雷文杰，張朝陽(yáng)

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

我國(guó)煤炭開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)向深部煤層，礦井地質(zhì)災(zāi)害事故發(fā)生的頻率也在逐漸增加[1]。地下工程采動(dòng)極易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生，研究煤巖卸荷力學(xué)特性有利于解釋其損傷演化規(guī)律[2]。煤巖體在破壞時(shí)其能量會(huì)以彈性波的形式釋放，從而產(chǎn)生微地震事件，因此可利用微震信號(hào)對(duì)煤巖體的破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3-4]。

微震監(jiān)測(cè)設(shè)備具有全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集功能、可實(shí)現(xiàn)空間定位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5]。為深入研究微震信號(hào)中含有的煤巖動(dòng)力特征，大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究：肖曉春等[6]進(jìn)行了顆粒煤巖循環(huán)加載聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了煤巖模型破裂的信號(hào)特征；諸多學(xué)者[7-8]針對(duì)煤巖類材料在單軸單次及多級(jí)循環(huán)加載試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)、剪切試驗(yàn)等破壞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行了研究；李浩然等[9]研究了巖石破壞與監(jiān)測(cè)信號(hào)特征之間的關(guān)聯(lián)特征，得到了巖石破壞時(shí)聲發(fā)射信號(hào)規(guī)律；丁學(xué)龍等[10]研究了煤巖脹裂破壞過(guò)程中的微震信號(hào)特征；許曉陽(yáng)等[11]研究了混凝土、原煤在單軸壓縮微震信號(hào)的頻譜特征；趙揚(yáng)鋒等[12]研究了單軸壓縮條件下完整砂巖和不同傾角裂隙砂巖的破壞特征和微震信號(hào)規(guī)律；劉向峰等[13]基于聲發(fā)射信號(hào)的各種參數(shù)特征研究，實(shí)現(xiàn)了煤巖破壞由微觀到宏觀的分析；謝和平等[14]研究發(fā)現(xiàn)微震的振幅、事件數(shù)、能量等參數(shù)能夠反映出巖體破裂擴(kuò)展的數(shù)量、尺寸以及方位等信息；楊永杰等[15]發(fā)現(xiàn)煤、砂巖卸圍壓聲發(fā)射信號(hào)能量主要集中于低頻段，并與煤樣破裂尺度有一定關(guān)系，且信號(hào)主頻在宏觀破裂前會(huì)發(fā)生突變；馬德鵬等[16]研究發(fā)現(xiàn)煤樣在卸載圍壓前以能量?jī)?chǔ)存為主，達(dá)到峰值后以釋放為主，且卸載速率越大，損傷量增加越快。當(dāng)前眾多學(xué)者從巖石破壞聲學(xué)、力學(xué)、循環(huán)加載特征等方面進(jìn)行了大量研究，但多以巖體為研究對(duì)象在統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上得到規(guī)律。以煤體為研究對(duì)象將煤樣破裂對(duì)應(yīng)微震信號(hào)時(shí)頻特征研究較少，尤其從微震角度對(duì)煤體裂隙擴(kuò)展和煤體破壞時(shí)微震信號(hào)時(shí)頻及破壞前、后破壞信號(hào)特征的研究更是鮮有涉及。

基于此，對(duì)原煤卸荷過(guò)程微震信號(hào)特征進(jìn)行研究，獲取原煤卸圍壓產(chǎn)生的信號(hào)，分析不同階段的煤體破裂特征及對(duì)應(yīng)的微震信號(hào)特征，以期從微震的角度揭示礦井災(zāi)害發(fā)生機(jī)制，豐富煤巖動(dòng)力學(xué)理論，為礦井災(zāi)害預(yù)警奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行全波形信號(hào)采集處理，可實(shí)時(shí)計(jì)算能量、震級(jí)等參數(shù)，該系統(tǒng)包含12個(gè)信號(hào)采集通道。由井下數(shù)字信號(hào)接收系統(tǒng)、地面主機(jī)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)以及傳感器3部分組成，試驗(yàn)設(shè)備主要有ESG微震監(jiān)測(cè)及煤熱流固耦合三軸伺服加載系統(tǒng)。ESG主要包括：信號(hào)采集傳感器、數(shù)字信號(hào)接收系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)3部分。本文采用的微震信號(hào)采集傳感器為單軸傳感器，主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。加載過(guò)程中記錄煤樣各時(shí)間點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度高、采樣頻率范圍大。

