SV 冲击和振动 1875 - 9203 1070 - 9622 Hindawi 10.1155 / 2021/6650446 6650446 研究文章 腾东煤矿掘进工作面微震信号及其在冲击地压监测中的应用 https://orcid.org/0000-0003-2318-5354 JianJu 1 https://orcid.org/0000-0003-4328-5301 Wenlong 1 1 2 3. Guangchao 1 能源与采矿工程学院 中国矿业大学(北京) 北京10083年 中国 cumtb.edu.cn 2 学校的能源 西安科技大学 西安710054年 中国 xust.edu.cn 3. 四川华蓥山煤业有限责任公司龙门峡南煤矿 Guangan 638020 中国 2021 29 1 2021 2021 29 11 2020 11 1 2021 19 1 2021 29 1 2021 2021 版权所有©2021 JianJu Ren等。 这是一篇在知识共享署名许可下发布的开放存取的文章,它允许在任何媒体上无限制地使用、传播和复制,只要原始作品被适当地引用。

微震监测是煤矿预测冲击地压的一种重要的、常用的物探方法,对煤矿安全生产有着重要的影响。全矿或工作面的MS监测技术和分析方法已经成熟,但由于扰动小、布置空间狭窄,在煤矿掘进工作面中的应用还不成熟。要对掘进工作面进行MS监测和预警,首先必须充分进行信号识别,获得监测对象和指标。通过对滕东煤矿117轨道出入口MS系统的现场测试,准确采集了设备运行的干扰信号和煤炭振动的有效信号。经分析,干扰信号与煤体振动信号的波形特征、频谱及传播距离不同。一些能量较小的有效信号(单通道触发)由于被干扰信号掩盖,不能作为预警信号。通过试运行,发现大能量(三通道和四通道触发)煤振动事件成功地预测了一次冲击地压。滕东煤矿117轨道出入口MS系统应能够通过该算法实时去除干扰信号,并以大能量煤振动信号的数量而不是全部煤振动事件作为冲击地压风险监测的预测指标。

1.介绍

MS监测作为一种重要的、常用的地球物理方法,已经在许多领域得到了应用,如地震[ 1- - - - - - 5、水电站[ 6- - - - - - 8、金属矿山[ 9- - - - - - 12)、隧道( 13 14、石油工程项目[ 15 16,水力或气动破裂[ 17- - - - - - 19,以及煤矿[ 20.- - - - - - 23].MS取得了良好的效果。在这些领域中,煤矿使用MS系统的监测范围更为广泛。煤矿常用的MS监测系统主要有区域监测[ 24- - - - - - 26]和本地监控。区域监测测点间距较大(通常大于500 m),监测的是整个矿山,而局部监测测点间距较小(通常小于200 m),监测的是特定矿区(如工作面)[ 27- - - - - - 29和掘进面)。在冲击地压监测领域,工作面的监测技术和分析方法已经成熟,但由于巷道扰动小、布置空间狭窄,对掘进工作面的MS监测研究还不成熟。

随着开采深度的增加,岩爆的预警和防治越来越困难。岩爆事故频繁发生,且多发生在掘进工作面[ 30.- - - - - - 32].本文统计了义马煤田五矿近五年来发生的岩爆事故数量。结果显示,统计的108起事故中有44起发生在掘进工作面,占40.74%(图) 1).掘进工作面岩爆监测与防治迫在眉睫,但在实际应用中,主要体现在以下几个方面:(1)掘进工作面扰动较小,传统的应力监测、锚索测力等技术数值变化不大,监测预警效果较差[ 33].(2) MS监测是煤矿冲击地压预警的主要技术,但在掘进工作面冲击地压预警中尚未应用。主要问题是掘进工作面施工环境复杂。有掘进机、装载机、皮带输送机、锚杆机等机械。这些机械的振动较大,可能掩盖了煤的有效振动信号。(3)综合开挖技术下,掘进工作面掘进速度较快(超过12 m / d),测点间距不宜过小;否则,在使用实时在线MS监控时,将增加群移工程的工作量。

