雷文杰，張朝陽

(河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

0 引言

我國煤炭開采逐漸轉(zhuǎn)向深部煤層，礦井地質(zhì)災(zāi)害事故發(fā)生的頻率也在逐漸增加[1]。地下工程采動極易誘發(fā)動力災(zāi)害的發(fā)生，研究煤巖卸荷力學特性有利于解釋其損傷演化規(guī)律[2]。煤巖體在破壞時其能量會以彈性波的形式釋放，從而產(chǎn)生微地震事件，因此可利用微震信號對煤巖體的破壞進行監(jiān)測[3-4]。

微震監(jiān)測設(shè)備具有全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集功能、可實現(xiàn)空間定位、實時監(jiān)測[5]。為深入研究微震信號中含有的煤巖動力特征，大量學者進行了深入研究：肖曉春等[6]進行了顆粒煤巖循環(huán)加載聲發(fā)射試驗，分析了煤巖模型破裂的信號特征；諸多學者[7-8]針對煤巖類材料在單軸單次及多級循環(huán)加載試驗、蠕變試驗、剪切試驗等破壞過程中的聲發(fā)射信號特征進行了研究；李浩然等[9]研究了巖石破壞與監(jiān)測信號特征之間的關(guān)聯(lián)特征，得到了巖石破壞時聲發(fā)射信號規(guī)律；丁學龍等[10]研究了煤巖脹裂破壞過程中的微震信號特征；許曉陽等[11]研究了混凝土、原煤在單軸壓縮微震信號的頻譜特征；趙揚鋒等[12]研究了單軸壓縮條件下完整砂巖和不同傾角裂隙砂巖的破壞特征和微震信號規(guī)律；劉向峰等[13]基于聲發(fā)射信號的各種參數(shù)特征研究，實現(xiàn)了煤巖破壞由微觀到宏觀的分析；謝和平等[14]研究發(fā)現(xiàn)微震的振幅、事件數(shù)、能量等參數(shù)能夠反映出巖體破裂擴展的數(shù)量、尺寸以及方位等信息；楊永杰等[15]發(fā)現(xiàn)煤、砂巖卸圍壓聲發(fā)射信號能量主要集中于低頻段，并與煤樣破裂尺度有一定關(guān)系，且信號主頻在宏觀破裂前會發(fā)生突變；馬德鵬等[16]研究發(fā)現(xiàn)煤樣在卸載圍壓前以能量儲存為主，達到峰值后以釋放為主，且卸載速率越大，損傷量增加越快。當前眾多學者從巖石破壞聲學、力學、循環(huán)加載特征等方面進行了大量研究，但多以巖體為研究對象在統(tǒng)計基礎(chǔ)上得到規(guī)律。以煤體為研究對象將煤樣破裂對應(yīng)微震信號時頻特征研究較少，尤其從微震角度對煤體裂隙擴展和煤體破壞時微震信號時頻及破壞前、后破壞信號特征的研究更是鮮有涉及。

基于此，對原煤卸荷過程微震信號特征進行研究，獲取原煤卸圍壓產(chǎn)生的信號，分析不同階段的煤體破裂特征及對應(yīng)的微震信號特征，以期從微震的角度揭示礦井災(zāi)害發(fā)生機制，豐富煤巖動力學理論，為礦井災(zāi)害預警奠定基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 試驗設(shè)備

微震監(jiān)測系統(tǒng)可進行全波形信號采集處理，可實時計算能量、震級等參數(shù)，該系統(tǒng)包含12個信號采集通道。由井下數(shù)字信號接收系統(tǒng)、地面主機數(shù)字信號處理系統(tǒng)以及傳感器3部分組成，試驗設(shè)備主要有ESG微震監(jiān)測及煤熱流固耦合三軸伺服加載系統(tǒng)。ESG主要包括：信號采集傳感器、數(shù)字信號接收系統(tǒng)和數(shù)字信號處理系統(tǒng)3部分。本文采用的微震信號采集傳感器為單軸傳感器，主要特征參數(shù)見表1。加載過程中記錄煤樣各時間點應(yīng)力應(yīng)變值，微震監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度高、采樣頻率范圍大。

表1 微震監(jiān)測設(shè)備主要參數(shù)Table 1 Main parameters of micro-seismic monitoring equipment

卸圍壓試驗采用含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置，主要由6部分組成：數(shù)據(jù)測量、伺服加載、壓力控制、恒溫和輔助系統(tǒng)、壓力室及伺服滲流裝置。試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該試驗設(shè)備可以模擬不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力和溫度下的煤樣瓦斯?jié)B流試驗。

