CN104020491A - 一种基于微震频谱演变的冲击地压前兆识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微震频谱演变的冲击地压前兆识别方法，其具体步骤是：(1)微震监测系统中的传感器检测到地压运动，并将其转换成微震信号传递给微震监测系统中的数据处理模块；(2)微震监测系统的处理模块对微震信号进行滤波处理，用以消除噪音信号的干扰；(3)微震监测系统将滤波后信号通过频谱分析模块提取数据；(4)将提取的数据用于计算同一频率段(间隔1Hz)能量所占总能量的比值，即主频；(5)处理后得出的微震信号的主频通过示波器显示。通过微震信号的频谱分析，并通过示波器显示；不仅能够实时显示进行预警，而且准确性比较高。

Description

一种基于微震频谱演变的冲击地压前兆识别方法

技术领域

本发明涉及一种冲击地压的前兆识别方法，具体是一种基于微震频谱演变的冲击地压前兆识别方法。

背景技术

近年来，随着我国煤矿开采深度的逐年增加，很多矿区冲击地压问题越来越严重。煤岩体中的压力超过强度极限，聚积在巷道或采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道，同时发出剧烈声响，是一种开采诱发的矿山地震，更是一种灾害，不仅造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，还会引发瓦斯、煤尘爆炸以及水灾，干扰通风系统，严重威胁着煤矿的生产安全。由于冲击地压灾害发生的时间与地域具有多样性和突发性，因此，对其进行预测预警也就成为世界性难题。传统的矿压监测的方法局限性大，准确性低；费时费力，人员需要现场记录，安全性低；经济上劣势明显。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于微震频谱演变的冲击地压前兆识别方法，通过微震信号的频谱分析，并通过示波器显示；不仅能够实时显示进行预警，而且准确性比较高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该基于微震频谱演变的冲击地压前兆识别方法，其具体步骤是：

(1)微震监测系统中的传感器检测到地压运动，并将其转换成微震信号传递给微震监测系统中的数据处理模块；

(2)微震监测系统的处理模块对微震信号进行滤波处理，用以消除噪音信号的干扰；

(3)微震监测系统将滤波后信号通过频谱分析模块提取数据；

(4)将提取的数据用于计算同一频率段(间隔1Hz)能量所占总能量的比值，即主频；冲击地压发生前，矿震信号高频段的能量值所占比率较高，即主频较高；临近冲击地压时，主频向低频段移动；冲击地压发生时，矿震信号低频段的能量所占比率值达到最高，即主频最低；冲击地压发生后，主频向高频段移动，能量降低。因此，主频可以作为冲击地压发生的前兆性指标；

(5)处理后得出的微震信号的主频通过示波器显示。

频谱分析原理：

不同矿山地震由于诱发成因不同，煤岩破裂机制也各有特点，其释放能量大小也各不相同。微震信号的振幅、事件数以及频率等参数能够反映微裂纹扩展的数量、尺寸、方位等，是与煤岩体的损伤程度相关的。不同损伤机制所导致的微震信号具有不同的频谱特征，会存在一个与之相应的特征谱。采用时-频分析技术分析矿震信号的幅频特性，以便从波谱特性进行微震信号的辨识。信号频谱分析的核心是计算信号的傅里叶变换，并以此为基础进行信号的分析工作。由于离散傅里叶变换实现了频域离散化，在数字信号处理中起着极其重要的作用，分析信号的频谱、计算滤波器频率响应，以及实现信号通过LTI系统的卷积运算，都离不开离散傅里叶变换。时间域内的微震信号经过快速傅里叶变换为频率域，即可得到相关的相位谱和振幅谱，确定微震信号的频率特征。

傅立叶变换的基本表达式如下：

$S_F\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}S\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中：S(t)—连续时间信号函数；e^-iωt—傅立叶变换的基函数。

