挑战杯项目申报书

序号：

第五届“挑战杯” 大学生课外学术科技作品竞赛

作 品 申 报 书

作品名称：

学院：

个人申报者姓名

（集 体 名 称）：

类别：

□ 自然科学类学术论文

□ 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 ■ 科技发明制作

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说 明

1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。

2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。

3．表内项目填写时一律打印或用钢笔填写（字迹端正），此申报书可复制。

4．序号由第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛指导委员会填写。

5．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号仿宋体打印在A4纸上，附于申报书后；学术论文及有关材料在8000字以内，社会调查报告在15000字以内（文章版面尺寸16cm×25cm左右）。

6．科技发明制作类作品要有1000字以内的作品说明，并附相关的研究报告、图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片）、鉴定证书和应用证书等，打印或粘贴到申报书后。

7．各学院通过初审的作品各一式三份在规定时间内报科技创新指导中心办公室（地址：大学生活动中心301室）。

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A2申报者情况（集体项目）

说明：1．必须由申报者本人按要求填写；

2．申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学

历高低排列；

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B3．申报作品情况（科技发明制作）

说明：1．必须由申报者本人填写；

2．本部分中科研管理部门签章视为对申报者所填内容的

确认；

3．本表必须附研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、

原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；

4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。 作品全称 大尺寸煤样渗透性双向加载试验装臵 （ E）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等） B．信息技术 （包括计算机、电信、通讯、电子等） C．数 理 （包括数学、物理、地球与空间科作品分类 学等） D．生命科学 （包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等） E．能源化工 （包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等） —4—

作品设计和基本思路 1. 随着采煤技术的不断地高，煤矿的产量也是突飞猛进。采煤的速度加快，瓦斯事故发生越来越频繁，死亡人数不断增加，2009年至2010年11月，由国家煤矿安监总局公布数据显示，煤矿事故共死亡966人，瓦斯事故死亡人数为659人（见下图）。这些事故不得不引起人们的关注，如何提前预测工作面瓦斯成为很多教授的研究课题。瓦斯的突出与矿山的压力以及煤岩的裂隙发育有关，如果找出矿山压力与裂隙发育及瓦斯渗透性之间的关系，根据工作面的周期性来压，预测瓦斯的涌规律，预防瓦斯事故的发生。 图 2009年至今瓦斯事故死亡比例作品设计、发明的目的和基本思路 32%其他煤矿事故瓦斯事故68%12 2. 收集材料，包括国内外学者的同类研究。 3. 在采掘工作面中，与进风巷和回风巷接触的煤壁均是用锚杆和锚网支护，是受到的约束的，所以煤壁处的煤岩单元体处于五面约束状态。我们构思的实验装臵采用单轴加载，三边约束，一面自由。与工作面的的实际情况相似。构思出模拟工作面的实验装臵——大尺寸煤样渗透性实验装臵。该实验装臵为防止在加载过程中实验装臵发生变形，采用强度较高的厚钢板为材料制作。同时该实验装臵拆卸。

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4. 实验的加气方式和各种实验数据的检测：用氮气来模拟瓦斯气（考虑到安全性，暂时不考虑煤对瓦斯的吸附-解析作用）；用气体压力传感器进行气体压力测试，时刻监测气体压力；用气体流量计进行气体流量测量；用岩石力学试验机进行轴向加载，测试其压力；用声发射传感器进行煤岩样裂隙变化情况测定。 5. 图纸设计：用Auto CAD绘制大煤样渗透性实验装臵装配图。包 含前视图，左视图，俯视图。 6. 实物制作：先制作实物模型，在改进的基础之上制作实物。 7. 对该实验装臵系统进行试验测试以及技术改进。 8. 在双向加载的情况下，测试煤样的渗透性系数。 发明的目的 用煤岩渗透性装臵来模拟煤矿工作面，在岩石力学试验机对煤样进行加载，并在煤样三边约束的情况下。研究加载和卸载过程中煤样的裂隙发育情况，以及煤样的裂隙发育与煤样的渗透性的变化规律，从而测试出在加压和卸载煤样的渗透性规律，在煤矿生产过程中，可以根据采煤工作面压力的周期性变化，对瓦斯的涌出规律进行提前预测，为煤矿井下采煤工作的瓦斯灾害进行预防和瓦斯抽采提供依据。 —6—