表1 微震監(jiān)測(cè)設(shè)備主要參數(shù)Table 1 Main parameters of micro-seismic monitoring equipment

卸圍壓試驗(yàn)采用含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置，主要由6部分組成：數(shù)據(jù)測(cè)量、伺服加載、壓力控制、恒溫和輔助系統(tǒng)、壓力室及伺服滲流裝置。試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該試驗(yàn)設(shè)備可以模擬不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力和溫度下的煤樣瓦斯?jié)B流試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Test system

伺服系統(tǒng)主要由軸向加載機(jī)架、伺服液壓站及控制臺(tái)3部分構(gòu)成。試樣的軸向變形由軸向位移傳感器測(cè)量；液壓泵的額定流量和壓力分別為4.5 L/min，21 MPa。軸壓和圍壓能達(dá)到的最大值分別為100，10 MPa；試驗(yàn)可由控制軟件實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化，試驗(yàn)參數(shù)亦可根據(jù)需求手動(dòng)調(diào)節(jié)。

1.2 卸圍壓試驗(yàn)方案

卸圍壓試驗(yàn)3組煤樣編號(hào)分別為L(zhǎng)H-1，LH-2，LH-3。試樣參數(shù)分別為100.8 mm×48.9 mm(高×直徑)，重260 g；102.9 mm×47.8 mm(高×直徑)，重275 g；99.5 mm×47.8 mm(高×直徑)，重262 g。瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服裝置軸向加載速度設(shè)定為0.02 kN/s，圍壓增幅為0.01 MPa/s。卸圍壓試驗(yàn)步驟如下：

1)編號(hào)。將加工后的煤樣編號(hào)，貼標(biāo)簽拍照；2)涂硅橡膠。將小樣側(cè)壁涂滿硅橡膠，約1 mm厚度，以保證氣密性，待完全晾干，安置傳感器；3)開(kāi)始試驗(yàn)。將固定好的小樣推至試驗(yàn)臺(tái)，軸向力15 kN后由試驗(yàn)控制軟件自動(dòng)控制，保證其徑向變形值不少于-5 mm；4)設(shè)定力控制速度軸向力達(dá)到一定值后開(kāi)始卸圍壓，觀察徑向變形；5)煤樣破壞。若軸向力達(dá)到目標(biāo)值未破壞，增大目標(biāo)值重復(fù)上一步。

2 卸圍壓試驗(yàn)結(jié)果

煤樣LH-1～LH-3對(duì)應(yīng)的壓力分別為0.5，1.0，1.5 MPa；瓦斯初始流量分別為0.692，0.056，0.058 L/min，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 卸圍壓試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of unloading confining pressure test

試樣應(yīng)力和圍壓變化過(guò)程如下：LH-2試樣初始軸向力12 kN，圍壓6 MPa；從12 kN開(kāi)始加載軸向力直至目標(biāo)值80 kN，此過(guò)程圍壓保持不變；煤樣破壞時(shí)圍壓降至4.93 MPa，軸向力79.96 kN；破壞后圍壓為5.83 MPa，軸向力降至51.83 kN。LH-3煤樣最大軸壓為60 kN，10∶23∶14開(kāi)始卸圍壓，圍壓卸載之前為6 MPa，煤樣破壞后圍壓驟增至3.27 MPa，軸壓由60 kN驟降至36.32 kN，如圖2所示。

圖2 LH-3試樣壓力加載過(guò)程Fig.2 Pressure loading process of LH-3 sample

由于煤樣破壞時(shí)瞬間失穩(wěn)，煤樣軸壓驟然下降，煤樣破壞體積增加，煤體內(nèi)瓦斯氣體由破裂面釋放至試驗(yàn)腔，致使圍壓迅速增加，故3組煤樣均出現(xiàn)圍壓激增現(xiàn)象。卸圍壓過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力現(xiàn)象主要表現(xiàn)為煤體開(kāi)挖時(shí)新鮮揭露面受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為受力不均衡狀態(tài)，在應(yīng)力和瓦斯壓力綜合作用下瞬間失穩(wěn)，與沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害發(fā)生過(guò)程類似。

