基于微震系统的煤矿井下掘进工作面有价值微震事件特征

摘要

掘进工作面岩爆监测是我国岩爆监测的薄弱环节;声发射(AE)监测是掘进工作面为数不多的监测技术之一，但其目标信号为小能量事件，易受干扰。研究人员通常只关注弱声发射事件，而忽略了微地震(MS)事件(与声发射事件不同，是由更大规模的煤破裂引起的)，而这类事件也能反映掘进工作面的压力情况，具有较高的能量值，可能成为更好的掘进工作面岩爆监测指标。因此，基于掘进工作面运行振动信号采集系统，研究了掘进工作面MS事件的基本特征，包括发生位置、主频范围、最大振幅(MA)范围、事件持续时间以及与地质构造的关系。本文为利用MS事件监测掘进工作面岩爆监测方法的发展提供了依据。

1.介绍

冲击地压是我国煤矿井下最严重的动力灾害之一[1]，这可能是由某种危险的压力引起的[2，3.]，采煤的具体特性[4，5、顶板岩层移动[6，或道路布局[7，8]，严重影响煤矿的正常运行[9］.岩爆问题的解决关键在于机理清楚[10]，有效监察[11，12]，以及管制措施[13，14］.岩爆事故可分为工作面事故[15]及迎面事故[16，17]根据不同的发生地点。研究表明，依马矿区共发生108起事故，40.74%发生在掘进工作面[18］.目前我国工作面岩爆监测技术已经比较成熟[19，20.];整个矿井MS系统可以得到高水平顶板破断所引起的高能事件[21];高精度MS系统可获取低水平顶板的移动[22];煤应力监测可以反映超前支承压力的变化[23］.但掘进工作面岩爆监测尚不成熟，难点主要在于以下四点:(1)掘进影响范围小[24，但灾害程度并不低[25];(2)施工环境复杂，施工机械给有效收购带来麻烦[26];(3)掘进工作面传感器布置条件有限，只能放置在巷道内，不能展开;(4)掘进速度较快，综合掘进工作面每天约7 ~ 10 m，连续掘进工作面每天约20 ~ 30 m。

掘进工作面监测预警技术虽然还不够成熟，但近年来也形成了一定的成果。常用的早期预警技术包括声发射监测[27、煤应力监测[28，电磁辐射[29]、常规压力监测(位移测量[30.]及螺栓力测量[31，32])。声发射监测利用声发射事件作为预警对象，已经取得了一些成功案例[33，34];但AE事件的能量通常很小，容易受到施工设备或电磁干扰，导致基础统计不准确。由于掘进面影响较小，应力监测变化值较小，监测效果较差[35］.操作方便，抗电磁辐射干扰能力弱。常规压力监测在冲击地压监测中的适用性较差，不能真实反映冲击地压的危险程度。

其中，以振动事件作为岩爆监测预警指标比较有利[36］.根据引起振动的原因不同，可以将振动事件分为两种类型，一种是由顶板断裂引起的[37，38]，另一种是煤体断裂引起的[39］.对于工作面来说，两种事件均发生，破顶事件的能量和位置可以反映出顶板的破坏情况[40]，煤破裂事件的数量和能量可以反映超前支承压力的情况[41］.而对于掘进工作面，MS事件多为煤的破裂事件，破裂规模越大，能量越大[42),事件可以根据断裂规模分为两类:AE事件与小的能源,这是由少量的煤骨折引起的,与大型能源和女士的事件,是由一个大型煤炭骨折和通常伴随着响亮的声音43，但事实上，AE事件和MS事件之间并没有严格的定量区分(至少在本研究中，还没有找到确切的答案)。AE事件被认为与岩爆风险有关，这已在许多实验室试验中得到证实[44，45]及实地成果[46]，实验室的声发射事件与现场的完全不同(两者之间的差异可能是数百倍)。掘进工作面MS事件也与岩爆风险有关，且差异仅导致煤胞破碎数的不同;因此，MS事件比AE事件具有更强的抗干扰能力。对于MS事件的成因，认为MS事件的数量和能量也可能与掘进前超前支承压力有关。

综上所述，MS事件具有很高的研究价值，可能成为掘进工作面岩爆监测的新指标。因此,在这项研究中,事件是女士的特点计算和分析基于振动信号监测系统运行停滞在面对一个地下煤矿,一个标题和女士事件特征包括事件的位置,频率和振幅统计,事件持续时间,与地质构造的关系。这些特点为采用MS事件作为掘进工作面监测预警对象的新思路提供了依据。

