]超产是矿难频发“祸首”暴利下生死之赌抢救现场：·抢救矿难伤员现场见闻特写：在重症病房门前·能多救一个人就多救一个人-孙家湾井口救援见闻·辽宁阜新矿难引发矿震2.5级抢救工作有序进行事故进展：·开始辨认遇难者遗体平安人寿赔付第一单2万元·国家安监局工作组抵达辽宁孙家湾煤矿事故现场评论分析：·事故频发警示转变增长方式是终结矿难根本之举·矿难赔偿考验的是政府的行政态度和行政能力背景资料：·辽宁阜新孙家湾煤矿·什么是瓦斯爆炸？有哪些危害？·井下发生煤尘爆炸如何自救瓦斯爆炸怎样处理相关专题陕西铜川矿难河北沙河矿难河南平顶山矿难热点专题搜索事故现场矿工们在等待消息矿工们围坐在一起矿工们焦急不安救护队员准备下井救援救护人员在指挥工作孙家湾遇难矿工遗体开始火化矿工蹲坐在发生事故的井口214名矿工已全部遇难家属获赔付20万元19日，辽宁阜新孙家湾特大矿难发生第6天。阜新矿业集团和当地有关方面正在全力以赴处理善后工作，已有130多名遇难者家属与阜新矿业集团签订了善后赔偿协议...[全文]胡锦涛温家宝：采取一切措施抢救被困人员事故发生后，党中央、国务院领导同志高度重视，胡锦涛、温家宝、黄菊等作出重要批示，要求地方和有关部门立即采取一切措施，全力抢救井下被困人员...[全文]超产是矿难频发“祸首”暴利下生死之赌抢救现场：·抢救矿难伤员现场见闻特写：在重症病房门前·能多救一个人就多救一个人-孙家湾井口救援见闻·辽宁阜新矿难引发矿震2.5级抢救工作有序进行事故进展：·开始辨认遇难者遗体平安人寿赔付第一单2万元·国家安监局工作组抵达辽宁孙家湾煤矿事故现场评论分析：·事故频发警示转变增长方式是终结矿难根本之举·矿难赔偿考验的是政府的行政态度和行政能力背景资料：·辽宁阜新孙家湾煤矿·什么是瓦斯爆炸？有哪些危害？·井下发生煤尘爆炸如何自救瓦斯爆炸怎样处理相关专题陕西铜川矿难河北沙河矿难河南平顶山矿难热点专题搜索事故现场矿工们在等待消息矿工们围坐在一起矿工们焦急不安救护队员准备下井救援救护人员在指挥工作一、立项背景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，无法实现动态监测预警。一、立项背景冲击矿压预测技术现状预测方法有钻屑法、声发射法、微震法、围岩变形法等。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研究思路：实验—理论—技术与装备—推广应用理论、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验证和完善技术内容一：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冲击矿压是一种动态演化过程导致的突发性灾害。实时监测煤岩冲击的演化过程是对灾害有效预测的重要途径。煤岩冲击破坏过程中产生电磁辐射（EME），是能量耗散的一种形式。载荷越大，变形破裂过程越强烈，电磁辐射越强。煤岩冲击破坏之前，电磁辐射及其变化率有显著的增加。通过电磁辐射可以实时监测煤岩破裂过程。技术内容一：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实验室测试曲线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煤岩动力过程必须监测宽频电磁辐射信号，采用双指标（E，N）监测电磁辐射频谱特征技术内容一：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大量的现场试验研究表明：冲击矿压发生前，电磁辐射及其变化率有显著的增加。通过电磁辐射可以实时监测冲击矿压过程，预报冲击矿压。技术内容一：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兖州济二矿2303工作面前方动压区电磁辐射分布新汶华丰煤矿3406工作面冲击与电磁辐射华丰3406面（0302-0316）020406080100时间/天脉冲数030203040506070809101112131415161.3冲击矿压1.7冲击矿压1.7工作面轨道顺槽电磁辐射分布图05001000150020002500距工作面的距离/m脉冲数5.515.525.535.545.555.565.575.585.595.5研究得到了煤岩破裂过程电磁辐射的力电耦合模型：020000400006000080000060120180240300360时间t/s累计脉冲数∑N02505007501000脉冲数N累计脉冲数∑N脉冲数N020000400006000080000060120180240300360时间t/s累计脉冲数∑N02505007501000脉冲数N累计脉冲数∑N脉冲数N实验模拟式中，—应变；－轴向应力和环向应力；—Weibull分布的分布标度和以应变形式表征的形态参数；—电磁辐射脉冲数增量和累计脉冲数；—完全破坏的电磁辐射累计脉冲数。