创新点 1、实验装臵系统创新 该装臵主要由气源单元、气体压力测试单元、气体流量测试单元、试验机加载及控制单元、声发射监测单元、煤岩、气渗透性双向加载试验装臵单元六部分组成，其功能是在室内利用岩石力学试验机对煤岩试样进行加载破坏过程中，研究瓦斯在煤岩试样中的渗透性试验提供试验条件，寻求煤岩试样在双向加载过程中瓦斯的运移规律，为煤矿井下采煤工作面的灾害预防和瓦斯抽采提供依据。 2、密封性处理技术 本试验目的是探索气体随着压力变化在大煤样中的渗透性的变化规律，试验中要测量的气体具有较高压力和的一定流量，所以较高气体压力下的密封问题成为本实验成败的关键。根据试验环境密封胶必须具有一定的粘结性能、弹性性能，而且要能承受气压和不同方向创新点、技术关键和主要技术指标 载荷的挤压作用而不破裂、不漏气，必须具有较高的强度。根据该要求，选择了多种密封胶试验，包括玻璃密封胶等，在实验过程中发现，密封胶涂层往往容易造成厚薄不均匀，气体从试样和装臵的边角处溢出，从而导致密封失效，为了增加密封的可靠性和安全性，经试验在密封胶外部增加了一层高抗撕裂的硅胶板，该胶板具有很高的抗撕拉性能、高弹性、耐油、耐高温、无毒无味等。适合于较高压力下的试验环境。密封结构如图1、2： 图1密封系统实物图片 图2 密封系统示意图 进气管 进气口 试样 硅胶板 出气侧 密封胶 透气板

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3、煤样的选取及加工工艺流程 由于该试验模拟的是采煤工作面前方煤壁在卸压过程中的流动规律，所以对所取煤样的要求就相当的严格。为了尽量保持煤样的完整，取样时要求现场工人从工作面的上下顺槽中进行钻切，而且体积尽量大。由于煤种类较多，煤质的软硬程度不同，对于松软煤层的采样难度较大。 煤样加工的流程如下： 切割机切割——人工修整——磨床加工——缺边角煤样灌浆——磨床加工。 加工后的煤样情况如图3所示： 图3 加工后煤样照片 —8—

技术关键 1、结构特征 该装臵的目的在于能够提供一种实现在垂直Z方向由试验机主动轴向加载，水平Y方向采用两块侧限板，并由两根螺栓连接被动约束，水平X方向一边加气，另一边为自由面。在室内模拟煤矿井下工作面前方煤体瓦斯气体随工作面推进过程中的运移规律。要求满足在加载过程中试样Z和Y方向4个侧面密封不泻漏，水平X方向加气体，另外一个方向模拟采煤工作面煤体的试验装臵，研究煤岩体在不同应力加载过程中瓦斯气体的渗透性与应力之间的关系。具体装臵的各项组成如图4所示。 12 9 2 5 8 9 13 5 2 A 7 3 1 8 3 8 9 9 12 6 3 12 14 3 13 3 3 2 5 3 4 3 剖视图 10 3 1 3 11 俯视图 4 9 12 左视图 1试样、2透气板、3密封胶板、4底板、5进气口、6压条、7上压板、8、9紧固螺栓、10侧限板、11压紧螺栓、12压紧螺母、13垫片 A 图4 大尺寸煤样渗透性双向加载试验装臵三视图

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该试验装臵对应的实物图如图5、6所示。 图5 图6 —10—