驿马煤田五矿岩爆事故发生地点。

摘要干扰信号的波形和有效简历信号是通过现场记录和系统数据女士117跟踪网关Tengdong煤矿(117 TGTC),信号的波形特征进行了分析和杰出的波形和频谱分析。本研究为117 TGTC在线MS系统监测对象和指标的选择、触发采集阈值的设置以及测点布局提供了依据。

2.现场测试与实验

滕东煤矿位于中国山东省滕州市。3号煤层是目标煤层之一,平均厚度为7.37 m。3号煤层平均深度为830 m,冲击地压倾向较弱。

117 TGTC通过主巷道和井筒与地面连接,如图所示 2(一个).117 TGTC的宽度为4.4 m,高度为3.4 m。117 TGTC由钢筋螺栓和电缆螺栓支撑,如图所示 2 (b).直接顶板为砂岩,平均厚度为17.94 m。117 TGTC沿3号煤层底板掘进,采用全机械化掘进方式,分为掘进和支护两个顺序工序。挖掘过程由一台全机械化掘进机、装载机和皮带输送机完成。支撑过程是由锚杆钻机钻孔和压缩的。

117 TGTC基本情况:(a)位置示意图;(b)部分。

现场测试所用的MS系统包括4个传感器、1个采集仪和1个服务器,并配有相应的软件。该系统收集振动信号并将其转换为电信号。然后通过传输电缆将信号传输到地面服务器,如图所示 3..采集频率为2000hz,传感器接收频率为0 ~ 800hz。为避免在初始触发采集设置中丢失波形数据,现场测试采用连续采集方式,每个波形存储时间为5s。由于网关单向掘进,难以在空间上布置测量点,因此将4个传感器排成一条直线,安装在117 TGTC车顶钢筋螺栓的尾部。四个传感器(从前到后依次为#1、#2、#3、#4)的间距为55 m。1号传感器与掘进面的距离为15米。在MS系统布置完成后,首先对MS系统的底噪声波形进行测试,然后详细记录各设备的精确运行时间和CV (CV信号是由同时发出的声音记录的)出现时间。设备的运行记录主要包括锚杆钻机的钻孔作业、锚杆钻机的压痕作业、带式输送机的运行时间、掘进机的运行时间。

MS系统用于117 TGTC。

3.结果与讨论

根据设备的运行时间和CV的出现时间,求出相应的接收波形时间。得到四种干扰信号和一种有效CV信号,下面详细分析。此外,MS系统的底部噪声的最大振幅(MA)为40 mV。

3.1.锚杆钻机钻孔作业的波形和频谱

锚杆钻机钻进作业只影响1号传感器,表明干扰信号传播距离大于15米(到1号传感器),小于70米(到2号传感器)。信号波形如图所示 4.锚杆支护的波形特征明显。每隔一秒或两秒就会出现一个MA约为100 mV的凸起波形,起始点非常明显,在图中大约出现在4 s 4(一)

锚杆钻机钻孔作业波形特征:(a) 0 - 5s;(b) 5 - 10年代;(c) 10 - 15 s。

数字 5图的信号频谱是 4 (b),图 5(a)为信号频谱,图 5(b)为信号的时间谱。信号频谱可清楚显示信号的主频率[ 34].然而,时间谱可以提供信号的主频随时间的变化。如果信号的主频始终存在于时间窗内,则表示干扰持续存在或贯穿整个干扰过程。反之,如果干扰只存在于机器运行时间的一段时间内,则表示为机器的部分干扰。该方法已在[ 19 35].从图 5(a)可以看出锚杆钻机在钻孔过程中有三个主频,分别为76 Hz、347 Hz和467 Hz。三个主频的振幅均约为4mv。数字 5(b)表明钻井过程中始终存在76 Hz频率,而凸起波形剖面仅存在347 Hz和467 Hz频率。结果表明,76 Hz的干扰频率应为带运行产生的连续干扰,而347 Hz和467 Hz只存在于“凸起波形”周期。

锚杆钻孔工艺谱:(a)图谱 4 (b);(b)图的时间谱 4 (b)