圖1 試驗系統(tǒng)Fig.1 Test system

伺服系統(tǒng)主要由軸向加載機架、伺服液壓站及控制臺3部分構(gòu)成。試樣的軸向變形由軸向位移傳感器測量；液壓泵的額定流量和壓力分別為4.5 L/min，21 MPa。軸壓和圍壓能達到的最大值分別為100，10 MPa；試驗可由控制軟件實現(xiàn)全程自動化，試驗參數(shù)亦可根據(jù)需求手動調(diào)節(jié)。

1.2 卸圍壓試驗方案

卸圍壓試驗3組煤樣編號分別為LH-1，LH-2，LH-3。試樣參數(shù)分別為100.8 mm×48.9 mm(高×直徑)，重260 g；102.9 mm×47.8 mm(高×直徑)，重275 g；99.5 mm×47.8 mm(高×直徑)，重262 g。瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服裝置軸向加載速度設(shè)定為0.02 kN/s，圍壓增幅為0.01 MPa/s。卸圍壓試驗步驟如下：

1)編號。將加工后的煤樣編號，貼標簽拍照；2)涂硅橡膠。將小樣側(cè)壁涂滿硅橡膠，約1 mm厚度，以保證氣密性，待完全晾干，安置傳感器；3)開始試驗。將固定好的小樣推至試驗臺，軸向力15 kN后由試驗控制軟件自動控制，保證其徑向變形值不少于-5 mm；4)設(shè)定力控制速度軸向力達到一定值后開始卸圍壓，觀察徑向變形；5)煤樣破壞。若軸向力達到目標值未破壞，增大目標值重復上一步。

2 卸圍壓試驗結(jié)果

煤樣LH-1～LH-3對應(yīng)的壓力分別為0.5，1.0，1.5 MPa；瓦斯初始流量分別為0.692，0.056，0.058 L/min，結(jié)果見表2。

表2 卸圍壓試驗結(jié)果Table 2 Results of unloading confining pressure test

試樣應(yīng)力和圍壓變化過程如下：LH-2試樣初始軸向力12 kN，圍壓6 MPa；從12 kN開始加載軸向力直至目標值80 kN，此過程圍壓保持不變；煤樣破壞時圍壓降至4.93 MPa，軸向力79.96 kN；破壞后圍壓為5.83 MPa，軸向力降至51.83 kN。LH-3煤樣最大軸壓為60 kN，10∶23∶14開始卸圍壓，圍壓卸載之前為6 MPa，煤樣破壞后圍壓驟增至3.27 MPa，軸壓由60 kN驟降至36.32 kN，如圖2所示。

圖2 LH-3試樣壓力加載過程Fig.2 Pressure loading process of LH-3 sample

由于煤樣破壞時瞬間失穩(wěn)，煤樣軸壓驟然下降，煤樣破壞體積增加，煤體內(nèi)瓦斯氣體由破裂面釋放至試驗腔，致使圍壓迅速增加，故3組煤樣均出現(xiàn)圍壓激增現(xiàn)象。卸圍壓過程現(xiàn)場應(yīng)力現(xiàn)象主要表現(xiàn)為煤體開挖時新鮮揭露面受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為受力不均衡狀態(tài)，在應(yīng)力和瓦斯壓力綜合作用下瞬間失穩(wěn)，與沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害發(fā)生過程類似。

3 卸圍壓微震信號時頻特征

3.1 不同試驗階段信號特征對比

以LH-2試樣為例，加軸壓、卸圍壓和破壞3個試驗階段的信號，各階段信號相對應(yīng)的采樣點區(qū)間分別為加軸壓[1 199，3 198]，卸圍壓[17 955 100，17 957 099]，破壞[18 411 000，18 414 999]等，試驗中先保持圍壓穩(wěn)定，同時以加載速度均為0.05 mm/min的速度加載軸壓至穩(wěn)定，卸圍壓和破壞時監(jiān)測信號時域波形如圖3(a)～圖3(b)所示。

圖3 不同時刻信號波形Fig.3 Signal waveform at different time

小波尺度譜圖如圖4(a)～圖4(c)所示，主頻為50 Hz，此外在加軸壓過程中還存在250，800 Hz，2個信號頻帶；在卸圍壓過程中微震信號中除以上頻段外，還存在125 Hz頻段；且二者不同頻段信號能量不同。煤樣破壞時未見明顯主頻信號，信號成分復雜，所含頻率范圍廣。加軸壓和卸圍壓過程中各頻段信號均在整個時間片段內(nèi)持續(xù)分布，破壞時刻僅在250～700 ms之間存在不連續(xù)的、不同能量的信號成分。煤體破壞時信號持續(xù)時長和頻率成分均明顯區(qū)別于加軸壓和卸圍壓時的監(jiān)測信號。

