胡 杰

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

隨著我國(guó)煤礦行業(yè)開(kāi)始進(jìn)入智能化開(kāi)采階段，井下開(kāi)采規(guī)模及效率逐步提升[1，2]。為保證井下少人化、自動(dòng)化及智能化環(huán)境中的安全高效生產(chǎn)[3]，瓦斯監(jiān)控預(yù)警[4，5]、應(yīng)力監(jiān)測(cè)與反演[6]、地質(zhì)探測(cè)與成像[7，8]等多種監(jiān)控技術(shù)也隨之應(yīng)用于智能化礦井建設(shè)中。在深部開(kāi)采環(huán)境中，瓦斯、應(yīng)力以及復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下的多因素疊加耦合的煤巖動(dòng)力災(zāi)害逐漸顯現(xiàn)[9，10]，因此深部礦井智能化開(kāi)采時(shí)代，煤巖動(dòng)力災(zāi)害的有效防控技術(shù)及裝備必將是確保安全高效生產(chǎn)的重要支撐與保障。現(xiàn)階段已有地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、瓦斯預(yù)警等在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦井進(jìn)行了應(yīng)用，并取得了一定的成效[11-13]。但在應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面，受安裝條件、受力環(huán)境復(fù)雜等多重因素影響，應(yīng)力監(jiān)測(cè)值一直存在著較大誤差，難以大規(guī)模推廣[14，15]。而聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)雖不能直接測(cè)定應(yīng)力值大小，但卻可以間接反應(yīng)出應(yīng)力變化及增減趨勢(shì)[16]，且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性超前動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警[17，18]，通過(guò)超前布設(shè)監(jiān)測(cè)傳感器后無(wú)需進(jìn)行井下持續(xù)跟蹤，結(jié)合上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)即可完成生產(chǎn)全過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)警，符合煤礦智能化開(kāi)采需要[19，20]。而聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的準(zhǔn)確性與可靠性取決于監(jiān)測(cè)信號(hào)中對(duì)于有效信號(hào)的提取，但煤礦井下機(jī)械設(shè)備繁多，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的干擾信號(hào)，如掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)、采煤機(jī)割煤、鉆孔施工等，監(jiān)測(cè)信號(hào)濾噪仍是技術(shù)難點(diǎn)，這也阻礙了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的大范圍應(yīng)用推廣。另外煤巷掘進(jìn)工作面發(fā)生煤巖動(dòng)力災(zāi)害事故頻次較高[21]，尤其是在地質(zhì)條件更為復(fù)雜的西南礦區(qū)，因此本研究以煤巷掘進(jìn)工作面為背景、以貴州小屯煤礦13運(yùn)輸巷道掘進(jìn)工作面為試驗(yàn)工作面，通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)與實(shí)驗(yàn)室加載信號(hào)，對(duì)比分析監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)頻譜特征差異，以此開(kāi)展聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)噪聲處理方法研究。

1 煤巷掘進(jìn)工作面監(jiān)測(cè)信號(hào)特征分析

為研究煤巷掘進(jìn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)噪聲處理方法，首先對(duì)小屯煤礦13運(yùn)輸巷道煤巷掘進(jìn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集與特征分析。小屯煤礦13回采工作面主采煤層為6中煤，為突出煤層。在13運(yùn)輸巷道下方垂距約25～30 m處布置了13運(yùn)輸巷道底板巷，并已實(shí)現(xiàn)貫通，13回采工作面巷道布置如圖1所示。13運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1580 m，采用綜掘方式沿6中煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)后采用錨網(wǎng)噴與錨索進(jìn)行支護(hù)。

圖1 小屯煤礦13回采工作面巷道布置

采用自主研制的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合GS12電壓式監(jiān)測(cè)傳感器采集煤巷掘進(jìn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)裝置主要技術(shù)參數(shù)