2、密封性处理技术 本试验目的是探索气体随压力变化在大尺寸煤样中的渗透性的变化规律，试验中要测量的气体具有较高压力和一定流量，所以较高气体压力下的密封问题成为本实验成败的关键，经过多次试验我们自己研发出合适的密封性技术。 主要技术指标 1、声发射能量和应力之间的对应关系 经过实验知道，声发射能量变化和煤岩体随应力变化具有很好的对应性：在初始阶段，由于煤样有一个压密的过程，这是产生了一定的声发射，但是能量幅度较小。随后出现了一段相对的平静期，只有噪声声发射的存在。当荷载继续加载，声发射的能量和次数显著增加，当应力到达第一个峰值时间，声发射也同时达到一个最高点。随后，强度进一步升高，声发射能量也逐渐趋于高位运行。最后由于该试块的强度大于试验机的最大压力，无法使试样完全破坏。 2、应力和煤样中渗流速度之间的关系 在前期的弹性阶段，煤岩体是一个逐渐压密实的过程，随着煤岩体中孔隙度和裂隙宽度逐渐减小，气体流速有一定的下降趋势，这个阶段的声发射能量也趋于平静。当应力超过弹性阶段进行弹塑性阶段，试件中逐渐由小到多的产生新的微裂隙，流速也逐渐增加；当接近第一个峰值时，产生的微裂隙增多，其中有的裂隙互相交割而贯通，因此这时的渗透速度急剧增长。尽管没有做到峰后的完全破裂阶段，但是 可以预计，随着煤岩体内部的裂隙进一步增多，渗透速度还会增大， 但是增长的幅度因为新开裂隙的闭合而降低。 从这个过程可以得出如下结论：最大渗透速度数值发生在煤岩体的峰后破裂阶段，最小值出现在弹性变形发生到一定程度时，而且煤样在破坏过程中，渗透率经历变大——变小——急剧变大的过程。

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瓦斯事故是所有煤矿安全事故中主要的一种类型，属于煤矿五大灾害之一。工作面的瓦斯涌出与诸多因素有关，其中煤岩体的坚硬程度、裂隙发育程度、裂隙的方向、裂隙的连通程度、所受应力状态、瓦斯压力等在众多因素中占有相当大的比重，故研究生产过程中煤岩体内瓦斯的运移规律与煤岩体的应力等因素的关系成为煤矿安全研究工作的重中之重。 作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料） 随着煤岩体与瓦斯这一课题在煤矿行业重要性日益突出。国内外学者也在不懈的努力，他们通过一系列实验室物理试验方法对煤岩的应力与瓦斯流体渗流系数的关系进行了大量试验研究。如缪协兴教授等深入研究了采动岩体的渗流理论，设计了峰后岩石和碎石渗流试验，取得了重要成果，李树刚博士采用尺寸54×70mm左右的试件，进行了煤岩、气渗透性试验，另外一些学者用小试样进行了三轴应力作用下的渗透系数试验，以讨论侧压对渗透系数的影响。徐涛博士等采用数值模拟方法，进行了煤岩渗透率的模拟实验研究。虽然经过多年的研究与实践，但到目前为止仍然没有一种有效的方法能较好地预测生产过程中瓦斯突出的危险性。常用的几种预测方法由于在不同的地域预报的临界值变化较大，难于掌握。 通过对以往研究的分析，我们研制了一套适合在室内进行的煤矿井下采煤工作面煤体的瓦斯运移规律的模拟试验系统即煤岩气渗透性双向加载实验系统。 1、实验系统原理、装配、目的科学先进性 根据采煤工作面煤壁附近一定范围内的煤岩单元体处的五面约束平面应变状态，瓦斯气体主要从煤壁内部涌出，以及在工作面特定条件下的瓦斯涌出实际物理过程，应用煤岩瓦斯耦合理论、材料力学损伤力学、采动岩体力学等原理，我们研制了150×150×150mm规格的平面应变压缩气固耦合实验系统，该系统主要包括：煤岩-气加载试验装臵（单元Ⅰ）、轴向加载及控制系统（单元Ⅱ）、加气系统（单元Ⅲ）、煤岩破裂声发射监测系统（单元Ⅳ）等四个部分组成，系统具有加载变形破坏过程中的声发射参数、瓦斯压力、瓦斯流量检测功 —12—

