CN113339072B - 一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法 - Google Patents

Abstract

一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，在工作面上选择进行爆破卸压试验的爆破点，各个拾震器接收震动信号波形，并进行监测与记录，统计所有震动信号波形所对应爆破试验的装药量、拾震器与爆破点的距离；再对爆破震动信号波形先预处理、再变换，得到震动信号的最大瞬时能量；然后建立震动信号的最大瞬时能量，及对应的装药量、拾震器与爆破点的距离参数之间的关系，利用统计方法对上述参数分析，构建爆破震动效应的评估指数，进行定量评价爆破卸压效果：本基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，实现对爆破卸压效果的评价，使得评价更加客观、可靠准确，避免传统以震源能量作为评价参量的评价方法存在误差较大的情况。

Description

一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法

技术领域

本发明涉及煤岩动力灾害防治技术领域，具体涉及一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法。

背景技术

近年来，煤矿冲击矿压动力灾害发生的频次和强度逐渐加大，冲击矿压动力灾害防治手段越来越丰富，其中爆破卸压技术作为一种有效的预防和解危措施被广泛应用于冲击矿压矿井。

爆破卸压将产生爆破诱发的震动，这种震动可认为是爆源处的动态扰动引起的煤岩体介质响应结果，爆破对煤岩体的动态扰动程度不仅与爆破参数(如炸药性质、装药量、不耦合系数等参数)有关，还与岩石物理力学性质、顶板岩体中节理和裂隙分布、地应力水平、震动传播距离等因素有关。

在实际应用过程中爆破卸压技术存在只“爆”不“评”的问题，即只执行爆破卸压措施，而忽略爆破卸压后的效果评价，对于爆破卸压后是否真正起到卸压效果，能否满足冲击矿压动力灾害的预防和解危要求，目前缺少快速和有效的方法。

发明内容

本发明提供一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，实现对爆破卸压效果的评价，使得评价更加客观、可靠准确，避免传统以震源能量作为评价参量的评价方法因参量计算是在震动信号波形的基础上构建震动传播理论模型估算得到的而与实际能量之间存在误差的情况。

为实现上述目的，本一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，具体包括以下步骤：

S1，在工作面上选择进行爆破卸压试验的爆破点，并基于巷道靠近工作面的爆破卸压区域上安装若干微震拾震器，各个拾震器接收爆破点发出的震动信号波形，并通过微震监测系统进行监测与记录，统计所有震动信号波形所对应爆破试验的装药量、拾震器与爆破点的距离；

S2，对爆破震动信号波形先预处理、再变换，然后计算爆破震动信号的瞬时能量谱，得到震动信号的最大瞬时能量；

S3，建立震动信号的最大瞬时能量，及对应的装药量、拾震器与爆破点的距离参数之间的关系；

首先计算最大瞬时能量对数值，计算公式如下：

Y＝ln(IE_max)

其中，IE_max表示最大瞬时能量；

再计算爆破时装药量与距离的比例系数X，计算公式如下：

其中：S为拾震器与爆破点的距离，Q为装药量；

然后统计比例系数X与最大瞬时能量对数值Y之间的关系，并进行线性拟合，得到XY线性拟合公式，计算公式如下：

Y＝AX+B

S4，计算数据最大瞬时能量取对数值Y的标准方差σ

式中：Y_i为各个震动信号的最大瞬时能量对数值；

为所有震动信号最大瞬时能量对数值的平均值；n为震动信号的个数；

S5，基于XY线性拟合公式和Y标准方差σ分别构建N个线性函数；

N个线性函数图形直线之间每相邻的两条直线间划为一个子区域，共为N-1个区域；

计算每个子区域内所有数据点Y与X的比值平均值

的计算公式为：

其中，Y_i'为子区域内每个数据点的最大瞬时能量对数值，X_i'为子区域内每个数据点装药量与距离的比例系数，n'为每个子区域内数据点的个数；

N-1个区域内相应的平均值由小到大依次为

S6，确定

作为标准值，建立爆破震动效应的评估指数VE，进行定量评价爆破卸压效果：

至

依次与

进行比值，并且相邻比值之间形成的区间对VE进行评价；

当VE位于的区间越小时，表明爆破卸压效果越差；

当VE位于的区间越大时，表明爆破卸压效果越好。

进一步的，步骤S1中爆破卸压区域500m范围内拾震器接收到的震动信号波形的数量不小于150个。

进一步的，步骤S2中对爆破震动信号波形包括主震前干扰信号段、震动信号主震段以及主震后干扰信号段，在对爆破震动信号波形进行预处理时，截取震动信号主震段，删除主震前干扰信号段和主震后干扰信号段。

