肖　鑄,張鵬翔,3,李青松,3,4,朱權潔

(1.貴州省礦山安全科學研究院,貴陽 550025;2.貴州省煤礦設計研究院,貴陽 550025;3.貴州省煤礦瓦斯防治工程技術研究中心,貴陽 550025；4.貴州安和礦業(yè)科技工程股份有限公司, 貴陽 550025)

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煤礦井下爆破作業(yè)頻帶能量分布規(guī)律*

肖鑄1,2,張鵬翔1,2,3,李青松1,2,3,4,朱權潔1,2

(1.貴州省礦山安全科學研究院,貴陽 550025;2.貴州省煤礦設計研究院,貴陽 550025;3.貴州省煤礦瓦斯防治工程技術研究中心,貴陽 550025；4.貴州安和礦業(yè)科技工程股份有限公司, 貴陽 550025)

摘要:為了有效降低煤礦井下爆破作業(yè)擾動,減少爆破誘發(fā)的礦震和煤與瓦斯突出等次生災害,需要對煤礦井下爆破作業(yè)能量變化規(guī)律進行研究。采用錨桿外掛式方法安裝傳感器,優(yōu)化了微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝方法。對煤礦井下爆破作業(yè)過程的微震信號進行采集,并應用小波包分解方法分析其頻譜,發(fā)現(xiàn)煤礦井下爆破作業(yè)信號的能量頻帶分布范圍廣,各個頻帶內(nèi)爆破微震信號的能量百分比不斷變化。爆破微震信號92%以上的能量集中在0～500 Hz的低頻帶范圍內(nèi)。隨傳播距離的增加,微震信號的高頻部分衰減速度快。在煤礦現(xiàn)場應用低爆速、低密度、小直徑的炸藥,降低最大一段的炸藥藥量,采用分散布藥與不耦合裝藥方式有利于降低地震效應。

關鍵詞:煤層；爆破；微震；頻譜分析

煤礦井下爆破作業(yè)時,能量較大,擾動影響大,對含瓦斯煤巖體破壞嚴重。井下系統(tǒng)環(huán)境中瓦斯運移場、地應力場受到破壞后失衡,導致煤巖體受力不均衡,瓦斯運移過程突變,導致發(fā)生頂板冒落、煤與瓦斯突出等事故。根據(jù)多年來煤礦事故統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)所有的作業(yè)過程中,爆破作業(yè)最易誘發(fā)頂板事故、煤與瓦斯突出事故的作業(yè)。尤其是貴州中小煤礦多數(shù)煤礦采用炮掘作業(yè)方式進行掘進,因此,本文引入微震手段對煤礦井下煤巖體狀態(tài)進行監(jiān)測監(jiān)控,目的是研究煤巖體受爆破作業(yè)影響后的變化、失衡、破壞過程,有效降低爆破后的振動效應,減少煤礦事故的發(fā)生。

1概況

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要包括信號采集、信號接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)三大部分。微震監(jiān)測技術最早在井下工程中應用于貴重金屬礦山開采誘發(fā)的地震。截止目前為止,在國內(nèi)礦山主要應用在監(jiān)測礦柱殘存地壓、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、巖爆監(jiān)測預警、巖體穩(wěn)定性等各個方面,并取得較好的效果。相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段,微震技術可以監(jiān)測煤層內(nèi)部微震事件,追蹤煤層深部受擾動地質(zhì)體裂隙發(fā)育、發(fā)展和突出的變化過程和受采動影響區(qū)域內(nèi)的地應力的重新分布過程。

井下巷道掘進爆破時,大部分的爆破能量在破壞和粉碎煤巖體的過程中被耗散,小部分能量傳播出去[1-5]。傳播的過程是一個能量不斷衰減的過程。由于煤巖體物理力學性質(zhì)不均勻,且含有不連續(xù)的結構面,因此,在介質(zhì)中產(chǎn)生的波動現(xiàn)象十分復雜。一方面,煤巖體介質(zhì)中波的能量隨著反射和投射減少,另一方面,隨著內(nèi)摩擦現(xiàn)象而被吸收,并使煤巖體積蓄一部分彈性能。爆破在煤巖體中發(fā)生后,產(chǎn)生沖擊波、應力波、地震波。其中,沖擊波使煤巖體破碎,應力波使煤巖體指點發(fā)生位移和應變、擴張和應變,地震波引起裂隙的發(fā)育。沖擊波破壞作用最大,傳播距離最短；應力波、地震波作用范圍較大,時間較長。經(jīng)筆者對煤礦井下現(xiàn)場爆破作業(yè)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計表明,與露天臺階式爆破不同,煤礦井下爆破微震波信號時間為250 ms以上。微震監(jiān)控傳感器布置于應力波、地震波的作用范圍內(nèi)。