3 卸圍壓微震信號(hào)時(shí)頻特征

3.1 不同試驗(yàn)階段信號(hào)特征對(duì)比

以LH-2試樣為例，加軸壓、卸圍壓和破壞3個(gè)試驗(yàn)階段的信號(hào)，各階段信號(hào)相對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)區(qū)間分別為加軸壓[1 199，3 198]，卸圍壓[17 955 100，17 957 099]，破壞[18 411 000，18 414 999]等，試驗(yàn)中先保持圍壓穩(wěn)定，同時(shí)以加載速度均為0.05 mm/min的速度加載軸壓至穩(wěn)定，卸圍壓和破壞時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)域波形如圖3(a)～圖3(b)所示。

圖3 不同時(shí)刻信號(hào)波形Fig.3 Signal waveform at different time

小波尺度譜圖如圖4(a)～圖4(c)所示，主頻為50 Hz，此外在加軸壓過(guò)程中還存在250，800 Hz，2個(gè)信號(hào)頻帶；在卸圍壓過(guò)程中微震信號(hào)中除以上頻段外，還存在125 Hz頻段；且二者不同頻段信號(hào)能量不同。煤樣破壞時(shí)未見(jiàn)明顯主頻信號(hào)，信號(hào)成分復(fù)雜，所含頻率范圍廣。加軸壓和卸圍壓過(guò)程中各頻段信號(hào)均在整個(gè)時(shí)間片段內(nèi)持續(xù)分布，破壞時(shí)刻僅在250～700 ms之間存在不連續(xù)的、不同能量的信號(hào)成分。煤體破壞時(shí)信號(hào)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和頻率成分均明顯區(qū)別于加軸壓和卸圍壓時(shí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)。

圖4 小波尺度譜Fig.4 Wavelet scale spectrum

軸壓增加和圍壓卸除階段的信號(hào)頻率主要在300 Hz以下，未見(jiàn)信號(hào)跳變。加軸壓和卸圍壓時(shí)信號(hào)頻帶范圍基本相同。加軸壓和卸圍壓階段的信號(hào)主頻均為50 Hz，均存在250 Hz頻段，但卸圍壓階段監(jiān)測(cè)信號(hào)存在125 Hz頻帶和700 Hz頻帶，可見(jiàn)在不同階段信號(hào)呈現(xiàn)出明顯不同的特征，頻率存在較大差別。為有效提取卸圍壓過(guò)程中煤樣破裂微震信號(hào)。加軸壓和卸圍壓信號(hào)4層小波分解，1～3頻帶(0～375 Hz)信號(hào)幅值最大，與連續(xù)小波變換結(jié)果一致。加軸壓和卸圍壓的能量主要集中于小波包分解1和2頻帶，加軸壓信號(hào)中1和2頻帶分別占信號(hào)總能量的85.27%，12.28%；卸圍壓信號(hào)中1和2頻帶分別占總能量的64.15%，26.92%；破壞時(shí)1～3頻帶能量占比分別為52.83%，10.09%，24.36%，375 Hz以下的低頻部分能量占比最大。

煤樣破壞后進(jìn)入應(yīng)力殘余階段，信號(hào)主頻轉(zhuǎn)變?yōu)?56 Hz，試驗(yàn)儀器主要干擾頻帶依然分布于低頻段。綜合不同階段信號(hào)頻率特征可知干擾主要為1～3頻帶，低頻段與煤樣破壞頻帶范圍不重疊，不會(huì)干擾煤樣破壞信號(hào)采集，但是700 Hz附近存在干擾頻帶，1 000 Hz以上基本不存在信號(hào)干擾。