圖4 小波尺度譜Fig.4 Wavelet scale spectrum

軸壓增加和圍壓卸除階段的信號頻率主要在300 Hz以下，未見信號跳變。加軸壓和卸圍壓時信號頻帶范圍基本相同。加軸壓和卸圍壓階段的信號主頻均為50 Hz，均存在250 Hz頻段，但卸圍壓階段監(jiān)測信號存在125 Hz頻帶和700 Hz頻帶，可見在不同階段信號呈現(xiàn)出明顯不同的特征，頻率存在較大差別。為有效提取卸圍壓過程中煤樣破裂微震信號。加軸壓和卸圍壓信號4層小波分解，1～3頻帶(0～375 Hz)信號幅值最大，與連續(xù)小波變換結(jié)果一致。加軸壓和卸圍壓的能量主要集中于小波包分解1和2頻帶，加軸壓信號中1和2頻帶分別占信號總能量的85.27%，12.28%；卸圍壓信號中1和2頻帶分別占總能量的64.15%，26.92%；破壞時1～3頻帶能量占比分別為52.83%，10.09%，24.36%，375 Hz以下的低頻部分能量占比最大。

煤樣破壞后進入應(yīng)力殘余階段，信號主頻轉(zhuǎn)變?yōu)?56 Hz，試驗儀器主要干擾頻帶依然分布于低頻段。綜合不同階段信號頻率特征可知干擾主要為1～3頻帶，低頻段與煤樣破壞頻帶范圍不重疊，不會干擾煤樣破壞信號采集，但是700 Hz附近存在干擾頻帶，1 000 Hz以上基本不存在信號干擾。

3.2 內(nèi)部裂紋擴展與煤體破裂信號特征對比

煤體破壞前煤樣會在內(nèi)部形成細小破裂，產(chǎn)生不同時-頻特征的微震信號，通過對不同階段的監(jiān)測信號進行連續(xù)小波變換，從完整監(jiān)測信號中可截取不同階段的包含煤樣破裂信號的微震信號片段，裂紋擴展(S1)、破壞時(S2)的信號，時間區(qū)間分別為S1[17 468 600，17 470 599]，S2[18 411 000，18 414 999]，S1對應(yīng)時域波形如圖5所示。

圖5 信號S1波形Fig.5 Waveform of signal S1

煤樣裂紋擴展和破壞信號的尺度譜圖如圖6所示，呈現(xiàn)明顯不同特征：裂紋擴展信號頻率主要在300 Hz以下，且頻率400 Hz以下(50，125，250 Hz等頻帶)的各頻帶信號持續(xù)性或間斷性出現(xiàn)并具有一定的周期性特征，無明顯信號跳變；700 Hz附近存在持續(xù)性信號，信號幅值較低，能量??；500～2 000 Hz存在1段跳變信號，為煤樣內(nèi)部裂紋擴展產(chǎn)生的微震信號；煤樣破壞信號不穩(wěn)定、信號跳變多，跳變信號產(chǎn)生頻次高，各頻帶無持續(xù)性信號，無明顯分帶，信號主頻為800 Hz。

圖6 信號S1小波尺度譜圖Fig.6 Wavelet scale spectrum of signal S1

由于煤樣破壞失穩(wěn)致使煤樣不同部位間產(chǎn)生滑移錯動，由此產(chǎn)生除儀器運轉(zhuǎn)之外的信號干擾，根據(jù)連續(xù)小波包變換煤樣破壞后的殘余階段干擾信號主頻變?yōu)?56 Hz。加載和卸圍壓初期煤樣破裂頻次低、信號跳變少。破壞過程中伴隨煤體不同部位間相對位移，產(chǎn)生摩擦、揉搓，故煤樣破壞時信號頻率成分復雜。

綜上，干擾信號頻率主要在500 Hz以上，375 Hz(1～3頻帶)以下信號的震動源并非煤體破裂，即為信號干擾，故將1～3頻帶信號去除，即可獲得煤體破壞時去除干擾的信號波形，LH-2和LH-3煤樣破壞微震信號去除干擾頻帶后波形如圖7所示，由圖可知LH-2在1 s內(nèi)連續(xù)發(fā)生2次能量基本一致的連續(xù)性失穩(wěn)破壞。LH-3煤樣失穩(wěn)時僅產(chǎn)生1次大能量破裂信號，隨即進入殘余階段。