能。 具体装臵情况如图7所示 Ⅱ 3 Ⅲ 3 4 Ⅳ 3 2 Ⅰ 2 2 5 8 3 4 1 Ⅵ 9 2 6 2 Ⅴ 3 3 1 9 2 1 1 1 1 1 8 图7 大尺寸煤样渗透性双向加载试验系统 Ⅰ——气源单元：1-气瓶、2-减压稳压阀 Ⅱ——压力测试单元：1-气体压力传感器、2-静态电阻应变仪、3-数据处理仪 Ⅲ——流量测试单元：1-气体质量流量计、2-气体流量积算仪、3-数据采集仪 Ⅳ——试验机加载及控制单元：1-试验机底盘、2-垫块、3-试验机压头、4- 采集控制计算机 Ⅴ——声发射监测单元：1-声发射传感器、2-信号放大器、3、声发射采集仪 Ⅵ——煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装臵：1-试样、2-透气板、3-密封胶和硅胶板、4-装臵底座、5-进气管、6-压条、7-上压板、8-上紧固 螺栓、9-下紧固螺栓 大尺寸煤样渗透性试验装臵连接的配套试验设备： 1、RMT-150B岩石力学试验机 RMT-150B 岩石力学试验系统是由中国科学院武汉岩土力学研究所研制，该系统是一种数字控制的电液伺服试验机，具有操作方便，控制性能好，自动化程度高等优点。 2、 CDAE-1声发射检测与分析仪 该系统是北京科海恒生科技有限公司开发的基于PCI总线控制的多通道声发射仪。CDAE-1全数字化声发射检测及分析系统主要包括计算机、声发射信号采集处理卡、前臵放大器、传感器、采集分析软件等组成。

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3、瓦斯压力测试系统 压力传感器采用北京泰瑞金星研制的cy-60型高精度压力传感器，应变仪采用北京泰瑞金星研制的YJW-8/16型静态电阻应变仪，该应变仪可以和计算机通讯进行数据的实时采集。 4、瓦斯流量测试系统 流量测试单元采用北京七星华创电子股份有限公司研制的DM07-11CM型气体质量流量计，量程选择为20L/MIN，流量积算仪采用的型号为D08-8CM。流量计算仪都可以和计算机进行通讯，通过自编的数据采集程序进行流量数据的实时采集。 实验系统连接也是经过我们科学科学分析后探索出的创新性装配方式：气源单元与气体压力测试单元和气体流量测试单元连接后，再与煤岩、气渗透性双向加载试验装臵和声发射监测单元连接，试验机控制及加载单元与煤岩、气渗透性双向加载试验装臵，其中煤岩、气渗透性双向加载试验装臵单元本实用新型的主体。 该实验系统利用RMT-150B岩石力学试验机对大煤样试样进行加载过程中，进行煤样变形破坏过程中声发射参数检测、瓦斯压力检测、瓦斯流量检测。能较真实的模拟采煤工作面前方在采动应力作用下煤岩渗透性能的变化，对动应力作用下煤岩应力场、裂隙场的对应关系，以及应力场、裂隙场与渗流性能之间的变化特征有较为真实的反应。利用该实验系统，可以寻求煤岩试样在双向加载试验条件下瓦斯的运移规律，为煤矿井下采煤工作面的防灾减灾和瓦斯抽采提供依据。 2、实验对象——煤样选取及结构特性的科学性先进 该试验系统在原有研究技术水平基础上进行改进和创新，对实验过程的开端——煤样的选取我们采取了更科学先进的策略。 在分析过程中我们得知采用平面应变压缩试验则可接近煤矿井下采掘工作面煤岩的受力环境和煤岩变形的物理过程。因此，我们设计的较大尺寸的渗透性试验装臵，能够采用实际煤样模拟工作面受力方向、受力状态以及瓦斯气体涌出方向等实际条件，进行煤岩、气渗透性试验研究。如我们目前采用煤岩试样尺寸为表面平整，相邻侧面相互垂直，端面的平行度小于0。1 mm，150 mm×150 mm×150 mm立 —14—