3.2 內(nèi)部裂紋擴(kuò)展與煤體破裂信號(hào)特征對(duì)比

煤體破壞前煤樣會(huì)在內(nèi)部形成細(xì)小破裂，產(chǎn)生不同時(shí)-頻特征的微震信號(hào)，通過(guò)對(duì)不同階段的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換，從完整監(jiān)測(cè)信號(hào)中可截取不同階段的包含煤樣破裂信號(hào)的微震信號(hào)片段，裂紋擴(kuò)展(S1)、破壞時(shí)(S2)的信號(hào)，時(shí)間區(qū)間分別為S1[17 468 600，17 470 599]，S2[18 411 000，18 414 999]，S1對(duì)應(yīng)時(shí)域波形如圖5所示。

圖5 信號(hào)S1波形Fig.5 Waveform of signal S1

煤樣裂紋擴(kuò)展和破壞信號(hào)的尺度譜圖如圖6所示，呈現(xiàn)明顯不同特征：裂紋擴(kuò)展信號(hào)頻率主要在300 Hz以下，且頻率400 Hz以下(50，125，250 Hz等頻帶)的各頻帶信號(hào)持續(xù)性或間斷性出現(xiàn)并具有一定的周期性特征，無(wú)明顯信號(hào)跳變；700 Hz附近存在持續(xù)性信號(hào)，信號(hào)幅值較低，能量??；500～2 000 Hz存在1段跳變信號(hào)，為煤樣內(nèi)部裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的微震信號(hào)；煤樣破壞信號(hào)不穩(wěn)定、信號(hào)跳變多，跳變信號(hào)產(chǎn)生頻次高，各頻帶無(wú)持續(xù)性信號(hào)，無(wú)明顯分帶，信號(hào)主頻為800 Hz。

圖6 信號(hào)S1小波尺度譜圖Fig.6 Wavelet scale spectrum of signal S1

由于煤樣破壞失穩(wěn)致使煤樣不同部位間產(chǎn)生滑移錯(cuò)動(dòng)，由此產(chǎn)生除儀器運(yùn)轉(zhuǎn)之外的信號(hào)干擾，根據(jù)連續(xù)小波包變換煤樣破壞后的殘余階段干擾信號(hào)主頻變?yōu)?56 Hz。加載和卸圍壓初期煤樣破裂頻次低、信號(hào)跳變少。破壞過(guò)程中伴隨煤體不同部位間相對(duì)位移，產(chǎn)生摩擦、揉搓，故煤樣破壞時(shí)信號(hào)頻率成分復(fù)雜。

綜上，干擾信號(hào)頻率主要在500 Hz以上，375 Hz(1～3頻帶)以下信號(hào)的震動(dòng)源并非煤體破裂，即為信號(hào)干擾，故將1～3頻帶信號(hào)去除，即可獲得煤體破壞時(shí)去除干擾的信號(hào)波形，LH-2和LH-3煤樣破壞微震信號(hào)去除干擾頻帶后波形如圖7所示，由圖可知LH-2在1 s內(nèi)連續(xù)發(fā)生2次能量基本一致的連續(xù)性失穩(wěn)破壞。LH-3煤樣失穩(wěn)時(shí)僅產(chǎn)生1次大能量破裂信號(hào)，隨即進(jìn)入殘余階段。

圖7 去除1～3頻帶重構(gòu)信號(hào)波形Fig.7 Reconstructed signal waveform removing 1～3 bands

綜上，軸壓增加時(shí)煤樣承受軸向壓力逐漸增加，在此階段信號(hào)頻率主要為50，250 Hz 2個(gè)頻帶，圍壓卸除階段還存在125，700 Hz頻帶2個(gè)頻帶有明顯區(qū)別，此外整個(gè)加壓階段頻率成分基本保持不變。卸載期間的煤樣破裂信號(hào)范圍在500～2 000 Hz之間，破壞時(shí)成分復(fù)雜跳變多，破壞時(shí)信號(hào)幅值最大約2 800 mV，卸圍壓過(guò)程中最大幅值約為240 mV，以LH-3為例破壞時(shí)軸壓由60 kN驟降至36.32 kN，圍壓由2.246 MPa增至3.269 MPa。