2.工程背景和监测材料

本研究依赖于一组在线系统,女士于117年安装跟踪Tengdong煤矿的网关,山东,中国。117年跟踪网关是出土在地面上的3号煤层埋深约940米,3号煤层的平均厚度为7.37米,冲击地压倾向强(按中国标准，三个监测点监测结果)，煤层单轴抗压强度约为25 MPa。117轨道巷道开挖宽度4.4 m，高度3.4 m，直接顶板为砂岩，平均厚度为17.94 m(顶板弯曲能指数为198.65 kJ，有强烈岩爆倾向)。施工方法为全机械化开挖法:挖掘机完成开挖过程，装载机、皮带输送机完成运输过程，锚杆、锚索钻机完成支护过程。117轨道出入口的开挖速度约为7米/天，18小时/天用于掘进，其余6小时用于设备维护。在6月1日至7月9日的统计期间，由于客观原因，没有在7月1日至7月3日进行挖掘工作。

117轨道网关采用的在线MS系统由1台采集仪(井下失速)、4个传感器和1台服务器(井下)配套软件组成，如图所示1．传感器采集振动信号并将其传输到采集仪，采集仪采集各传感器的信号并传输给地面服务器进行分析。采集仪器的参数如表所示1:支持的最大通道数为12,117轨道网关使用的通道数为4(每个通道连接4个传感器);最大采样频率为10khz, 117轨道网关使用的采样频率为2khz(与传感器的最大接收频率匹配);各通道的同步时间误差小于10⁻⁶年代;安全等级为ip54(中国标准);防爆等级为Exd I(中国标准);它通过两根核心电缆连接到传感器;执行标准为GB3836.4-2000(中国标准)和GB/T24260-2009(中国标准)。

传感器参数如表所示2:传感器型号为GZC60，是一种动圈式速度传感器，接收频率范围为0 - 800hz，灵敏度为100 V/m/s，振动加速度为50 m/s²峰值加速度为500米/秒²)，变形小于0.3%，阻尼系数为0.6。由于掘进工作面安装位置的限制，四个传感器设置在一条直线上，安装在顶板螺栓尾部。4个传感器间距为50 m, 6月1日掘进面至后顺序依次为1号传感器、4号传感器、3号传感器、2号传感器(为简化表达式，用1432表示)，1号传感器与掘进面的距离为15 m;当随着掘进工作面开挖距离达到65 m时，2号传感器移至前方，顺序依次为2号传感器、1号传感器、4号传感器、3号传感器(为简化表达式，描述为2143);移位规则如图所示2．

对于一个事件的波形，主要参数包括发生位置、主频分布、MA分布和事件持续时间，如图所示3.．发生位置是指事件发生的位置(煤破裂或顶板破碎的简化中心)，主频率是指如图所示的频谱图中最大幅值对应的频率值3 (b)， MA为振动引起的最大电压值，表示振动信号的强度，事件持续时间为事件结束时间与事件到达时间之差，如图所示3(一个)．因此，本研究的目的是对117 track gateway的MS事件的上述特征进行统计和研究，另一个讨论点是与MS事件发生数量相关的因素。

3.结果

随着掘进工作面的不断开挖，每次当前端传感器与掘进工作面距离达到65 m时，最后一个传感器会移动到前端，换挡后传感器由前到后的顺序会发生变化。6月1日至7月9日四个统计时段的传感器测序结果见表3.．分别四个时期,6月1日6月12日,6月23日6月30日,6月13日6月23日和7月1日7月9日,测序结果和相应的传感器,分别于1432年、2143年、3214年和4321年,这意味着2 #,3 #,4 #传感器前进到前面,分别在6月13日,6月23日和7月1日。

确定MS事件在掘进工作面的发生位置是非常重要的，这方面的工作以前没有研究过，而本研究使用的振动信号采集系统可以完成振动事件的初步定位。当MS事件发生时，理论上距离越近的传感器振幅越大，到达时间越早，这是信号传播的基本规律。因此，本研究统计了统计周期内四个通道触发事件(四个传感器都收到了MS事件)的幅值排序和到达时间排序结果，结果如图所示4和5．从图可以看出,大部分的振幅测序和到达时间序列是相同的传感器布局顺序的四个时期,这表明大部分的事件发生在前面的女士面前传感器,这种现象并不是影响之间的距离传感器和标题面前;因此，结合现场声识别结果，研究的基本结论是MS事件多发生在巷道迎头附近。

MA和主频的统计结果如图所示6，最大MA值约为10000 MV(检查波形后，监测期间没有导致传感器超出量程的事件)，低于工作面的MS事件。最大主频约为500 Hz，高于工作面MS事件。MA值与主频值之间没有绝对关系，但当MA值大于7000 mV时，主频值相对较低。图中显示了MA和主频率值分布范围的盒状图7；从图中可以看出7(一)25% ~ 75%的MA值分布在799 ~ 3267 mV之间，MA的最小值为295 mV，平均值为2363 mV，最大值为10258 mV。从图中可以看出7 (b)， 25% ~ 75%的主频值分布在82 ~ 190 Hz之间，最小14 Hz，平均146 Hz，最大值515 Hz。

