陳付德，王承來，夏 輝，田佳豪，張愛華，張明偉，田壯才

（1.中煤新集能源股份有限公司新集二礦，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過觀測(cè)微小地震事件來分析地下工程異常現(xiàn)象的地球物理技術(shù)，其基礎(chǔ)是聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué)。微震信號(hào)的時(shí)域變化主要指信號(hào)在時(shí)間軸上的變化過程，這是描述微震信號(hào)變化最基本、最直觀的表達(dá)形式。時(shí)域是唯一一個(gè)實(shí)際存在的域，信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律就是時(shí)域特性，信號(hào)的時(shí)域特征包括信號(hào)的幅度、持時(shí)等。在時(shí)域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算、相關(guān)性分析等處理，統(tǒng)稱為信號(hào)的時(shí)域分析。對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，有時(shí)一些信號(hào)的時(shí)域參數(shù)相同，但并不能說明信號(hào)就完全相同。因?yàn)樾盘?hào)不僅隨時(shí)間變化，還與頻率信息有關(guān)。普遍認(rèn)為微震信號(hào)的頻率較高，一般在100～500 Hz，持續(xù)時(shí)間小于1 s。微震信號(hào)具有能量弱、信噪比低、頻率高及持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。煤巖變形破壞是內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展、匯聚的動(dòng)態(tài)演化過程，利用微震設(shè)備監(jiān)測(cè)裂紋發(fā)育所釋放的彈性能在煤巖介質(zhì)中傳播的應(yīng)力波振幅、頻率等特征，可間接反映其內(nèi)部裂紋演化規(guī)律。深入研究微震信號(hào)時(shí)域特征與裂紋表征參量間的力學(xué)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，對(duì)提高基于微震監(jiān)測(cè)方法的沖擊地壓預(yù)警準(zhǔn)確性具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

1 試驗(yàn)和結(jié)果

本試驗(yàn)所用設(shè)備及材料包括采集分站、單軸傳感器、礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、防爆箱、礦用隔爆兼本安型電源、礦用絕緣鋼絲聚氯乙烯通信電纜、礦用阻燃通信光纜等。采集分站一端通過電纜與2 個(gè)傳感器相連，另一端用網(wǎng)絡(luò)線纜連接。在新集二礦230106 工作面機(jī)巷安裝2 個(gè)傳感器，分別采用錨桿安裝一個(gè)單分量傳感器和利用鉆孔埋設(shè)一個(gè)單分量傳感器，兩傳感器相距3 m。錨桿安裝具體為通過專用連接件將微震傳感器擰在常規(guī)錨桿上，與錨桿進(jìn)行剛性耦合，使錨桿成為傳感器一部分。鉆孔埋設(shè)為鉆孔深度8 m，將微震傳感器導(dǎo)入到鉆孔底端，并向孔內(nèi)注入水泥漿液，直至微震傳感器與鉆孔巖體完全黏連固結(jié)。

試驗(yàn)持續(xù)一周時(shí)間，共采集到553 個(gè)微震事件。從原始微震數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取一個(gè)微震信號(hào)（圖1），可以發(fā)現(xiàn)通道1 錨桿安裝的傳感器獲取信號(hào)的幅值更大、信號(hào)更強(qiáng)。

圖1 4 月27 日3 時(shí)18 分17 秒微震事件的波形分離圖Fig.1 Waveform separation diagram of microseismic event at 3:18:17 on April 27th

2 討 論

由于微震信號(hào)是時(shí)間函數(shù)，通常在時(shí)間域里描述該信號(hào)隨時(shí)間變化的性質(zhì)，下文從微震信號(hào)幅值、持時(shí)和特征值等3 個(gè)方面，對(duì)比分析兩組微震信號(hào)時(shí)頻參數(shù)特征，分析信號(hào)質(zhì)量。

2.1 微震信號(hào)幅值

圖2 為2023 年4 月27 日0 時(shí)44 分51 秒微震事件信號(hào)。通道1 為采用錨桿耦合安裝的傳感器捕獲的微震信號(hào)，幅值在-6.5～6.5 mV 波動(dòng)，通道2為采用鉆孔耦合安裝的傳感器捕獲的微震信號(hào)，幅值在-2.5～2 mV 波動(dòng)，通道1 信號(hào)最大幅值明顯大于通道2。