3.3 微震響應(yīng)事件特征

將信號(hào)經(jīng)過(guò)上述處理后對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中微震事件(以每次煤樣破裂釋放微震信號(hào)為1個(gè)事件)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即每分鐘煤樣破裂信號(hào)釋放的次數(shù)，煤樣破壞前微震事件極少，煤樣破壞后小破裂會(huì)間斷性發(fā)生并持續(xù)至結(jié)束。其中，LH-2事件總數(shù)為176，破壞時(shí)事件數(shù)為76，破壞后事件數(shù)為92，分別占比43%，52%；LH-3事件總數(shù)為184，破壞事件數(shù)為66，破壞后事件數(shù)為114，分別占比36%，62%。

煤樣破壞前后15 s左右的事件分布及各事件相應(yīng)的幅值如圖8所示，破壞時(shí)信號(hào)幅值最大，且煤樣破裂事件最多。煤樣LH-2破壞時(shí)每秒事件頻數(shù)為14，破壞前1 s事件數(shù)7次，破壞后1 s 6次，LH-3破壞時(shí)事件數(shù)為15次，破壞前1 s 4次、破壞后6次。可見(jiàn)破壞前短時(shí)間內(nèi)會(huì)有微震事件發(fā)生，而試驗(yàn)初期基本無(wú)微震信號(hào)，破裂前連續(xù)數(shù)秒有微震事件。

圖8 LH-2破壞前后微震事件統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of micro-seismic events before and after LH-2 failure

將微震信號(hào)事件與應(yīng)力變化曲線關(guān)聯(lián)情況如圖9所示，加載初期甚至整個(gè)軸壓增加過(guò)程中煤樣處于內(nèi)部裂隙被壓密階段，無(wú)新裂隙產(chǎn)生基本無(wú)微震事件。開(kāi)始卸圍壓時(shí)煤樣由于圍壓降低煤體內(nèi)部裂隙不斷孕育、擴(kuò)展，事件數(shù)增加直至煤樣破壞時(shí)圍壓突然增加，軸壓驟然下降，隨后載荷曲線緩慢下降；煤樣破壞前積聚大量能量，破壞瞬間釋放，因此煤樣破壞微震信號(hào)能量最大、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、事件頻次最大，煤樣破壞后微震事件頻次開(kāi)始逐漸衰減，殘余階段事件能量和頻次均低于煤樣破壞時(shí)。

圖9 LH-2軸壓、圍壓變化及事件分布Fig.9 Variation of axial pressure and confining pressure and event distribution of LH-2

4 結(jié)論

1)干擾主要為1～3頻帶。低頻段與煤樣破壞頻帶范圍不重疊，基本不會(huì)對(duì)煤樣破壞信號(hào)產(chǎn)生干擾，700 Hz附近存在干擾頻帶與煤樣破裂信號(hào)頻帶重疊，1 000 Hz以上基本不存在信號(hào)干擾。

2)內(nèi)部裂紋擴(kuò)展信號(hào)除干擾外，信號(hào)主頻為700 Hz。前期煤樣內(nèi)部裂紋擴(kuò)展緩慢，事件產(chǎn)生頻次低；煤樣破壞信號(hào)不穩(wěn)定、信號(hào)跳變多，跳變信號(hào)產(chǎn)生頻次高，各頻帶無(wú)持續(xù)性信號(hào)，信號(hào)頻率成分無(wú)明顯分帶，信號(hào)主頻為800 Hz。

3)煤樣破壞微震信號(hào)能量最大，信號(hào)成分復(fù)雜。煤樣破壞前積聚大量能量，破壞時(shí)瞬間釋放，破壞時(shí)信號(hào)幅值最大約2 800 mV，卸圍壓過(guò)程中最大幅值約為240 mV。破壞過(guò)程中煤體不同部位間，產(chǎn)生摩擦、揉搓，故煤樣破壞時(shí)信號(hào)頻率成分復(fù)雜。

4)煤樣破壞時(shí)頻次最高。LH-2事件總數(shù)為176，破壞時(shí)事件數(shù)為76，破壞后事件數(shù)為92，分別占總事件比例43%，52%；LH-3事件總數(shù)為184，破壞事件數(shù)和破壞后事件數(shù)分別占比36%，62%。