把原来在时域内以时间t为变量的函数式B_H(t)变换为频域内以频率f为变量的函数式B(f)，得出频率域内振幅随频率变化的函数B(f)：

$B\left(f\right)=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{B}_H\left(t\right)e^{-2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}---\left(3\right)$

式中：t是B_H(t)在时域内延伸的区间。

与现有技术相比，本发明利用微震监测系统采集的微震信号，将信号的频谱实时显示在示波器上，根据频谱的演变规律进行冲击地压危险性前兆的识别，这种方法能够实时预警冲击地压，准确性大幅度提高。

附图说明

图1是本发明中裂隙发育理论示意图；

图2是本发明中煤块变形破裂的声发射实验图；

图3是本发明中煤块变形破裂的声发射实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

1、裂隙发育：

通过声发射实验，得出岩石在加载过程中损伤演化的声发射计数率—时间曲线呈现4个明显的阶段，分别是声发射初始阶段、声发射平静阶段、声发射增长阶段、声发射稳定阶段。前两个阶段位于岩石损伤过程中的压密阶段，后两个阶段分别对应于岩石损伤的弹性变形阶段和塑性变形直至破坏阶段，对应岩石内部裂隙的发育过程。

如图1所示，理论分析表明岩石在受压前，小裂隙较多；受压过程中，小裂隙不断贯通、发育形成大裂隙，直至岩石破坏。。

如图2所示，在试样受载破坏的声发射/微震实验中，随着载荷的增加，声发射频率逐渐降低，说明试样内部的小裂隙正在逐步发育、贯通、扩展并形成大裂隙，直至破坏。

2、裂隙扩展的微震频率变化

(1)地震波的震动频率随岩层断裂裂缝尺寸的增加而下降，即

$f=\frac{c}{L}---\left(1\right)$

式中：f—频率；c—常数；L—断裂裂缝尺寸。

上式可知：常数c固定不变，当断裂裂缝尺寸逐渐增加时，频率逐渐降低。因此，在煤岩体中的小裂隙发育、贯通、扩展并形成大裂隙的过程中，微震信号的频率会出现由高到低的过程。

(2)实验室实验：

如图3可知，试样冲击破坏前兆，微震信号的主频率(50-100Hz)较低，说明试样内部已经出现了大的裂隙，当试样冲击破坏时，微震信号的频谱较宽，尤其是低频成分增加，表明试样破坏产生了宏观裂隙，同时高频成分也明显显现，说明冲击破坏时，也产生了很多的小裂隙。

该基于微震频谱演变的冲击地压前兆识别方法，其具体步骤是：

(1)微震监测系统中的传感器检测到地压运动，并将其转换成微震信号传递给微震监测系统中的数据处理模块；

(2)微震监测系统的处理模块对微震信号进行滤波处理，用以消除噪音信号的干扰；

(3)微震监测系统将滤波后信号通过频谱分析模块提取数据；

(4)将提取的数据用于计算同一频率段(间隔1Hz)能量所占总能量的比值，即主频；冲击地压发生前，矿震信号高频段的能量值所占比率较高，即主频较高；临近冲击地压时，主频向低频段移动；冲击地压发生时，矿震信号低频段的能量所占比率值达到最高，即主频最低；冲击地压发生后，主频向高频段移动，能量降低。因此，主频可以作为冲击地压发生的前兆性指标；

(5)处理后得出的微震信号的主频通过示波器显示。

Claims (1)

1.一种基于微震频谱演变的冲击地压前兆识别方法，其特征在于，其具体步骤是：

(1)微震监测系统中的传感器检测到地压运动，并将其转换成微震信号传递给微震监测系统中的数据处理模块；

(2)微震监测系统的处理模块对微震信号进行滤波处理，用以消除噪音信号的干扰；

(3)微震监测系统将滤波后信号通过频谱分析模块提取数据；

(4)将提取的数据用于计算同一频率段能量所占总能量的比值，即主频；

(5)处理后得出的微震信号的主频通过示波器显示。