圖2 0427004451 微震波形圖Fig.2 Microseismic waveform of 0427004451

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向和振動(dòng)傳播方向之間的關(guān)系，礦山微震信號(hào)中主要分為縱波（P 波） 和橫波（S 波）。P 波具有傳播速度快、振幅小、周期短等特點(diǎn)，S 波傳播速度次于P 波，周期較長(zhǎng)，振幅較大。每幅圖中通道1 信號(hào)最大幅值顯著大于通道2，且通道1 微震信號(hào)段起振較明顯，采用錨桿耦合安裝的傳感器采集到的信號(hào)P 波和S 波成分更為豐富和清晰，利于特征提取。為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具普遍性，將7 d 內(nèi)捕獲的553 個(gè)微震事件最大幅值進(jìn)行對(duì)比，如圖3 所示。微震事件與傳感器之間的距離對(duì)接收信號(hào)的強(qiáng)弱有影響，由于兩傳感器安裝距離較近，可認(rèn)為同一微震事件與兩傳感器的距離無(wú)差異。由圖可知，同一微震事件被通道1 捕獲信號(hào)的最大幅值均大于通道2 中信號(hào)的最大幅值（圖3）。經(jīng)計(jì)算，通道1 中所有微震事件的最大幅值平均為10.15 mV，通道2 為3.55 mV，通道1 最大幅值平均約為通道2 的2.86 倍，可見采用鉆孔耦合安裝方式會(huì)造成微震信號(hào)能量損失（圖3）。而采用錨桿耦合安裝方式可更好的保留原始信號(hào)有效特征，所捕獲的微震數(shù)據(jù)幅值大，波形特征明顯，對(duì)微震信號(hào)識(shí)別和分析有利。

圖3 兩通道所有微震事件最大幅值對(duì)比Fig.3 Comparison of maximum amplitudes of all microseismic events in two channels

2.2 微震信號(hào)持時(shí)

微震有效信號(hào)持續(xù)時(shí)間（持時(shí)） 是微震監(jiān)測(cè)中一個(gè)重要指標(biāo)。微震有效信號(hào)的持時(shí)以P 波初至作為起始點(diǎn)，以P 波和S 波衰減結(jié)束作為終止點(diǎn)。微震傳感器采用不同方式安裝，其耦合效果會(huì)影響所采集微震有效信號(hào)的持時(shí)長(zhǎng)度，耦合效果不理想可能會(huì)漏掉信號(hào)段中的有效成分，導(dǎo)致微震信號(hào)的持時(shí)較短。因此，針對(duì)所采集到的微震信號(hào)中有效信號(hào)長(zhǎng)度進(jìn)行分析，用以對(duì)比兩種傳感器耦合安裝方式的優(yōu)劣。

選擇2 個(gè)微震事件進(jìn)行分析，兩微震事件的采集時(shí)間分別為4 月28 日8 時(shí)12 分27 秒和4 月29日2 時(shí)2 分1 秒，如圖4 所示。圖中同一微震事件兩通道有效信號(hào)的起跳位置基本一致，但通道1 結(jié)束點(diǎn)位置滯后于通道2，說明通道1 有效信號(hào)持時(shí)較長(zhǎng)。微震有效信號(hào)長(zhǎng)度不僅與傳感器耦合方式有關(guān)，還受煤巖體物理性質(zhì)影響。微震信號(hào)在煤巖體中傳播時(shí)，會(huì)吸收部分能量，造成能量衰減，有效信號(hào)長(zhǎng)度會(huì)有一定的縮短。但兩傳感器安裝位置較近，煤巖體的物理性質(zhì)基本無(wú)差異。因此，本試驗(yàn)微震有效信號(hào)長(zhǎng)度主要受傳感器耦合方式影響。有效信號(hào)長(zhǎng)度反映兩種傳感器耦合安裝方式的優(yōu)劣，經(jīng)分析可知，采用錨桿安裝傳感器捕獲微震信號(hào)有效長(zhǎng)度大于采用鉆孔安裝的傳感器，且捕獲信號(hào)有效成分更多，更利于數(shù)據(jù)處理及分析。

圖4 4 月28 日8 時(shí)12 分27 秒微震波形圖Fig.4 Microseismic waveform of 8:12:27 seconds on April 28

由于微震信號(hào)能量值主要由有效信號(hào)段提供，為方便計(jì)算信號(hào)持時(shí)長(zhǎng)度，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition, EMD） 算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，同時(shí)，EMD 算法可將非平穩(wěn)非線性信號(hào)從不同尺度的波動(dòng)或趨勢(shì)分解成由高頻到低頻的數(shù)據(jù)序列，即若干IMF 分量和一個(gè)疊加殘差項(xiàng)，且可保留信號(hào)有效成分。圖5 為某一微震波形的分解效果圖，第1 個(gè)IMF 分量中高頻噪聲成分較多，而第2 個(gè)IMF 分量噪聲含量少，且較好保留了有效信號(hào)段。因此，選擇每個(gè)微震信號(hào)經(jīng)EMD 分解后的第2 個(gè)IMF 分量作為研究對(duì)象，并在該分量中以能量貢獻(xiàn)率為5%的采樣點(diǎn)為起點(diǎn)，以90%為終點(diǎn)選取有效信號(hào)長(zhǎng)度，計(jì)算所有微震事件的有效信號(hào)持時(shí)，如圖6 所示。圖中通道1 有效信號(hào)段持時(shí)分布在10 ～50 ms，通道2 有效信號(hào)段長(zhǎng)度持時(shí)分布在0 ～20 ms，通道1 有效信號(hào)段長(zhǎng)度平均為26.52 ms，通道2 為6.01 ms，通道1有效信號(hào)段長(zhǎng)度平均約為通道2 的4.41 倍（圖6）。