进一步的，步骤S2中对爆破震动信号波形进行Hilbert-Huang变换，包括震动信号波形EMD分解和Hilbert变换两步骤。

进一步的，，基于XY线性拟合公式和Y标准方差σ分别构建5个线性函数，其线性函数如下：

Y＝AX+B-δ

Y＝AX+B-0.5δ

Y＝AX+B

Y＝AX+B+0.5δ

Y＝AX+B+δ

4个区域内相应的平均值由小到大依次为

进一步的，当基于XY线性拟合公式和Y标准方差σ分别构建5个线性函数时，爆破震动效应评估指数VE所在区间的评价结果如下：

当VE＜1时，表明爆破卸压无效；

当

时，表明爆破卸压效果一般；

当

时，表明爆破卸压效果中等；

当

时，表明爆破卸压效果良好；

当

时，表明爆破卸压效果极好。

与现有技术相比，本一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，通过各个拾震器接收爆破点的震动信号波形，并进行监测与记录，统计所有震动信号波形所对应爆破试验的装药量、拾震器与爆破点的距离；再对爆破震动信号波形先预处理、再变换，得到震动信号的最大瞬时能量；然后通过建立震动信号的最大瞬时能量与对应的装药量、拾震器与爆破点的距离参数之间的关系，使得对爆破卸压效果的评价更加客观、可靠、具有时效性，并构建相应参数的多个线性函数，划分多个区域，将建立的爆破震动效应的评估指数位于相应区间内进行评价爆破卸压效果，使得本评价方法更加准确、科学，避免传统以震源能量作为评价参量的评价方法因参量计算是在震动信号波形的基础上构建震动传播理论模型估算得到的而与实际能量之间存在误差较大的情况。

附图说明

图1是本发明中工作面爆破卸压试验中的拾震器和爆破点示意图；

图2是本发明中爆破震动信号波形示意图；

图3是本发明中爆破震动信号Hilbert-Huang变换瞬时能量谱示意图；

图4是本发明中震动信号最大瞬时能量-装药量-距离关系示意图；

图中：1、采空区，2、工作面，3、巷道，4、拾震器，5、爆破点，6、拾震器与爆破点的距离，7、主震前干扰信号段，8、震动信号主震段，9、主震后干扰信号段，10、瞬时能量谱，11、最大瞬时能量，12-16、分别为基于数据拟合函数和方差构建的五个线性函数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，具体包括以下步骤：

S1，在工作面2上选择进行爆破卸压试验的爆破点5，并基于巷道3靠近工作面2的爆破卸压区域上安装若干微震拾震器4，各个拾震器4接收爆破点5发出的震动信号波形，并通过微震监测系统进行监测与记录，统计所有震动信号波形所对应爆破试验的装药量、拾震器与爆破点的距离6；

爆破卸压试验可在工作面2煤帮内进行，爆破的震动信号的个数需要满足数据统计分析要求，数据量越多，统计分析准确度越高，误差越小。在本方法中优选的要求爆破卸压区域500m范围内拾震器4接收到的震动信号波形的数量不小于150个；

另外，在工作面2实施爆破卸压试验时，炸药参数和钻孔参数保持一致，当对爆破点5进行多次爆破试验，每轮爆破试验时需设置不同的装药量；

S2，对爆破震动信号波形进行预处理；对预处理后的震动信号波形进行Hilbert-Huang变换，包括震动信号波形EMD分解和Hilbert变换两步骤，再计算震动信号的瞬时能量谱10，得到震动信号的最大瞬时能量11；

如图2所示，在对爆破震动信号波形进行预处理时，主要是截取震动信号主震段8，即拾震器4接收的震动信号波形主要有主震前干扰信号段7、震动信号主震段8以及主震后干扰信号段9，而且主震前干扰信号段7和主震后干扰信号段9的时间较长，主要由于井下微震拾震器4本身和其他井下设备机器震动引起；

当对震动信号波形进行Hilbert-Huang变换时，需要截取震动信号主震段8，删除主震前干扰信号段7和主震后干扰信号段9，通过对主震段的选取从而使得爆破卸压效果评价更精准可靠；

S3，建立震动信号的最大瞬时能量11，及对应的装药量、拾震器与爆破点的距离6参数之间的关系；

首先计算最大瞬时能量11对数值，计算公式如下：

Y＝ln(IE_max)