煤巷掘進(jìn)工作面存在巷道掘進(jìn)與支護(hù)、預(yù)測(cè)鉆孔及瓦斯抽采鉆孔施工等作業(yè)工序，為不影響礦井日常生產(chǎn)同時(shí)減少一定的干擾信號(hào)，在13運(yùn)輸巷道底板巷施工穿層鉆孔，利用穿層鉆孔超前安裝監(jiān)測(cè)傳感器并采集信號(hào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體布設(shè)

煤巖體中真實(shí)聲發(fā)射信號(hào)是由作業(yè)擾動(dòng)導(dǎo)致煤巖體破裂產(chǎn)生，這些作業(yè)擾動(dòng)包括綜掘機(jī)掘進(jìn)、打錨桿、打鉆孔等。但由于作業(yè)本身也必然會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，因此井下采集到的監(jiān)測(cè)信號(hào)為聲發(fā)射信號(hào)與干擾信號(hào)所形成的疊加混合信號(hào)。通過(guò)對(duì)比井下不同作業(yè)工序所對(duì)應(yīng)作業(yè)時(shí)間，分別采集了綜掘機(jī)掘進(jìn)、打錨桿和鉆孔施工時(shí)的混合監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)軟件進(jìn)行回放與分析，得到了不同作業(yè)工序下監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)譜和頻譜，如圖3—圖5所示。

圖3 綜掘機(jī)掘進(jìn)作業(yè)信號(hào)時(shí)頻

圖4 打錨桿作業(yè)信號(hào)時(shí)頻

圖5 鉆孔施工作業(yè)信號(hào)時(shí)頻

由圖3—圖5可知，綜掘機(jī)作業(yè)信號(hào)時(shí)譜特征呈現(xiàn)比較強(qiáng)烈的間斷連續(xù)型；打錨桿作業(yè)信號(hào)時(shí)譜呈現(xiàn)明顯的規(guī)律波動(dòng)型，這與錨桿機(jī)作業(yè)有一致性；鉆機(jī)打鉆作業(yè)信號(hào)時(shí)譜呈現(xiàn)不間斷連續(xù)型，通過(guò)時(shí)頻譜分析，這三種作業(yè)信號(hào)的頻率范圍在0～8000 Hz之間均有分布，主頻基本都是處于500 Hz、3000～5000 Hz、7500～8000 Hz三個(gè)頻帶范圍，并且呈現(xiàn)出“W”形狀分布。

2 應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)試件破裂聲發(fā)射信號(hào)特征

2.1 煤、巖試件應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)

有效聲發(fā)射信號(hào)是煤巖體受擾動(dòng)造成煤巖體破裂而產(chǎn)生，因此在處于安靜狀態(tài)下的井下環(huán)境中不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，而井下作業(yè)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)信號(hào)是混合信號(hào)，即在井下無(wú)法直接獲取到煤巖破裂產(chǎn)生的真實(shí)聲發(fā)射信號(hào)。為此，通過(guò)采集試驗(yàn)地點(diǎn)煤、巖樣并在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)，獲取煤巖樣本破裂過(guò)程的真實(shí)聲發(fā)射信號(hào)并分析其時(shí)頻譜特征，然后對(duì)比分析井下監(jiān)測(cè)的混合信號(hào)，尋求煤巖破裂真實(shí)聲發(fā)射信號(hào)與井下混合監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)頻譜特征差異，以此為依據(jù)建立噪聲處理方法。

采用內(nèi)徑73 mm、外徑89 mm、長(zhǎng)度1 m的巖心管從小屯煤礦13運(yùn)輸巷道底板巷通過(guò)穿層鉆孔對(duì)6中煤層及煤層頂板進(jìn)行采樣，其中6中煤層上部硬分層f值為0.47～0.8，直接頂巖性為質(zhì)泥粉砂巖，鉆取煤體與巖石樣本按標(biāo)準(zhǔn)尺寸50 mm×100 mm制作煤巖樣試件。