事件持续时间对MS事件特征的表达起着重要作用，能够反映事件持续时间的长短，对于揭示振动对围岩的冲击时间和强度具有一定的意义。事件持续时间的框图如图所示8；结果表明，25% ~ 75%的事件持续时间值分布在0.48 ~ 0.52 s之间，集中程度非常高;事件持续时间的最小值为0.18 s，平均值为0.50 s，最大值为1.78 s，明显短于工作面MS事件。

4.讨论

研究得到的MS事件的发生位置、主频分布、MA范围和持续时间对研究掘进工作面岩爆机理和监测系统参数设计具有重要意义。发生位置决定了MS系统测点的布置原则，主频范围决定了采集仪器的采样频率和传感器的接收频率，MA的最大值决定了传感器的范围[47，持续时间决定了原始波形存储时单个波形的存储时间。

在结果部分，图4和5只是定性地表明，每个时段的排序结果大部分与传感器布局顺序结果相同，并没有具体统计匹配度的比例，因此不同时段振幅排序比例的统计结果如图所示9．从图可以看出,在所有的89年,131年,84年,34岁的女士事件发生,分别在6月1日6月12日,6月13日6月23日,6月23日6月30日和7月1日7月9日,85年的振幅测序,105年,76年,28岁的女士事件传感器布局是一样的结果,和四个时期的匹配率是96%,80%,90%,和82%,分别。不同时段的到达时间排序比例统计结果如图所示10．可以看出，85、111、72、32 MS事件的到达时间排序与相同总事件的传感器布局顺序结果相同，四个时段的匹配率分别为96%、85%、86%、94%。因此，根据振幅和到达时间的序列结果，可以得出至少80%的MS事件发生在巷道迎头附近。特别是，从7月1日到9日的MS事件较少，是因为从7月1日到3日没有进行挖掘。

相关系数表示两个指标变化之间的相似性[48］.对于本研究中的振幅排序和到达时间排序结果，如果相关系数较大，说明这两种排序结果对事件位置结果的联合验证程度较高。通过软件计算，振幅序列与到达时间序列的相关系数为0.911，证明MS事件大多发生在巷道迎头附近。

另一个值得讨论的问题是哪些因素与MS事件的发生数量有关。事实上，许多研究表明MS或AE事件的数量与压力水平有关[49，50，如果煤体应力较大，则会发生更多的事件。女士事件的数量代表前方支承压力的变化,和最大应力大幅调整的地方一定距离背后的头,这是事故易发区域,而相关的压力水平相当挖掘速度和地质构造,所以当挖掘速度变化小,应力条件与地质构造直接相关。地质构造处的原始岩石应力场必然比正常位置的岩石应力场更大、更复杂。本研究对6月1日至6月30日期间的3个通道触发事件和4个通道触发事件的发生次数进行统计分析，如图所示11．结果表明,当挖掘女士事件的发生数量会显著提高的地方小的缺点,如6月12日和6月28日在图中,这表明事件标题女士脸的数量变化密切相关的异常地质构造应力场。然而，地质构造是岩爆发生最频繁的地方[51]，为利用MS事件作为掘进工作面岩爆监测预警指标提供了可能性。

本研究通过一套运行振动信号采集系统，获取掘进工作面多MS事件的主要特征。然而,系统的初衷并不是测试方向的振动信号的脸,和一些参数的设置不能更改(实际采集仪器的采集频率增加到10000 Hz,接收传感器的频率增加到3000 - 5000赫兹,在这种情况下,传感器可能需要采用压电式传感器的形式)，这就导致我们得到的事件特性中存在一些不合理的部分，如是否存在较高的主频分布。但如果MS事件可以作为监控指标，则当前系统完全可以满足监控需求。此外,女士事件的发生数量之间的关系和地质构造得到的数据结果的基础上,具体位置在一定的时间内,在其他地方,是否符合法律和其他时期仍然需要进一步测试。

5.结论与未来工作

本文得到了MS事件不同于AE事件的基本特征:最大MA值为10258 mV;主频的最小值为14 Hz，最大值为515 Hz;最大事件持续时间为1.78 s。更重要的是，80%以上的MS事件发生在巷道迎头附近，这是通过传感器幅值排序和到达时间排序得到的。讨论了MS事件的发生次数与地质构造和岩爆危险性的关系，为将MS事件作为掘进工作面岩爆监测预警指标提供了可能性。研究结果对深入研究冲击地压发生机理和井下掘进工作面振动信号采集系统的设计具有重要意义。在今后的工作中，需要提高采集仪器的采样频率和传感器的接收频率，以更准确地获取MS事件参数。此外，还应开展更多的病例核查工作。

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

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本研究由山东能源集团有限公司资助。2019 sdzy02。

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