2煤礦井下爆破能量

煤與瓦斯突出事故相關資料統(tǒng)計分析研究結果表明,煤礦井下爆破作業(yè)是煤與瓦斯突出的最主要誘導方式,掘進工作面是煤與瓦斯突出事故發(fā)生的主要地點區(qū)域。煤礦井下爆破震動的危害程度受到爆破震動幅值、頻譜、持續(xù)時間等多參數(shù)的作用影響。而且與爆破次數(shù)、爆破前應力狀態(tài)、周圍煤巖體特性等相關。井下爆破作業(yè)釋放的能量大部分在破壞、拋擲煤巖體的過程中耗散掉,僅有一小部分在傳播介質(zhì)中轉(zhuǎn)化為煤巖體、空氣等介質(zhì)中傳送的地震波。地震波能量占總能量的百分比因傳播介質(zhì)不同而迥異[6],大部分介質(zhì)中能量占比在3%～20%之間[7]。在均勻介質(zhì)體中,爆破振動地震波傳播過程中能量消耗較非均勻介質(zhì)少,引起的振動效應影響大。

煤礦井下掘進巷道爆破作用在炮孔中的最大壓力與爆破炸藥的性質(zhì)、密度、爆速以及爆破時的裝藥結構有關,在時間歷程上,先按照指數(shù)規(guī)律升壓然后再降壓。影響爆破振動效應的因素包括炸藥量、炮孔個數(shù)、炮孔布置方式、單段最大藥量、傳播距離、煤巖體性質(zhì)等[8]。爆破時,起爆藥量、藥包形狀、炸藥特性、煤巖體性質(zhì)都會影響爆破地震波的頻譜和幅值特性。

地震波在煤巖體介質(zhì)中傳播過程中,距離越長,發(fā)射、折射次數(shù)越多,衰減幅度越大,頻率越少越小,相應的幅值也變小。地震波速度V與最大段藥量Q、水平距離R,地形、地質(zhì)條件、煤巖體性質(zhì)等有關的系數(shù)K、a的相互間關系可以利用薩道夫斯基公式V=K(Q1/3/R)a表示。煤礦井下爆破掘進過程中多采用延長藥包法,裝藥結構采用炮孔法,起爆方法采用微差爆破。微差爆破能有效降低地震效應。根據(jù)利文斯頓彈性變形方程,以煤巖體在炸藥包臨界深度破壞時,藥包臨界埋深Le與煤巖體彈性變形系數(shù)Eb、臨界藥量Qe的關系為Le=Eb(Qe)1/3。大部分煤體抗壓強度為1～25 MPa、縱波波速在1500～2400 km/s、彈性模量為1.5～4.5 GPa,孔隙率為2.5%～8.0%。與巖體相比,煤體抗壓強度弱、波速慢、彈性模量小、孔隙率高。炸藥的密度與爆速高時,對煤巖體的振動強度增大。在煤礦井下選用低爆速、低密度、小直徑的炸藥,有利于降低地震效應。降低爆破中最大一段的炸藥藥量,可有效降低振速。另外,分散布藥與不耦合裝藥可控制振動能量的幅值。

3爆破作業(yè)微震信號的小波包分析

3.1微震傳感器布設方式

為有效采集煤礦井下巷道爆破掘進過程中的微震信號,根據(jù)義忠煤礦生產(chǎn)布局以及井下采掘巷道開挖情況,設計將微震監(jiān)測傳感器布設于11112掘進工作面迎頭后方。煤體中微震信號傳播速度為2～5 m/ms,傳感器信號采集頻率為4000 Hz,單次爆破作業(yè)微震信號長度為200～800 ms之間,因此,將微震傳感器布設間距設計為10 m以上,在巷道兩幫依次布設。

以往傳感器安裝時,采用紙杯裝錨固劑將傳感器黏結在安裝鉆孔中。安裝方式存在費時、費力、工程量大,安裝過程中易導致傳感器損壞,以及回收困難等弊端。在現(xiàn)場應用過程中,克堅攻難,對存在的問題采用專家頭腦風暴法等現(xiàn)代科研方法進行了技術攻關,不斷改進微震系統(tǒng)布設方法、埋設方式等。在義忠煤礦微震監(jiān)測試驗過程中自主研發(fā)出了錨桿式和可伸張埋入式兩種安裝方式,在現(xiàn)場應用中效果良好。傳感器錨桿式安裝示意圖及連接器見圖1。

