竇林名，韓澤鵬，鞏思園，白金正，陳 帥

(1.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

隨著我國煤礦采深逐年增加，沖擊地壓及煤與瓦斯等動力災害愈發(fā)頻繁[1]。微震監(jiān)測系統(tǒng)是一種區(qū)域、實時、連續(xù)的監(jiān)測裝備，可對各類震動信號進行實時采集分析，已廣泛應用在沖擊礦壓監(jiān)測預警領域。除此之外，微震監(jiān)測系統(tǒng)也成功應用于覆巖運移分析[2]、裂隙帶發(fā)育高度評估[3]及礦井防治水[4]方面，已成為礦井安全生產(chǎn)保障的重要基礎裝備。礦震傳感器是微震監(jiān)測系統(tǒng)的核心元件，用于震動信號的拾取，其頻率監(jiān)測范圍一般為0.1～200Hz[5，6]，礦震傳感器的優(yōu)劣直接決定了微震監(jiān)測系統(tǒng)震源定位及能量計算的精度。國內的144座沖擊地壓礦井均裝備了微震監(jiān)測系統(tǒng)，每套微震監(jiān)測系統(tǒng)需配備數(shù)十個礦震傳感器，井下長期使用后的礦震傳感器是否能保持準確計量對微震監(jiān)測系統(tǒng)的正常使用十分關鍵。

關于微震監(jiān)測系統(tǒng)，國內在20世紀50年代就開展了相關研究[7]，最早可追溯到1959年中科院地球物理研究所研制的581微震儀，其傳感器由地震領域的傳感器改裝而來，對礦山震動監(jiān)測有一定局限性。1995年華豐煤礦與中國地球物理學會合作設計了一套微震監(jiān)測系統(tǒng)，并連續(xù)監(jiān)測10余年。2002年后，隨著國內煤炭市場行情的好轉，在謝和平、姜耀東、何滿潮、竇林名[8]，姜福興[9，10]、齊慶新、唐春安、潘一山[11]、李鐵[12]等學者堅持不懈的科研和推廣下，我國在各礦山企業(yè)相繼建立了20余套微震監(jiān)測系統(tǒng)。2004年后，國內煤炭企業(yè)開始從波蘭引進SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)和ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，推動了我國沖擊地壓礦井監(jiān)測技術和裝備水平的提升[13]。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內煤炭領域已裝備SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)約100套，ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)約60套，其他型號微震監(jiān)測系統(tǒng)40余套。

早期國內專注于整套微震監(jiān)測系統(tǒng)設備的制造，針對底層礦震傳感器的研究較少，大多是直接引用地震領域現(xiàn)有的加速度計或速度傳感器，這直接影響了國產(chǎn)微震監(jiān)測系統(tǒng)的分辨力、靈敏度及可靠性[14]。根據(jù)煤礦領域各型微震監(jiān)測系統(tǒng)的保有量估計，目前煤礦使用最多的礦震傳感器是SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)的DLM型礦震傳感器，其次是ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)的G系列礦震傳感器，剩下較小部分為國產(chǎn)傳感器。DLM型礦震傳感器及G系列均為垂直型單分量速度傳感器，DLM2001型要求安裝在巷道底板，G系列按照安裝方式有GVu、GVd、GH三種，分別安裝在巷道頂板、底板及幫部?，F(xiàn)階段煤礦主要采用的是垂直型單分量速度傳感器，三分量傳感器應用較少，所稱的礦震傳感器特指垂直型單分量速度傳感器。

鑒于礦震傳感器的基礎地位及其在微震監(jiān)測系統(tǒng)中的重要性，國家標準《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法，第4部分：微震監(jiān)測方法》[15]提出了對礦震傳感器的檢驗要求，要求每兩年對礦震傳感器進行一次校準，以保證礦震傳感器的可靠性。闡述了礦震傳感器檢驗原理，提出了礦震傳感器檢驗指標，應用CS18VLF低頻振動系統(tǒng)開展了DLM型礦震傳感器的檢驗試驗，初步得到了判定DLM型礦震傳感器有效的臨界指標，可為沖擊地壓礦井及相關科研單位開展礦震傳感器檢驗提供借鑒。