其中，IE_max表示最大瞬时能量11；

再计算爆破时装药量与距离的比例系数X，计算公式如下：

其中：S为拾震器与爆破点的距离，Q为装药量；

然后统计比例系数X与最大瞬时能量11对数值Y之间的关系，并进行线性拟合，得到拟合公式，计算公式如下：

Y＝AX+B

S4，计算数据最大瞬时能量11取对数值Y的标准方差σ

式中：Y_i为各个震动信号的最大瞬时能量11对数值；

为所有震动信号最大瞬时能量11对数值的平均值；n为震动信号的个数；

S5，基于XY线性拟合公式和Y标准方差σ分别构建N个线性函数；

N个构建的线性函数直线之间每相邻的两条直线间划为一个子区域，共为N-1个区域；计算每个子区域内所有数据点Y与X的比值平均值

的计算公式为：

其中，Y_i'为子区域内每个数据点的最大瞬时能量11对数值，X_i'为子区域内每个数据点装药量与距离的比例系数，n'为每个子区域内数据点的个数；

N-1个区域内相应的平均值由小到大依次为

优选的，基于XY线性拟合公式和Y标准方差σ分别构建5个线性函数，其线性函数如下：

Y＝AX+B-δ

Y＝AX+B-0.5δ

Y＝AX+B

Y＝AX+B+0.5δ

Y＝AX+B+δ

绘制上述构建的函数直线，将每相邻的两条直线间区域划为一个子区域A-D，共4个子区域，计算每个子区域A-D内所有数据点Y与X的比值平均值

4个区域内相应的平均值由小到大依次为

S6，确定

作为标准值，建立爆破震动效应的评估指数VE进行定量评价爆破卸压效果：

当

作为标准值时，由于

至依次增大，因此

依次与

的比值，并且相邻比值之间形成的区间对VE进行评价；当VE位于的区间越大时，表明爆破卸压效果越好；

比如当构建基于数据拟合函数和方差构建的五个线性函数时，爆破震动效应评估指数VE所在区间的评价结果如下：

当VE＜1时，表明爆破卸压无效；

当

时，表明爆破卸压效果一般；

当

时，表明爆破卸压效果中等；

当

时，表明爆破卸压效果良好；

当

时，表明爆破卸压效果极好。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，在某矿煤层工作面2回采过程中实施煤体卸压爆破，利用在矿井内安装的ARAMIS微震监测系统监测煤体卸压爆破诱发的震动，通过各个拾震器4接收爆破点5发出的震动信号波形，共收集150个震动波形并爆破卸压效果分析，统计每个震动信号波形所对应的爆破装药量和拾震器与爆破点的距离6；

对150个爆破震动信号进行Hilbert-Huang变换，计算爆破震动信号的最大瞬时能量11IEmax；

对最大瞬时能量11IEmax取对数处理：

Y＝ln(IE_max)