3.2分析方法的選取

信號波形分析中有傅里葉變換、小波變換、小波包變換等各類不同的方法。傅里葉變換能有效表征信號全局的性質(zhì),但對局部細節(jié)內(nèi)容無法深入。小波變換的優(yōu)點在于能對信號尤其是低頻信號進行較好的表述,但對高頻部分的細節(jié)無法繼續(xù)分解。小波包分解方法能對高頻、低頻部分分別進行進一步精細的分解,能對波形進行有效的時頻分辨。井下爆破微震波信號頻率豐富,既含有高頻成分,又含有低頻成分,因此,選用小波包分析方法對井下爆破微震信號進行研究。

常用的小波函數(shù)中,Daubechies小波具有時域有限、整數(shù)位移后政教歸一等特點,小波隨階次增大,消失矩階數(shù)變高,越有利于更好的劃分頻帶,但計算效率降低,時域緊支撐性變?nèi)?。結合煤礦井下爆破微震信號的波形特點,選擇Db12小波包進行分析。小波包分解到n層,有2^n種分解方式,選用度量信息規(guī)律性的Shannon熵、對數(shù)能量熵、SURE熵等作為指導小波包分解的特征函數(shù),降低運算量,挑出最優(yōu)小波包樹。

3.3煤礦井下爆破作業(yè)微震信號小波包分析

井下巷道爆破作業(yè)時,產(chǎn)生含有豐富頻率的微震波,在煤巖體中傳播一段距離后,能被微震傳感器捕捉。通過采用小波包分析方法對微震信號進行處理、分析,可以得到爆破微震信號的統(tǒng)計規(guī)律[9-12]。選用加拿大ESG微震監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對煤礦井下爆破作業(yè)微震信號進行采集。爆破微震信號采集采用寬頻帶高效率加速度傳感器,采集最小工作頻率為50 Hz。微震信號的采樣頻率為4000 Hz,根據(jù)Nyquist-Shannon采樣定理,可知其奈奎斯頻率為2000 Hz。利用小波包對信號進行4層分解,第4層小波包分解樹具有16個節(jié)點,微震爆破信號在頻域范圍內(nèi)被劃分為16個子頻帶。各個頻帶寬間隔125 Hz,最低頻帶為0～125 Hz,最高頻帶為1875～2000 Hz。根據(jù)各種小波基的緊支性、光滑性和近似對成性,選擇有利于分析爆破微震非平穩(wěn)信號的Daubechies函數(shù),為更有利于劃分頻帶,選擇db12序列作為微震信號小波包分析基函數(shù)。

在煤礦井下炮掘巷道進行了10 d 30次的現(xiàn)場爆破作業(yè)試驗。從現(xiàn)場試驗采集到的爆破微震信號中選取具有代表性的25個進行4層小波包分解。運用matlab編程,對第4層小波包分解系數(shù)進行平方求和,得出各個節(jié)點的能量值,并進行歸一化處理,得出不同頻帶的能量占總能量的比例。隨著掘進工作面的不斷向前推進,主要頻帶的能量變化如圖2所示。

由圖2可以看出煤礦井下爆破微震信號的頻率豐富,在0～2000 Hz的各個頻帶范圍內(nèi)均有分布。低頻信號能量略為分散,其中125～250 Hz、375～500 Hz兩個頻帶范圍內(nèi)信號能量占比較大。高頻信號能量較為集中,主要分布在750～875 Hz、1500～1625 Hz的頻帶范圍內(nèi)?？梢?不同于一般信號,可以采用單個主頻來反應整個頻域信號的特征,在微震爆破信號分析的過程中,需要將不同頻帶的微震能量綜合考慮進去。

由于井下爆破作業(yè)震源以及傳播路徑的復雜和不重復性,每次爆破產(chǎn)生的微震信號各個頻帶的能量占總能量的百分比也起伏不定。由圖2可以看出,能量分布中百分比最大的兩個頻帶為125～250 Hz、375～500 Hz頻帶,爆破產(chǎn)生微震信號的頻帶能量百分比在不斷變化。綜上可以看出,在不同的震源和傳播路徑條件下,爆破微震信號的主要頻率及其能量也在不斷發(fā)生變化。

爆破微震信號能量頻帶分布廣,但小于500 Hz的頻帶能量占比在92%以上,大于500 Hz的頻帶范圍內(nèi)信號能量占比在8%以下,可見義忠煤礦井下一次正向爆破中,微震波能量大部分集中在0～500 Hz的低頻頻帶范圍內(nèi)。