1 礦震傳感器檢驗原理

1.1 礦震監(jiān)測原理

礦震傳感器由永久磁鋼產(chǎn)生恒定的直流磁場，軟彈簧一端與測量線圈連接，另一端與外殼連接，礦震傳感器的傳感裝置如圖1所示。礦震傳感器固定在巷道壁上，當振動傳至傳感器位置時，永久磁鋼和外殼隨被測物體同時上下振動，由于測量線圈有軟彈簧支撐，在慣性力的作用下保持相對靜止，這樣測量線圈切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢。在傳感器量程內，電動勢與巷道壁的振動速度成正比，電信號傳輸至采集儀，通過換能公式可以計算出振動參數(shù)。

圖1 礦震傳感器的傳感裝置

微震監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖2所示，首先通過速度傳感器感應測量對象的振動信號，經(jīng)過轉換放大、微分、積分等處理，得到振動的加速度、速度、位移和頻率等量值。微震監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器、放大器、帶通濾波、微積分電路和數(shù)據(jù)顯示分析或記錄裝置組成。

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)原理

1.2 礦震傳感器檢驗方法

礦震傳感器的檢驗可分為絕對法檢驗和比較法檢驗[16]。絕對檢驗測量的是運動量的基本單位，如時間、長度等，絕對法檢驗一般需要激光干涉儀，成本較高。比較法檢驗通過一支標準傳感器(參考傳感器)來測量振動系統(tǒng)的運動。標準傳感器一般要用激光干涉法進行絕對校準或者標準傳感器是可溯源的并具有相應的不確定度證明文件，通常情況下是加速度計。

比較法檢驗的系統(tǒng)連接如圖3所示。信號發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率和振動速度的電信號，經(jīng)過功率放大器放大后，輸入振動激勵系統(tǒng)使其產(chǎn)生振動；標準加速度計檢測振動激勵系統(tǒng)的振動狀態(tài)，然后反饋給信號發(fā)生器，利用負反饋機制調節(jié)振動信號；標準加速度計將電信號經(jīng)電荷放大器放大后傳輸?shù)綌?shù)字萬用表，經(jīng)過信號轉換及數(shù)據(jù)處理可顯示標準加速度計的振動速度及振動頻率；被檢礦震傳感器安裝在振動激勵系統(tǒng)上，采集振動激勵系統(tǒng)的振動參數(shù)，測振儀與被檢礦震傳感器連接后顯示其測得的振動頻率、速度等參數(shù)；最后對比信號發(fā)生器與被檢礦震傳感器的振動頻率及振動速度，檢驗被檢礦震傳感器是否正常。

1—信號發(fā)生器；2—功率放大器；3—振動激勵系統(tǒng)；4—標準加速度計；5—電荷放大器；6—被檢礦震傳感器；7、8—數(shù)字萬用表；9—測振儀圖3 比較法檢驗系統(tǒng)

2 礦震傳感器檢驗設備及方法

傳感器屬于精密儀器，對測試環(huán)境要求較高，按照行業(yè)標準《混凝土振動臺技術要求》[17]制作混凝土振動臺基座，同時保障測試環(huán)境及附近無振動和沖擊源，無強電場、強磁場、強聲場的干擾，為傳感器檢驗盡可能提供無干擾的試驗環(huán)境[18]。

2.1 振動激勵系統(tǒng)

試驗采用德國SPEKTRA公司的CS18VLF低頻振動系統(tǒng)用于礦震傳感器校準。CS18VLF低頻振動系統(tǒng)的組成見表1，系統(tǒng)裝備如圖4所示。

表1 振動激勵系統(tǒng)組成

圖4 CS18VLF低頻振動系統(tǒng)

檢驗試驗主要流程包括：①在CS18軟件中設置頻率和振動值，控制信號發(fā)生器及功率放大器使振動臺SE-04產(chǎn)生特定頻率和速度的振動；②采集并記錄被檢驗礦震傳感器產(chǎn)生的輸出值；③根據(jù)指標計算公式處理采集的數(shù)據(jù)。礦震傳感器檢驗流程如圖5所示。