3.2.压缩螺栓工作波形和频谱

锚杆的压缩螺栓运行只影响1号传感器,传播距离大于15 m(到1号传感器),小于70 m(到2号传感器)。如图所示 6,图中压缩起始点明显为1.4 s 6(一), MA从底部噪声的40 mV逐渐增大到240 mV。在压实过程中,MA保持在240 mV,压缩过程结束后,幅值逐渐减小到底部噪声幅值。

锚杆压缩锚杆工作波形特征:(a) 0 ~ 5s;(b) 5 - 10年代;(c) 10 - 15 s。

数字 7图的信号频谱是 6 (b),图 7(a)为信号频谱及图 6 (b)为信号的时间谱。从图 7(a)可以看出锚杆压杆过程中主频在192hz ~ 255hz之间。主频的振幅约为20 mV。数字 7(b)表明主频率在钻孔过程中始终存在。

锚杆钻孔工艺谱:(a)图谱 6 (b);(b)图的时间谱 6 (b)

3.3.带式输送机工作波形和频谱

带式输送机启动及1号传感器工作运行波形如图所示 8.在这段时间内只有带式输送机在工作(带式输送机要先打开,其他设备包括掘进机要再打开)。图中压缩起始点明显为1.2 s 8(a), MA从底部噪声40 mV逐渐增大到110 mV。数字 8(b)为信号频谱,图 8(c)为信号的时间谱。从图 8(b),可以看出带式输送机工作过程中的主频在193 Hz ~ 247 Hz之间。193hz和247hz的振幅分别约为13 mV和7 mV。数字 8(c)表示工作过程中始终存在193hz和247hz频率。在带式输送机工作运行过程中,2号传感器的振幅没有增加。原因可能是1号传感器受到带式输送机头部较大振动的影响,而带本身不会造成传感器振幅超过底部噪声值40 mV。

输送机工作过程波形及频谱:(a)波形;(b)图的谱 8(一);(c)图的时间谱 8(一)。

3.4.掘进机工作波形和频谱

1号传感器掘进机工作波形如图所示 9(a).掘进机工作过程(带式输送机同时工作)MA为380mv。数字 9(b)为信号频谱,图 9(c)为信号的时间谱。从图 9(b)可以看出掘进机工作过程中主频在193 Hz ~ 247 Hz之间。主频值与带式输送机单独工作时相同,但对应的振幅从约13 mV、7 mV增加到约22 mV、26 mV。数字 9(c)表示工作过程中始终存在193hz和247hz频率。随着掘进机的工作,2号传感器的幅值增加到80 mV,表明干扰信号的传播距离大于70 m(到2号传感器的距离),小于125 m(到3号传感器的距离)。

掘进机工作过程波形及频谱:(a)波形;(b)图的谱 9(一);(c)图的时间谱 9(一)。

3.5.CV信号的波形特性及传播分析

在本次现场测试中,设备不运行时记录9个CV信号。该CV信号的MA在238 mV到7914 mV之间变化。根据117 TGTC施工人员现场提问,CV信号主要发生在无支撑的出入口两侧和117 TGTC前方。CV信号的传播距离直接影响MS测点的布置。CV信号的MA和传播距离如表所示 1.当1号传感器接收到的MA分别为7914 mV、6269 mV和2022 mV时,会产生四通道触发CV事件,这表明传播距离超过180 m(到4号传感器的距离)。当1号传感器接收到的MA分别为1799 mV和1232 mV时,会产生一个三通道触发CV事件,这表明传播距离大于125 m(到3号传感器的距离),但小于180 m。当1号传感器接收到的MA分别为1029 mV和687 mV时,会产生一个双通道触发CV事件,这表明传播距离大于70 m(到2号传感器的距离),但小于125 m。当1号传感器接收到的MA分别为346 mV和238 mV时,会发生单通道触发CV事件,这表明传播距离大于15 m(到1号传感器的距离),但小于70 m。

MA和CV信号的传播距离。

不。 1号传感器的MA (mV) 2号传感器的MA (mV) 3号传感器的MA (mV) 4号传感器的MA (mV) 接收CV的传感器数量 传播距离(米)
1 7914 2329 961 240 4 > 180
2 6269 2405 1532 503 4 > 180
3. 2022 496 446 125 4 > 180
4 1799 1399 306 - - - - - - 3. > 125 < 180
5 1232 323 141 - - - - - - 3. > 125 < 180
6 1029 239 - - - - - - - - - - - - 2 > 70 < 125
7 687 172 - - - - - - - - - - - - 2 > 70 < 125
8 346 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 >和< 70
9 238 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 >和< 70