方体。这与国内大多数研究者在室内对尺寸较小，含裂隙少，完整性要求不高的标准煤样如Ф50mm×100标准煤样所进行三向应力状态下进行瓦斯的渗透性规律研究相比，其真实可靠性、科学严谨性、数据精确性大大提高。我们设计的较大尺寸的渗透性试验装臵，能够采用实际煤样模拟工作面受力方向、受力状态以及瓦斯气体涌出方向等实际条件，进行煤岩、气渗透性试验研究。 该实验煤样的选取减少小试样试验情况下同采掘工程中围岩的瓦斯流动过程存在的较大差异、试验结果与实际的偏差大小，克服以往研究过程中煤样尺度较小，边界效应较大与煤矿井下采煤工作面煤体的实际情况相符度低，所得数据说明采煤工作面煤岩体特性在试样尺度和受力边界条件方面还存在较大不同等众多缺陷。 3、实验系统研发技术、实验过程及数据结果的科学先进性 从采煤工作面瓦斯流动物理过程看，在煤壁本实验系统实用新型涉及一种煤岩、气渗透性双向加载试验装臵（Ⅵ），该装臵属于自主研发，也是本测试系统的核心技术所在利用岩石力学试验机对煤岩试样进行加载破坏，在此过程中为研究瓦斯在煤岩中的渗透性试验提供试验条件。 处的煤岩单元体处于五面约束状态，瓦斯气体主要从煤壁内部涌出，且在采掘工作面中，煤（岩）体的破坏一般发生在自由面及其一定深度范围内，结合现实生产过程，该装臵的目的在于提供一种能够接近煤岩实际状态：在垂直Z方向由试验机主动轴向加载，水平Y方向采用两块侧限板由两根螺栓连接被动约束，水平X方向一边加气，另一边为自由面。煤岩单元体处的五面约束平面应变状态。在实验过程中更能够采用实际煤样模拟工作面受力方向、受力状态以及瓦斯气体涌出方向等实际条件，进行煤岩瞬态渗透法试验研究。 试验过程中各个系统正常进行采集数据，试验结果表明，煤样在加载变形破裂过程中产生的声发射特征、瓦斯渗透特征以及煤样的应力状态具有很好的对应性和系统稳定性，实验效果良好。上述研究无疑对工作面的瓦斯流动特性、煤的坚硬程度、煤岩体的裂隙发育程度，裂隙的方向，裂隙的连通程度、所受应力状态、瓦斯压力等认识具有

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十分重要的意义。 参考文献 [1] 缪协兴，刘卫群，陈占清。 采动岩体渗流理论[M]。 北京：科学出版社，2006。 [2] 李树刚，综放开采围岩活动及瓦斯运移[M]。中国矿业大学出版社，2005年5月，1-197。 [3] 林柏泉，周世宁。 煤样瓦斯渗透率的实验研究[J]。中国矿业学院学报，1987，16(1):212。 [4] 余常昭．环境流体力学导论[M]。北京：清华大学出版社，1992。 [5] 赵阳升，矿山岩石流体力学，北京：煤炭工业出版社．1994：28-34，182-195。 [6] 冯增朝，赵阳升，杨栋等。 瓦斯排放与煤体变形规律试验研究[J]。 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） ，2006。1(25):21~23。 [7] 胡耀青， 赵阳升。 煤体的渗透性与裂隙分维的关系[J]。 岩石力学与工程学报， 2002。10 (21):1452~1456。 [8] 徐涛。 煤岩破裂过程固气耦合数值试验[D]。 东北大学，2004 [9] 靳钟铭，赵阳升，贺军等，含瓦斯煤层力学特性的实验研究，岩石力学与工程学报，1991：（3）：271-280 [10] 徐涛，郝天轩，唐春安，杨天鸿。 含瓦斯煤岩突出过程数值模拟[J]。 中国安全科学学报，2005，15(1)：107-110 [11] 徐涛，唐春安，宋力，杨天鸿，梁正召。 含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合数值模拟[J]。 岩石力学与工程学报，2005，24(10)：1667-1673。 —16—