圖5 礦震傳感器檢驗流程

APS113-AB是德國SPEKTRA公司生產(chǎn)的力浮長行程振動發(fā)生器，滿足國家標準《振動和沖擊傳感器的校準方法》[19]要求，可用于檢驗和評估加速度計和其他運動傳感器。APS113-AB具有質量較輕的鋁外殼，磨砂鋼制臺面，具體性能參數(shù)見表2。

表2 APS113-AB性能指標

2.2 檢驗指標

2.2.1 頻率誤差

在礦震傳感器的頻率測量范圍內，選取包含上限值和下限值頻率在內的不少于7個頻率點進行檢驗。由振動激勵系統(tǒng)給出標準頻率fr，記錄不同測試頻率下被檢礦震傳感器的頻率示值fi，按式(1)計算頻率誤差：

式中，δf為頻率誤差，%；fi為被檢礦震傳感器頻率測量示值，Hz；fr為振動激勵系統(tǒng)的標準頻率，Hz。

2.2.2 幅值誤差

在礦震傳感器的工作頻率范圍內選一個頻率點，在此頻率下，由振動激勵系統(tǒng)給出6個均勻分布的標準幅值xr，記錄被檢礦震傳感器在不同幅值下的測量示值xi。按式(2)計算幅值誤差：

式中，δa為幅值誤差，%；xi為被檢礦震傳感器幅值測量示值，mm/s；xr為振動激勵系統(tǒng)的標準幅值，mm/s。

2.2.3 幅值線性度

幅值線性度的數(shù)據(jù)采集方式與幅值誤差相同。記錄每組振動測試時被檢礦震傳感器幅值測量示值xii與振動激勵系統(tǒng)標準幅值xri，計算二者的相關系數(shù)，即為幅值線性度Rv。按式(3)計算Rv：

式中，Ra為幅值線性度；xii為被檢礦震傳感器幅值測量示值，m/s；xri為振動激勵系統(tǒng)的標準幅值，m/s；n為檢驗試驗組數(shù)，取6。

3 礦震傳感器檢驗試驗

從大強煤礦和東峽煤礦收集5個井下長期使用的DLM型礦震傳感器與5個全新未使用的DLM型礦震傳感器開展檢驗試驗。礦震傳感器列表見表3。

3.1 試驗方案

頻率誤差檢驗方案：①設置振動激勵系統(tǒng)生成頻率分別為2、5、10、50、100、150Hz，振動速度為0.6mm/s的正弦振動；②振動穩(wěn)定后，記錄被檢礦震傳感器采集到的振動圖；③處理振動圖得到被檢礦震傳感器的頻率；④運用式(1)計算被檢礦震傳感器的頻率誤差。頻率檢驗振動激勵系統(tǒng)的幅頻曲線如圖6所示。

表3 礦震傳感器列表

圖6 頻率檢驗幅頻曲線

幅值誤差及幅值線性度檢驗方案：①設置振動激勵系統(tǒng)生成頻率為50Hz，振動幅值分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mm/s的正弦振動；②振動穩(wěn)定后，記錄被檢礦震傳感器采集到的振動圖；③處理數(shù)據(jù)得到被檢礦震傳感器的幅值；④運用式(2)計算被檢礦震傳感器的幅值誤差；⑤運用式(3)計算被檢礦震傳感器的幅值線性度。幅值檢驗振動激勵系統(tǒng)的幅頻曲線如圖7所示。

圖7 幅值檢驗幅頻曲線

3.1 試驗結果分析

X1傳感器頻率檢驗結果如圖8所示，由圖8可知，X1傳感器在輸入頻率為2、5、10、20Hz的振動時，其頻率誤差在2.3～2.5%范圍內波動，輸入頻率為2Hz時頻率誤差為2.5%；輸入頻率為50、100、150Hz時，頻率誤差在0.2%～0.4%范圍內波動，誤差較小。