圖7 去除1～3頻帶重構(gòu)信號波形Fig.7 Reconstructed signal waveform removing 1～3 bands

綜上，軸壓增加時煤樣承受軸向壓力逐漸增加，在此階段信號頻率主要為50，250 Hz 2個頻帶，圍壓卸除階段還存在125，700 Hz頻帶2個頻帶有明顯區(qū)別，此外整個加壓階段頻率成分基本保持不變。卸載期間的煤樣破裂信號范圍在500～2 000 Hz之間，破壞時成分復雜跳變多，破壞時信號幅值最大約2 800 mV，卸圍壓過程中最大幅值約為240 mV，以LH-3為例破壞時軸壓由60 kN驟降至36.32 kN，圍壓由2.246 MPa增至3.269 MPa。

3.3 微震響應(yīng)事件特征

將信號經(jīng)過上述處理后對試驗過程中微震事件(以每次煤樣破裂釋放微震信號為1個事件)進行統(tǒng)計，即每分鐘煤樣破裂信號釋放的次數(shù)，煤樣破壞前微震事件極少，煤樣破壞后小破裂會間斷性發(fā)生并持續(xù)至結(jié)束。其中，LH-2事件總數(shù)為176，破壞時事件數(shù)為76，破壞后事件數(shù)為92，分別占比43%，52%；LH-3事件總數(shù)為184，破壞事件數(shù)為66，破壞后事件數(shù)為114，分別占比36%，62%。

煤樣破壞前后15 s左右的事件分布及各事件相應(yīng)的幅值如圖8所示，破壞時信號幅值最大，且煤樣破裂事件最多。煤樣LH-2破壞時每秒事件頻數(shù)為14，破壞前1 s事件數(shù)7次，破壞后1 s 6次，LH-3破壞時事件數(shù)為15次，破壞前1 s 4次、破壞后6次?？梢娖茐那岸虝r間內(nèi)會有微震事件發(fā)生，而試驗初期基本無微震信號，破裂前連續(xù)數(shù)秒有微震事件。

圖8 LH-2破壞前后微震事件統(tǒng)計Fig.8 Statistics of micro-seismic events before and after LH-2 failure

將微震信號事件與應(yīng)力變化曲線關(guān)聯(lián)情況如圖9所示，加載初期甚至整個軸壓增加過程中煤樣處于內(nèi)部裂隙被壓密階段，無新裂隙產(chǎn)生基本無微震事件。開始卸圍壓時煤樣由于圍壓降低煤體內(nèi)部裂隙不斷孕育、擴展，事件數(shù)增加直至煤樣破壞時圍壓突然增加，軸壓驟然下降，隨后載荷曲線緩慢下降；煤樣破壞前積聚大量能量，破壞瞬間釋放，因此煤樣破壞微震信號能量最大、持續(xù)時間最長、事件頻次最大，煤樣破壞后微震事件頻次開始逐漸衰減，殘余階段事件能量和頻次均低于煤樣破壞時。

圖9 LH-2軸壓、圍壓變化及事件分布Fig.9 Variation of axial pressure and confining pressure and event distribution of LH-2

4 結(jié)論

1)干擾主要為1～3頻帶。低頻段與煤樣破壞頻帶范圍不重疊，基本不會對煤樣破壞信號產(chǎn)生干擾，700 Hz附近存在干擾頻帶與煤樣破裂信號頻帶重疊，1 000 Hz以上基本不存在信號干擾。

2)內(nèi)部裂紋擴展信號除干擾外，信號主頻為700 Hz。前期煤樣內(nèi)部裂紋擴展緩慢，事件產(chǎn)生頻次低；煤樣破壞信號不穩(wěn)定、信號跳變多，跳變信號產(chǎn)生頻次高，各頻帶無持續(xù)性信號，信號頻率成分無明顯分帶，信號主頻為800 Hz。

3)煤樣破壞微震信號能量最大，信號成分復雜。煤樣破壞前積聚大量能量，破壞時瞬間釋放，破壞時信號幅值最大約2 800 mV，卸圍壓過程中最大幅值約為240 mV。破壞過程中煤體不同部位間，產(chǎn)生摩擦、揉搓，故煤樣破壞時信號頻率成分復雜。

4)煤樣破壞時頻次最高。LH-2事件總數(shù)為176，破壞時事件數(shù)為76，破壞后事件數(shù)為92，分別占總事件比例43%，52%；LH-3事件總數(shù)為184，破壞事件數(shù)和破壞后事件數(shù)分別占比36%，62%。