在實(shí)驗(yàn)室采用WAW-600C型壓力機(jī)開(kāi)展煤巖樣應(yīng)力加載試驗(yàn)，試件破壞采用單軸壓縮加載的應(yīng)力路徑，按0.5 MPa/s的速率進(jìn)行連續(xù)加載至試樣完全破壞；結(jié)合SAEU3H型聲發(fā)射系統(tǒng)采集加載過(guò)程中煤巖樣聲發(fā)射信號(hào)。

2.2 加載實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射信號(hào)特征

通過(guò)煤、巖樣試件應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)，得到了煤體及巖石試件加載破裂過(guò)程應(yīng)力曲線以及聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)情況，如圖6、圖7所示。加載過(guò)程均有能量和事件產(chǎn)生，隨著加載應(yīng)力增加，在達(dá)到應(yīng)力峰值時(shí)有大量能量和振鈴產(chǎn)生，斷裂后無(wú)聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，破裂過(guò)程屬連續(xù)型特征。

圖6 煤樣試件應(yīng)力加載曲線及聲發(fā)射指標(biāo)變化

圖7 巖石試件應(yīng)力加載曲線及聲發(fā)射指標(biāo)變化

由于加載過(guò)程并無(wú)外界震動(dòng)和環(huán)境干擾，采集的信號(hào)為巖石試件內(nèi)部真實(shí)聲發(fā)射信號(hào)，因此確立了煤巖試件在破裂過(guò)程中原始的時(shí)譜特征，并通過(guò)FFT變換得到了煤、巖試件加載過(guò)程的頻譜圖。

煤體破壞過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍基本處于0～1000 Hz之間，主頻帶寬度0～500 Hz，主頻為200 Hz左右，屬于低頻信號(hào)；巖石破裂過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍基本處于0～1150 Hz之間，主頻帶寬度0～500 Hz，主頻為250 Hz左右，也屬于低頻信號(hào)，這與泥質(zhì)粉砂巖屬于軟-中軟巖性的特征是相符的，由此確立了采樣地點(diǎn)煤巖體破裂過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)特征，即小屯煤礦13運(yùn)輸巷道掘進(jìn)工作面煤巖層破裂聲發(fā)射信號(hào)主頻帶范圍不會(huì)大于500 Hz、主頻不會(huì)超過(guò)250 Hz。

3 噪聲處理方法建立及處理效果

3.1 噪聲信號(hào)處理方法

井下監(jiān)測(cè)信號(hào)不免要被外界噪聲以及采集系統(tǒng)本身電流所干擾，為了更為有效獲取煤巖體中的聲發(fā)射信號(hào)，首先對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)軟件參數(shù)配置去掉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身對(duì)信號(hào)造成的干擾；其次結(jié)合井下監(jiān)測(cè)信號(hào)特征與實(shí)驗(yàn)室聲發(fā)射信號(hào)特征的差異進(jìn)行有效信號(hào)提取。

由圖3至圖5井下采集全波形時(shí)譜圖，采集到電信號(hào)時(shí)譜圖并沒(méi)有在零軸上下對(duì)稱(chēng)波動(dòng)，這是由于傳感器無(wú)信號(hào)采集時(shí)電壓無(wú)法歸零造成時(shí)譜圖中心軸在零軸以上，因此首先設(shè)定監(jiān)測(cè)信號(hào)的零飄值將識(shí)譜圖中心線拉回到零軸；另還需設(shè)定信號(hào)門(mén)檻值以處理掉電壓式加速度傳感頭本身存在底噪。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)井下監(jiān)測(cè)信號(hào)及實(shí)驗(yàn)室加載信號(hào)的時(shí)頻譜特征及主頻差異，經(jīng)對(duì)比選用頻率差異化濾波效果更優(yōu)的帶通濾波以及IIR濾波相結(jié)合的方法對(duì)煤巷掘進(jìn)工作面監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾噪處理，處理掉頻譜高于500 Hz的監(jiān)測(cè)信號(hào)。