计算爆破装药量和距离的比例系数X，采用如下公式：

式中：S为拾震器与爆破点的距离；Q为装药量；

如图4所示，统计比例系数X与最大瞬时能量11对数值Y之间的关系，并进行线性拟合，得到拟合公式：

Y＝12.796X+2.8778

计算Y数据的标准方差σ：

σ＝2.298342

基于XY线性拟合公式和Y标准方差σ分别构建以下线性函数：

Y＝AX+B-δ＝12.796X+2.8778-2.298342

Y＝AX+B-0.5δ＝12.796X+2.8778-0.5×2.298342

Y＝AX+B＝12.796X+2.8778

Y＝AX+B+0.5δ＝12.796X+2.8778+0.5×2.298342

Y＝AX+B+δ＝12.796X+2.8778+2.298342

绘制上述构建的函数直线，将每相邻的两条直线间区域划为一个子区域A-D，共4个子区域，计算每个子区域A-D内所有数据点Y与X的比值平均值

由小到大依次为

计算结果为：

单位质量炸药在单位距离处的震动信号的最大瞬时能量11标准值

建立爆破震动效应的评估指数VE进行定量评价爆破卸压效果：

式中：VE为爆破震动效应评估指数，Q为爆破装药量，IE_max震动信号的最大瞬时能量11值，S为拾震器4与爆破中心距离；

单位质量炸药在单位距离处的震动信号的最大瞬时能量11标准值；

当VE＜1时，表明爆破卸压无效；

当1≤VE＜1.07时，表明爆破卸压效果一般；

当1.07≤VE＜1.36时，表明爆破卸压效果中等；

当1.36≤VE＜1.59时，表明爆破卸压效果良好；

当VE＞1.59时，表明爆破卸压效果极好；

本发明基于爆破震动信号波形对爆破卸压效果进行评价，通过建立震动信号的最大瞬时能量11与对应的装药量、拾震器与爆破点的距离6参数之间的关系，使得对爆破卸压效果的评价更加客观、可靠、具有时效性，并构建相应参数的多个线性函数，划分多个区域，将建立的爆破震动效应的评估指数VE位于相应区间内进行评价爆破卸压效果，使得本评价方法更加准确、科学，避免传统以震源能量作为评价参量的评价方法因参量计算是在震动信号波形的基础上构建震动传播理论模型估算得到的而与实际能量之间存在误差的情况。

Claims (6)

1.一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1，在工作面(2)上选择进行爆破卸压试验的爆破点(5)，并基于巷道(3)靠近工作面(2)的爆破卸压区域上安装若干微震拾震器(4)，各个拾震器(4)接收爆破点(5)发出的震动信号波形，并通过微震监测系统进行监测与记录，统计所有震动信号波形所对应爆破试验的装药量、拾震器与爆破点的距离(6)；

S2，对爆破震动信号波形先预处理、再变换，然后计算爆破震动信号的瞬时能量谱(10)，得到震动信号的最大瞬时能量(11)；

S3，建立震动信号的最大瞬时能量(11)，及对应的装药量、拾震器与爆破点的距离(6)参数之间的关系；

首先计算最大瞬时能量(11)对数值，计算公式如下：

Y＝ln(IE_max)

其中，IE_max表示最大瞬时能量(11)；

再计算爆破时装药量与距离的比例系数X，计算公式如下：

其中：S为拾震器与爆破点的距离，Q为装药量；

然后统计比例系数X与最大瞬时能量(11)对数值Y之间的关系，并进行线性拟合，得到XY线性拟合公式，计算公式如下：

Y＝AX+B

S4，计算数据最大瞬时能量(11)取对数值Y的标准方差σ

式中：Y_i为各个震动信号的最大瞬时能量(11)对数值；

为所有震动信号最大瞬时能量(11)对数值的平均值；n为震动信号的个数；

S5，基于XY线性拟合公式和Y标准方差σ分别构建N个线性函数；

N个线性函数图形直线之间每相邻的两条直线间划为一个子区域，共为N-1个区域；

计算每个子区域内所有数据点Y与X的比值平均值

的计算公式为：

其中，Y_i'为子区域内每个数据点的最大瞬时能量(11)对数值，X_i'为子区域内每个数据点装药量与距离的比例系数，n'为每个子区域内数据点的个数；

N-1个区域内相应的平均值由小到大依次为

S6，确定

作为标准值，建立爆破震动效应的评估指数VE，进行定量评价爆破卸压效果：

至

依次与

进行比值，并且相邻比值之间形成的区间对VE进行评价；

当VE位于的区间越小时，表明爆破卸压效果越差；

当VE位于的区间越大时，表明爆破卸压效果越好。

2.根据权利要求1所述的一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，其特征在于，步骤S1中爆破卸压区域500m范围内拾震器(4)接收到的震动信号波形的数量不小于150个。

3.根据权利要求2所述的一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，其特征在于，步骤S2中对爆破震动信号波形包括主震前干扰信号段(7)、震动信号主震段(8)以及主震后干扰信号段(9)，在对爆破震动信号波形进行预处理时，截取震动信号主震段(8)，删除主震前干扰信号段(7)和主震后干扰信号段(9)。

4.根据权利要求3所述的一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，其特征在于，步骤S2中对爆破震动信号波形进行Hilbert-Huang变换，包括震动信号波形EMD分解和Hilbert变换两步骤。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，其特征在于，基于XY线性拟合公式和Y标准方差σ分别构建5个线性函数，其线性函数如下：

Y＝AX+B-δ

Y＝AX+B-0.5δ

Y＝AX+B

Y＝AX+B+0.5δ

Y＝AX+B+δ

4个区域内相应的平均值由小到大依次为

6.根据权利要求5所述的一种基于微震信号波形分析的爆破卸压效果评价方法，其特征在于，当基于XY线性拟合公式和Y标准方差σ分别构建5个线性函数时，爆破震动效应评估指数VE所在区间的评价结果如下：

当VE＜1时，表明爆破卸压无效；

当

时，表明爆破卸压效果一般；

当

时，表明爆破卸压效果中等；

当

时，表明爆破卸压效果良好；

当

时，表明爆破卸压效果极好。

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