选择一个MA为6269 mV(#1传感器)的CV信号进行详细分析(见图) 10).1号、2号、3号和4号传感器的MAs分别为6269 mV、2405 mV、1532 mV和503 mV。# 1传感器的波形是特别容易捡起飞点,到达时间的# 1传感器(T1)是0.201 s,和# 2的到达时间(T2)和# 3 (T3)传感器难以收拾,0.223和0.243年代,分别而4号传感器的起跳点特别不清晰,无法拾取。如图所示,距离越远,拾起起跳点就越困难。将距离(△ 年代= 55 m)的时差(取△T12和△T23的平均值,得到△ T= 0.021 S),可简单计算出117 TGTC的煤层流速为△S/△ T= 2619 m / s。同时,可以大致定位CV事件的发生位置。MS信号的幅值从1号传感器逐渐减小到4号传感器,到达时间越来越大,说明CV事件发生在1号传感器前方(发生在掘进工作面附近)。

CV信号波形及到达时间:(a) 1号传感器波形;(b) 2号传感器波形;(c) 3号传感器的波形;(d) 4号传感器波形。

数字 (11日)为1号传感器的三维幅值谱,表明CV信号的主频为60hz,低于干扰信号。通过滤波分析,统计CV事件在不同频带的MA,如图所示 11 (b).CV信号清晰地划分为高频和低频两个频段,分界点为500hz。低频带呈快速衰减状态,大部分与原始信号的衰减趋势一致。频率越高,衰减速率越快。高频波段的衰减特性较小,甚至后面测点的MA也较大,说明高频信号波段在到4号传感器的距离内没有衰减。

所选CV信号分析:(a) 1号传感器的三维幅值谱;(b) CV信号在不同频段的衰减情况。

4.监测效果检查

在获取各个干扰信号的波形特征和频谱信息后,通过算法消除干扰波形,使在线系统尽可能只拾取有效信号。在MS系统布置的条件下,对117个TGTC进行了在线监测和测试。测试结果表明,掘进机和钻孔压实信号隐藏了小能量(单通道触发)CV事件,但不隐藏超过掘进机干扰幅值的信号。在试运行过程中,发生了一次小型岩爆。对CV信号进行分析,未发现单一触发事件。我们分析了双通道触发及以上CV事件,结果如图所示 12.可以看出,岩爆发生前(12月16日),4通道触发CV事件数量显著增加,3通道触发CV事件数量略有增加,而2通道触发CV事件数量没有增加,反而有所减少。因此,三通道触发和四通道触发CV事件的数量可作为117个TGTC MS系统的监控对象和指标。

岩爆前不同触发方式的CV事件变化曲线。

5.结论

信号识别是117 TGTC系统监测预警的首要任务,对干扰信号进行实时识别和消除。为此,进行了信号识别的现场试验。得到了干扰信号和CV信号的波形。干扰信号包括锚杆钻机作业信号、锚杆压缩螺栓作业信号、带式输送机作业信号、掘进机作业过程信号。分析了信号的波形特征、频谱和传播距离。结果表明,信号的波形特征和主频(或主频幅值)是不同的,这些特征可以部分地实现信号识别。在干扰信号中,掘进机工作干扰信号的MA最大,为380 mV,传播距离最远,超过70 m。现场测试得到的CV信号MA范围为238 mV ~ 7914 mV,说明可能隐藏了一些小于掘进机干扰信号MA的CV事件。在线试验表明,三通道触发和四通道触发CV事件的数量和能量水平应用于岩爆监测和预警,且明显未受到干扰信号的干扰。现场试验为117 TGTC MS系统的触发采集和测点布置提供了依据,为掘进工作面冲击地压监测指标提出了新的思路。

其他岩爆监测领域可以参考女士的安排系统和预警指数,但设备和地质条件显然是在117 TGTC不一样,所以在MS系统可以应用,干扰信号和简历信号目标航向的脸应该首先识别和分析。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

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