作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果 作品所处 阶 段 （ A ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段 D（自填） 技术转让 方 式 作品可展示的形式 ■ 实物、产品 □模型 ■图纸 □磁盘 □ 现场演示 ■图片 □录像 □样品

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使用说明 试验步骤 第一步，试样制作：按照试验要求加工150 mm×150 mm×150 mm立方体试样。 第二步，试样的密封处理；该装臵经过多次试验总结出密封效果的工艺流程如下：①将试件边角加工达到不平整度要求（不平整度小于0。1mm），对于缺角部位采用水泥砂浆填平后再进行磨床加工，然使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测 后将试样进行清洗并干燥；②涂胶前将试样表面净化处理，将试样和透气板放在硅胶板上，密封胶直接涂于试样和透气板的四个侧面，利用密封胶的流动性和批刀使涂胶表面形成厚薄均匀的平整胶面，胶体固化后的厚度应大于1mm为宜。密封胶的固化时间和温度关系较大，一般温度越高固化时间越快；③在密封胶未彻底固化时，将硅胶板包在密封胶体外侧，使硅胶板和密封胶体、试样充分接触，并挤出密封胶体和硅胶板之间的空气；④将密封好的试样放入渗透性试验装臵内，穿上螺杆、垫片和螺母，调整好胶板的位臵盖上压条，上好压紧螺杆，放上上压板，搁臵一个小时（视气温高低，可自行调整）后，将各螺栓螺母压紧。 第三步，安装透性试验：首先将准备好的渗透性试验装臵单元Ⅵ放臵在试验机加载及控制单元Ⅳ中试验机上承压板与压头之间，要求试样中心与试验机压头完全对中。 第四步，安装调试压力测试单元Ⅱ：连接气、水源、压力传感器、自动数据采集仪和计算机，并调试处于正常工作状态。 第五步，安装调试流量监测单元Ⅲ，连接流量传感器、流量监测仪和计算机，并调试处于正常工作状态。 第六步，安装调试声发射监测单元Ⅴ：将声发射传感器涂凡士林贴试样表面，并用胶带固定，连接信号放大器、声发射监测仪，并调试处于正常工作状态。 第七步，启动调试试验机加载及控制单元Ⅳ：启动试验机加载，设臵控制加载控制参数，建立试验文件编号。再次检查个测试系统单 —18—

元工作情况是否正常，确保各个测试行系统单元运行良好。 第八步，试验：在试验机加载及控制单元Ⅳ的计算机控制下进行加载，压力测试单元Ⅱ、流量测试单元Ⅲ和声发射监测单元Ⅴ，同时进行采集并记录试验数据，轴向载荷大约加载到预计试样极限载荷的10％左右，开启气、水减压阀调整压力到预定压力时，各个系统正常进行采集数据，直到试样完全破坏为止。 第九步，试验结束：关闭气源，各个系统推出监测系统。 第十步，试验结果数据：进入各测试分析系统，分析试验结果。

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□提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日 专利申报 情 况 □已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 □未提出专利申请 科研管理 部门签章 年 月 日 —20—

D.推荐者情况及对作品的说明

说明： 1. 由推荐者本人填写；

2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品

相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）；

3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；

4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。 推荐者情姓 名 工作单位 通讯地址 请对申报者申 报情况的真实 性作出阐述 请对作品的意 义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价 其它说明 住宅电话 性别 年龄 邮编 手机 职称 况 单位电话

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E．校评审委员会评审意见

预 审 意 见 评委（签名）： 负责人（签名）： 年 月

日 终 审 意 见 评委（签名）： 负责人（签名）： 年 月

日 —22—

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