3.2 濾噪效果及分析

由于電壓式加速度傳感頭本身的底噪聲門(mén)檻小于0.015 V，設(shè)置信號(hào)門(mén)檻設(shè)置為0.015 V，結(jié)合軟件程序進(jìn)行綜合濾波；結(jié)合有效聲發(fā)射信號(hào)處于0～500 Hz頻率段，采用帶通濾波將低通設(shè)為500 Hz，以此直接濾除高于500 Hz的噪聲信號(hào)；最后按時(shí)域波形抽樣時(shí)間60 s通過(guò)IIR進(jìn)行濾波，把小于500 Hz的信號(hào)再次濾波，提取出這個(gè)頻率范圍內(nèi)有效聲發(fā)射信號(hào)。對(duì)比濾波前后時(shí)頻譜如圖8所示，子圖中左側(cè)上、下部分分別為濾噪前的時(shí)譜及頻譜圖，右側(cè)上下部分分別為濾噪后的時(shí)譜及頻譜圖，右側(cè)時(shí)譜圖綠色波形為濾噪后的波形圖。

圖8 濾噪效果對(duì)比

由圖8可知，從信號(hào)濾波前后時(shí)頻譜可得：濾除噪聲信號(hào)的波形與原波形具有一致性，未出現(xiàn)時(shí)譜圖失真的情況；且由頻譜圖該方法濾除了500 Hz以上噪聲信號(hào)，保留了500 Hz以?xún)?nèi)信號(hào)，且主頻在200～250 Hz之間，這與實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)所得到的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)特征一致，說(shuō)明達(dá)到了噪聲有效濾除的效果；另外濾噪后時(shí)譜幅值明顯降低，即噪聲信號(hào)影響有明顯的降低，這大大提升了基于監(jiān)測(cè)信號(hào)計(jì)算聲發(fā)射特征參數(shù)值的準(zhǔn)確性，為煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供了可靠基礎(chǔ)信息。綜上所述，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)所確立的煤巖體破裂過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻譜特征，并采用相關(guān)參數(shù)配置、帶通濾波以及IIR濾波相結(jié)合的方式，對(duì)煤巷掘進(jìn)作業(yè)期間監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行聲發(fā)射有效信號(hào)提取是可行的，濾噪效果良好且符合實(shí)際。在下一步工作中，結(jié)合本研究中確立的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)噪聲處理方法進(jìn)行系統(tǒng)化軟件集成，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與濾噪，從而可提高煤巷掘進(jìn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)的時(shí)效性與準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1)分別采集煤巷掘進(jìn)工作面綜掘機(jī)掘進(jìn)、打錨桿、鉆機(jī)打鉆的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)，提取出時(shí)頻譜特征，得到三種作業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率范圍在0～8000 Hz之間均有分布，主頻基本處于500 Hz、3000～5000 Hz、7500～8000 Hz三個(gè)頻帶范圍，并且呈現(xiàn)出 “W”形態(tài)分布。

2)開(kāi)展了試驗(yàn)地點(diǎn)煤、巖樣試件的應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)，隨著加載應(yīng)力逐步增加試件內(nèi)部聲發(fā)射信號(hào)逐漸增強(qiáng)，并在應(yīng)力峰值時(shí)達(dá)到頂峰，煤巖樣試件破壞過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)主頻帶寬度0～500 Hz，主頻不超過(guò)250 Hz，且煤樣試件主頻稍低，均屬低頻信號(hào)。

3)基于應(yīng)力加載實(shí)驗(yàn)確立的煤巖試件破裂聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻譜特征，通過(guò)合理配置零飄值與信號(hào)門(mén)檻值，并結(jié)合帶通濾波及IIR濾波，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)信號(hào)有效濾噪，確立了煤巷掘進(jìn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)噪聲處理方法的可行性，為提升聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性提供了技術(shù)支撐。