J1傳感器頻率檢驗結果如圖9所示，由圖9可知，J1傳感器在輸入頻率為2Hz的振動時，其頻率誤差最大，為4.5%；在100、150Hz時頻率誤差較小，分別為0.47%、0.55%。X1傳感器與J1傳感器頻率誤差對比可知，在100、150Hz的測試中，X1與J1傳感器的誤差相對較??；整體而言，在不同頻率的試驗中，J1傳感器的頻率誤差均要高于X1傳感器。

圖8 X1頻率檢驗結果

圖9 J1頻率檢驗結果

X1傳感器幅值檢驗結果如圖10所示，由圖10可知，在輸入振動速度為0.1mm/s的振動時，幅值誤差最大，為6.01%；在輸入振動速度為0.6mm/s的振動時，幅值誤差最小，為1.17%；在輸入不同的振動速度時，X1傳感器幅值誤差在1%～7%范圍內波動，波動幅度較大。

圖10 X1幅值檢驗結果

J1傳感器幅值檢驗結果如圖11所示，由圖11可知，在輸入振動速度為0.1mm/s的振動時，幅值誤差最大，為11.1%；在輸入振動速度為0.6mm/s的振動時，幅值誤差最小，為2.5%；在輸入不同的振動速度時，J1傳感器幅值誤差在2%～13%的范圍內波動。X1傳感器與J1傳感器的幅值誤差對比可知，在不同幅值的試驗中，J1傳感器的幅值誤差均有一定程度增加。

圖11 J1幅值檢驗結果

根據(jù)式(3)計算X1與J1傳感器的幅值線性度Ra，求得：

Ra(X2)=0.998

統(tǒng)計X1～X5、J1～J5礦震傳感器的最大頻率誤差、最大幅值誤差及幅值線性度，見表4。由表4可知，與舊傳感器相比，新傳感器頻率誤差十分穩(wěn)定，在2Hz時為2.5%，不同新傳感器的最大幅值誤差不同，且對應的幅值不同，可能與測試環(huán)境及傳感器自身出廠性能等因素有關；舊傳感器的最大頻率誤差高于新傳感器，在2Hz時頻率誤差最大；舊傳感器的幅值誤差普遍高于新傳感器，其中J2傳感器的幅值誤差達-23.2%，可能是長時間使用后電路或彈簧振子嚴重老化導致。

表4 被檢傳感器最大頻率誤差及幅值誤差、幅值線性度

由表4數(shù)據(jù)可得，無論新舊礦震傳感器，均在頻率為2Hz時誤差最大，新礦震傳感器的δf(max)平均值為2.5%，舊的δf(max)為3.1%；新礦震傳感器的δa(max)平均值為5.35%，舊的δa(max)的平均值為14.3%；新礦震傳感器Ra的平均值為0.991，舊礦震傳感器Ra的平均值為0.961。從新舊礦震傳感器檢驗試驗可知，礦震傳感器在長時間使用后會導致頻率和幅值的測量結果偏離正常的誤差范圍，長期使用后的礦震傳感器其幅值線性度也會下降。

根據(jù)此次試驗結果并結合礦震傳感器的使用精度要求，初步確定將頻率誤差低于3.5%，幅值誤差低于10%，幅值線性度高于0.97作為判斷礦震傳感器是否正常的臨界值，三指標同時滿足要求時判定礦震傳感器正常有效，否則礦震傳感器需及時維修或更換。需要注意的是，本次試驗僅使用了DLM型礦震傳感器。

4 結 論

1)介紹了目前我國煤礦領域各型微震監(jiān)測系統(tǒng)的保有量，闡述了礦震監(jiān)測及比較法檢驗礦震傳感器的原理，提出了頻率誤差、幅值誤差及幅值線性度檢驗指標。

2)使用CS18VLF低頻振動系統(tǒng)，采用比較法開展了新舊DLM型礦震傳感器檢驗試驗，對比了新舊傳感器的頻率誤差、幅值誤差及幅值線性度，驗證了檢驗方法可行性。

3)初步確定了判定DLM型礦震傳感器有效的臨界值：頻率誤差低于3.5%，幅值誤差低于10%，幅值線性度高于0.97。