国家科技奖答辩

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。
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] 陕西铜川矿难
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
研究得到了煤岩破裂过程电磁辐射的力电耦合模型：
1 3 m 2 N N m 0 0

m1
1 3 2 exp 0
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 孙家湾遇难矿工遗体开始火化 · 能多救一个人就多救一个人-孙家湾井口救援见闻
214 名矿工已全部遇难 家属获赔付 20 万元
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· 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 河北沙河矿难
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
现场推广应用
冲击矿压电磁辐射实时监测预警技术及装备 验 证 和 完 善
煤岩冲击破坏过程电磁辐射效应规律
理论、实验室和现场试验研究
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。
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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。
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。
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。
工作面轨道顺槽电磁辐射分布图
2500 2000 1500 1000 500 0
兖州济二矿2303 工作面前方动压 区电磁辐射分布
5.5 15.5 25.5 35.5 45.5 55.5 65.5 75.5 85.5 95.5
脉 冲 数
距 工 作 面 的 距 离 /m
100 80 1.3 冲 击 矿 压 1.7 冲 击 矿 压 1.7
技术内容二：
冲击矿压电磁辐射非接触实时监测预警装备
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；
井下部分 防爆本安 监测主机 地面监测预警中心
显示与预警
数据源自文库储
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。
接收 天线
放大 滤波
A/D 转换
CPU
信号 输出
KJ系统 分站
防爆本安电源
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
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：
K Nr N r r r N w w w N q q N w q w w
Wt,n/mil t
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 300 400 500 600 H,m 700 800 900
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。
华 丰 3406面 （ 0302-0316）
60 40 20 0 0302 03 04 05 06 07 08
新汶华丰煤矿 3406工作面冲击 与电磁辐射
15 16
脉 冲 数
09
10
11
12
13
14
时 间 /天
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
煤岩冲击破坏过程的电磁辐射规律
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。
实验室测试曲线
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
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
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
E ≥ 1.7Ew 或 N ≥ 2.3Nw EME强度 1.7Ew 1.3Ew 安全 动态趋势系数KE 1.7 2.3 1.3 1.7 KN
应用实例：
（一）徐州三河尖煤矿
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。
累计脉冲数∑N
累计脉冲数∑N
脉冲数N
750
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
主机 接收天线
便携式连续监测仪
接收天线 主机
远程传输电缆
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
80000 1000
累计脉冲数∑N
累计脉冲数∑N
脉冲数N
60000 40000 20000 0 0 60
实验
80000 60000 40000 20000 0 0
1000
750 500 250
模拟
500 250 0 60 120 180 240 300 360 时间t/s 脉冲数N
0 120 180 240 300 360 时间t/s 脉冲数N
矿工们在等待消息
背景资料： 矿工们焦急不安 矿工们围坐在一起 · 辽宁阜新孙家湾煤矿 · 什么是瓦斯爆炸？有哪些危害？
救护队员准备下井救援
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一、立项背景
冲击矿压预测技术现状
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
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
现场煤岩的电磁辐射规律
临 E ≥ 1.3Ew E<1.3Ew 或 界 N<1.7Nw N ≥ 1.7Nw 值 动 态 趋 势 措 施
KE<1.3 KN<1.7 不需采 取措施
或 KE≥1.3 或 KN≥1.7
需要采 取措施
或 KE≥1.7 或 KN≥2.3
撤人或 立即措施
1.7Nw
弱危险 强危险 EME脉冲数 2.3Nw
m 1
m m w r exp 0 0 m q m w exp 0 0
K Er
K Eq
Er r Ew w
胡锦涛温家宝：采取一切措施抢救被困人员
评论分析： 事故发生后，党中央、国务院领导同志高度重视，胡锦涛、 · 事故频发警示转变增长方式是终结矿难根本之举 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 · 矿难赔偿考验的是政府的行政态度和行政能力 一切措施，全力抢救井下被困人员...[全文] 背景资料：
实验室煤岩冲击倾向性鉴定
电磁辐射监测预警装备
实时监测危险区域
无危险
监测技术
分级预警
有危险
三级预警技术
弱危险 边作业，边治理
强危险 停止作业，撤人，治理
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 预警原理创新 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， 预警技术创新 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 预警装备创新 监测预警装备。
冲击矿压事故
冲击后
一、立项背景
冲击矿压
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m

N
Nm
1 exp 0

m

式中， —应变； 1 , 3 －轴向应力和环向应力； m , 0 —Weibull分布的分布标度和以应变形 式表征的形态参数； N , N —电磁辐射脉冲数增量和累计脉冲数； 完全破坏的 N— m 电磁辐射累计脉冲数。
2006年国家科技进步奖汇报材料
煤矿冲击矿压电磁辐射 监测预警技术与装备及其应用
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
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。
Eq
m 1
K Nq
q Ew w
式中， K Nr 和 K Nq 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； K Er 和 K Eq 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。

w
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。