圖5 信號(hào)波形EMD算法分解圖Fig.5 Decomposition diagram of EMD algorithm for signal waveform

圖6 兩通道所有微震事件持時(shí)對(duì)比Fig.6 Comparison of the duration of all microseismic events in two channels

2.3 微震信號(hào)特征值

時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征可分為有量綱統(tǒng)計(jì)量和無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)量，有量綱統(tǒng)計(jì)量的數(shù)值大小會(huì)隨外界參量量綱的變換而變化，而無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)量不易受外界因素干擾，通常對(duì)振動(dòng)信號(hào)較為敏感。因此，本次試驗(yàn)選擇信號(hào)峰值、均方根值、峭度、偏度、裕度因子和脈沖因子等無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)量作為震源參數(shù)。信號(hào)的峰值反映信號(hào)能量大小，均方根值反映振動(dòng)信號(hào)的能量強(qiáng)度和穩(wěn)定性，峭度、偏度、裕度因子和脈沖因子可反映微震監(jiān)測(cè)信號(hào)是否有顯著振動(dòng)特點(diǎn)。從每日的微震信號(hào)中隨意選取1～2 數(shù)據(jù)，共選10 組微震信號(hào)。將所選用的10 組微震信號(hào)進(jìn)行波形特征提取，為使結(jié)果更直觀，將各特征值在柱狀圖中顯示，并依次對(duì)10 組微震信號(hào)進(jìn)行1～10 編號(hào)，如圖7 所示。

圖7 信號(hào)特征分布柱狀圖Fig.7 Distribution histogram of signal feature

圖7（a）、圖7（b）、圖7（e）、圖7（f）顯示，通道1 信號(hào)特征值（峰值、均方根值、裕度因子和脈沖因子） 基本均大于通道2，表示同一微震信號(hào)被兩個(gè)傳感器所捕獲，但通道1 信號(hào)極端變化程度以及能量強(qiáng)度較高，錨桿安裝方式捕獲信號(hào)能力更強(qiáng)。圖7（c） 中除事件5 外，其他事件中通道1 和通道2 的信號(hào)峭度相當(dāng)，表示兩種安裝方式均能捕獲到信號(hào)中的振動(dòng)成分。圖7（d） 中偏度與峭度有一定關(guān)聯(lián)，用于度量數(shù)據(jù)分布的偏斜方向和程度，由于捕捉的微震信號(hào)在一定的時(shí)窗內(nèi)可能分布在不同位置，所以偏度數(shù)值分布不一。從各特征值分布整體分析，通道1 中信號(hào)振動(dòng)特性表現(xiàn)更為顯著，可為微震信號(hào)識(shí)別提供更多依據(jù)。

3 結(jié) 論

在新集二礦230106 工作面機(jī)巷使用2 種方式安裝微震傳感器進(jìn)行為期一周的微震試驗(yàn)，共采集到553 個(gè)微震事件，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論。

（1） 通過對(duì)比不同安裝方式傳感器接收到的微震信號(hào)的最大幅值，以評(píng)估微震信號(hào)的質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，使用錨桿方式安裝的傳感器接收到的微震信號(hào)最大幅值均顯著大于使用鉆孔方式安裝的傳感器，最大幅值平均約為鉆孔方式安裝傳感器的2.86倍。對(duì)于微震信號(hào)的分析和識(shí)別，幅值越大的數(shù)據(jù)更有利。使用鉆孔安裝方式的傳感器在接收信號(hào)時(shí)存在一定的損失，不利于微震事件識(shí)別。

（2） 通過對(duì)傳感器所采集信號(hào)的有效信號(hào)段持時(shí)進(jìn)行對(duì)比，以分析比較兩種傳感器耦合安裝方式所獲取信號(hào)的質(zhì)量。如果耦合效果較差，采集信號(hào)時(shí)可能漏掉一些有效信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)持時(shí)長(zhǎng)度較短。結(jié)果顯示，錨桿方式安裝的傳感器接受的有效信號(hào)持時(shí)長(zhǎng)度均大于鉆孔方式安裝的傳感器，有效信號(hào)段長(zhǎng)度平均約為鉆孔方式安裝傳感器的4.41倍，表明錨桿與傳感器耦合效果要優(yōu)于鉆孔與傳感器耦合，更有利于數(shù)據(jù)處理和分析。

（3） 通過提取傳感器捕獲微震信號(hào)的波形特征，進(jìn)行特征值比較。結(jié)果顯示，使用錨桿安裝傳感器捕獲信號(hào)的峰值、均方根值、裕度因子和脈沖因子均大于鉆孔安裝的傳感器，表明使用錨桿安裝的傳感器捕獲信號(hào)極端變化程度以及能量強(qiáng)度更高，可以提供更多微震信號(hào)識(shí)別的依據(jù)。因此，錨桿安裝方式捕獲信號(hào)的能力更強(qiáng)，錨桿式安裝優(yōu)于鉆孔式安裝。