0,mmNmmNN0exp1NN,mmmmNN031103102exp231,技术内容一：揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律煤岩电磁辐射理论模型技术内容二：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接收天线主机远程传输电缆便携式连续监测仪接收天线主机主要技术参数及特点：监测信号：宽频带（1k~500kHz）电磁辐射信号监测指标：电磁辐射强度E和脉冲数N两个指标监测预警方式：非接触、定向区域、实时监测及预警防爆型式：矿用，本质安全型装备关键技术：宽频带、高灵敏度、定向抗干扰接收天线；电磁辐射信号采集及数据处理技术；冲击危险性电磁辐射信息分析判识技术及软件；矿用本安型设计制造技术。A/D转换CPU防爆本安电源显示与预警监测主机地面监测预警中心接收天线放大滤波信号输出KJ系统分站井下部分防爆本安数据存储技术内容二：冲击矿压电磁辐射非接触实时监测预警装备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：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。式中，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；和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；N为电磁辐射脉冲数；为应力。mrmwmwrwwrrNrNNK001expmqmwmwqwwqqNqNNK001expwrwrErEEKwqwqEqEEKNrKNqKErKEqKw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预测方法，实现分级预警。无危险弱危险强危险临界值E1.3EwN1.7NwE≥1.3Ew或N≥1.7NwE≥1.7Ew或N≥2.3Nw动态趋势KE1.3KN1.7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强度动态趋势系数KEEME脉冲数1.3Ew1.7Ew1.7Nw2.3Nw1.3KN1.71.72.3安全弱危险强危险技术内容三：冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术冲击矿压分级预警技术技术内容三：冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术冲击矿压监测技术监测方法监测方式：在采掘工作面集中区布置2－3个接收仪，天线朝向被监测区域，随工作面推进前移。监测仪进行实时监测及预警，并将结果传输到地面监测预警中心。监测到有冲击危险时，及时预警并采取解危措施。工程应用过程实验室煤岩冲击倾向性鉴定实时监测危险区域监测技术三级预警技术分级预警弱危险边作业，边治理强危险停止作业，撤人，治理有危险无危险电磁辐射监测预警装备本项目的主要创新点研究并揭示了煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律，提出了电磁辐射法非接触、连续监测预警冲击矿压的原理。提出了冲击矿压电磁辐射监测预警技术，实现了冲击矿压的定向、非接触、连续监测和危险性的分级预警。开发了矿用本安型冲击矿压非接触、实时监测预警装备。预警原理创新预警技术创新预警装备创新徐州三河尖矿可采储量3.01亿吨,年产180万吨。危险区占开采储量的五分之三（1.8亿吨），有些采区因动力灾害而被迫停采。采用电磁辐射预测，恢复生产，解放了资源。现已安全回采6个面，生产煤炭150万吨。NH=5.9～186H=7.80～383H=115~340-550-600-650-550-500-450-400-350风井主井副井-400-500-600-700-800-1000三河尖矿区冲击危险区分布平面图冲击危险区冲击危险区冲击位置及次数无冲击危险区020406080100120140时间/班次E/mV发生冲击矿压20中21夜21早23中24早25中26夜26中27夜预报有危险应用实例：（一）徐州三河尖煤矿9202工作面，开采深度已达850m，上覆有7煤7202工作面残留的煤柱，应力集中程度相当严重。煤柱区垂直应力分布（集中系数10以上）应用实例：（一）徐州三河尖煤矿采用电磁辐射技术成功地进行监测预警，并采用卸压方法进行了解危。9202工作面已安全回采完毕。0120240360480600幅值，/mV8.168.178.188.198.208.218.228.238.248.248.258.268.278.288.298.308.31箭头表示卸压爆破日期煤柱区卸压爆破前后电磁辐射幅值变化应用实例：（一）徐州三河尖煤矿应用实例：（一）徐州三河尖煤矿020406080100120140时间/班次幅值/mV爆破卸压措施16夜16中17夜17中17早18夜18早18中19夜爆破卸压措施无危险有危险无危险有危险7204工作面冲击严重，采用电磁辐射技术保证了安全预警。预测有危险,采取措施不到位发