500 Hz以上的頻帶范圍中,微震能量百分比在8%以下,能量占比較小,主要集中在750～875 Hz、1500～1625 Hz的頻帶范圍內(nèi)。隨著掘進巷道的不斷推進,爆破微震信號的傳播距離逐漸增大,高頻段信號能量百分比迅速減小,表明煤體中爆破震動信號的高頻部分衰減速度快。

4小結與展望

(1)煤礦井下作業(yè)工序中,爆破作業(yè)釋放能量大,對煤礦井下采掘系統(tǒng)、煤巖層等造成劇烈的擾動,易引發(fā)頂板垮落,誘發(fā)煤與瓦斯突出等,需要對爆破作業(yè)及其前后的環(huán)境變化進行實時監(jiān)測監(jiān)控,嚴防煤礦重大事故的發(fā)生,減少人員傷亡。

(2)煤礦井下煤巖體爆破過程中產(chǎn)生的能量大部分耗散在破碎、拋擲煤巖體的過程中,僅有約3%～20%的能量轉(zhuǎn)化為地震波進行擴散。地震波的傳播效應受到炸藥量、爆破參數(shù)、煤巖體性質(zhì)、傳播距離、地質(zhì)構造環(huán)境等因素的制約。在井下選用低爆速、低密度、小直徑的炸藥,降低最大一段的炸藥藥量,采用分散布藥與不耦合裝藥方式有利于降低地震效應。

(3)通過合理設定傳感器安裝距離等方法優(yōu)化了傳感器布置方案；自主研發(fā)了錨桿外掛式、可伸張埋入式等不同傳感器安裝方法,有效減少了工程量,降低了傳感器損耗,保證了傳感器的回收和循環(huán)利用；使監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能有效采集煤礦井下爆破作業(yè)信號。

(4)煤礦井下爆破作業(yè)信號的能量頻帶分布范圍廣,各個頻帶內(nèi)爆破微震信號的能量百分比不斷變化。爆破微震信號92%以上的能量集中在0～500 Hz的低頻帶范圍內(nèi)。隨傳播距離的增加,微震信號的高頻部分衰減速度快。

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Frequency Band Energy Distribution of Coal Mine Blasting

XIAOZhu1,2,ZHANGPeng-xiang1,2,3,LIQing-song1,2,3,4,ZHUQuan-jie1,2

(1.Guizhou Mine Safety Research Institute,Guiyang 550025,China;2.Guizhou Coalmine Design & Research Institute,Guiyang 550025,China;3.Guizhou Province Engineering Technology Research Center for Coal Gas Prevention ﹠ Control,Guiyang 550025,China;4.Guizhou AnHe mining technology and engineering Co Ltd,Guiyang 550025,China)

Abstract:In order to reduce the disturbance caused by coal mine underground blasting,reduce the secondary disasters such as mine earthquake and coal and gas outburst,need to study the energy variation law of coal mine blasting operation.Install the sensor using bolt plug-in method,installation method to optimize the microseismic monitoring system.Coal mine blasting process of microseismic signal acquisition and application of wavelet packet decomposition method for the analysis of the spectrum,it is found that the coal mine blasting signal frequency band energy distribution of a wide range of percentage of energy in each frequency band of blasting seismic signals constantly changing.More than 92% of the energy concentration of blasting seismic signals in the 0～500 Hz frequency band.With the increase of propagation distance,the high frequency part of microseismic signal attenuation speed.In the coal mine field,the low detonation velocity,the low density,the small diameter of the explosive,and the lower the maximum amount of explosive charge,and the distribution of the drug and the non coupling charging method are used to reduce the seismic effect.

Key words:coal seam；blasting；microseismic；spectrum analysis

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.015

收稿日期:2016-04-06

作者簡介:肖鑄(1965-)，男，高級工程師、學士，主要從事煤礦設計、瓦斯防治、安全工程與技術等方面的工程技術服務和科研工作，(E-mai)349635236@qq.com。 通訊作者:張鵬翔(1987- )，男，工程師、碩士，主要從事瓦斯防治、煤礦設計與咨詢、安全技術及工程等方面的工程技術服務和科研工作，(E-mail)244492525@qq.com。

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAK04B07)；貴州省社會發(fā)展攻關計劃項目(黔科合社G字[2011]4003、黔科合SY字[2010]3036)

中圖分類號:TD713

文獻標識碼:A

文章編號:1001-487X(2016)02-0078-05