基于小波分析的冲击地压微震前兆信号研究.pdf

工矿自动化 Ind ustr ya nd MineAuto ma tio n 第45卷第9期 2019年9月 Vo l . 45 No . 9 Sep.2019 文章编号1671-251X201909-0070-05 DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018110067 基于小波分析的冲击地压微震前兆信号研究 王欣欣，于师建 山东科技大学矿业与安全工程学院％山东青岛266590 扫码移动阅读 摘要采集某煤矿1300工作面冲击地压发生前后的微震信号，进行时序特征分析，并采用d b 5作为小波 基函数对微震信号进行5层分解，得到各层子频带的频谱特征和能量百分比％分析结果表明冲击地压发生 前，微震次数和能量呈现先增加后减少再增加的趋势；冲击地压发生前1 h出现了前兆信号，能量主要分布 在62. 5〜250 Hz的中高频段，能量百分比达到55 ；冲击地压发生时，波形起伏明显，振幅明显增大，低频 信号占主要成分，能量主要集中在0〜62.5 Hz的低频段，且占总能量的70左右。得出冲击地压前兆振 幅增加，微震主频明显降低，频带由高频向低频发展，且前震发生的时间越靠近主震，低频信号越多，低频信 号所占的能量百分比也越大％因此，可将微震主频急剧降低、振幅明显升高、低频信号能量百分比增加作为 冲击地压前兆的主要特征，结合每日微震次数和能量变化趋势进行冲击地压预测。 关键词冲击地压；微震；前兆信号；小波分析；频谱特征；能量百分比 中图分类号TD324 文献标志码A Resea r c h o n pr ec ur so r y sig na l s o f mic r o seism o f r o c k b ur st b a sed o n wa vel et a na l ysis WANG Xinxin, YU Sh ijia n Co l l eg e o f Mining a nd Sa fety Eng ineer ing , Sh a nd o ng Univer sity o f Sc ienc e a nd Tec h no l o g y, Qing d a o 266590, Ch ina Abstract Th e mic r o seism sig na l s b efo r e a nd a fter r o c k b ur st o n 1300 wo r king fa c e o f a c o a l mine wer e c o l l ec ted , a nd sequentia l c h a r a c ter istic s wer e a na l yzed . Th e d b 5 is used a s wa vel et b a sis func tio n to d ec o mpo se mic r o seism sig na l s in,o five l a yer s, a nd ,h e spec ,r a l c h a r a c ,er is,ic s a nd ener g y per c en,a g e o f ea c h sub -fr equenc y b a nd a r e o b ta ined . Th e a na l ysis r esul ts sh o w th a t b efo r e r o c k b ur st, th e numb er a nd ener g y o f mic r o seism inc r ea se fir st a nd th en d ec r ea se a nd th en inc r ea se; pr ec ur so r sig na l a ppea r ed o ne h o ur b efo r e r o c k b ur st o c c ur r ed , th e ener g y is ma inl y d istr ib uted in th e mid d l e a nd h ig h fr equenc y r eg io n o f 62.5-250 Hz, a nd th e ener g y per c enta g e r ea c h es 55 ; wh en th e r o c k b ur st o c c ur s, th e a mpl itud e inc r ea ses sig nific a ntl y, with o b vio us vib r a tio n fl uc tua tio ns, l o w fr equenc y sig na l s a r e th e ma in c o mpo nent, a nd th e ener g y is ma inl y c o nc entr a ted in th e l o w fr equenc y r a ng e o f 0-62. 5 Hz, a nd a c c o unts fo r a b o ut 70 o f th e to ta l ener g y. Pr ec ur so r y o f r o c k b ur st is o b ta ined th e a mpl itud e inc r ea ses, th e fr equenc y o f th e mic r o seism is sig nific a ntl y r ed uc ed , th e fr equenc y b a nd d evel o ps fr o m h ig h fr equenc y to l o w fr equenc y, a nd l o w fr equenc y sig na l inc r ea ses a s th e time o f fo r esh o c k o c c ur s c l o ser to th e ma in sh o c k, th e per c enta g e o f ener g y o c c upied b y th e l o w fr equenc y sig na l a l so inc r ea ses. Th er efo r e, sh a r p r ed uc tio n o f ma in fr equenc y o f th e mic r o seismic , o b vio us inc r ea se o f a mpl itud e a nd inc r ea se o f ener g y per c enta g e o f l o w- fr equenc y sig na l s c a n b e used a s th e ma in fea tur e o f pr ec ur so r y o f r o c k b ur st, c o mb ined with d a il y mic r o seismic timesa nd ener g ytr end s,r o c kb ur s tc a nb epr ed ic ted . 收稿日期收稿日期2018-11-29;修回日期修回日期2019-08-16;责任编辑责任编辑胡娴。 基金项目基金项目山东省自然科学基金项目ZR2011DM014 作者简介作者简介王欣欣1993-女，山东聊城人，硕士研究生，研究方向为冲击地压微震信号,E-ma il1037291451qq. c o m。 引用格式引用格式王欣欣，于师建.基于小波分析的冲击地压微震前兆信号研究*工矿自动化，2019,4597074. WANG Xinxin, YU Sh ijia n. Res ea r c h o n pr ec ur so r y sig na l s o f mic r o seis m o f r o c k b ur s t b a sed o n wa vel et a na l ysis]. Ind us tr y a nd Mine Auto ma tio n ,2019,459 70-74. 2019年第9期王欣欣等基于小波分析的冲击地压微震前兆信号研究・71・ Key wordsr o c k b ur st; mic r o seism;pr ec ur so r y sig na l ; wa vel et a na l ysis;spec tr a l c h a r a c ter istic ; ener g yper c enta g e 0引言 目前，随着浅部煤炭资源的枯竭，煤炭资源开采 逐渐向深部转移，伴随而来的冲击地压问题也愈发 严重’由于冲击地压发生的频率小、能量高、破坏范 围大,对矿山开采造成了极大危害，如何有效预测冲 击地压显得尤为重要。常用的冲击地压监测方法有 地音监测、电磁辐射监测、微震监测等，其中微震监 测方法应用最为广泛「T。相关研究表明，当煤岩体 发生连续多次断裂时会引起突出或冲击地压等动力 灾害，而微震信号是煤岩体破裂的前兆信息。因此， 通过监测并分析微震信号，可以在一定程度上预测 冲击地压的发生。微震监测技术是利用微震监测仪 器探测岩体发生破裂时的地震波强度，通过分析微 震波形、能量等实现对矿山岩体活动的实时有效监 测，从而对煤岩动力灾害起到预警预报作用。 目前，常用的微震信号时频分析技术有傅里叶 变换、小波分析、希尔伯特变换等“5*。陆菜平等 采用快速傅里叶变换对顶板和煤层卸压爆破微震信 号进行分析，发现2种信号在幅频特性、功率谱密度 和能量耗散方面完全不同，据此可识别不同的微震 信号。然而，由于微震信号是一种非平稳时变信号， 而傅里叶变换只能在频域分析信号特点，不能获得 频率所对应的时间，所以存在一定局限性。小波分 析克服了傅里叶变换的缺点，能够同时从时域和频 域揭示时间序列的局部特性，非常适合于微震信号 分析［811］。鉴此，本文以山东省鄆城煤矿为背景，采 集矿井微震监测数据，探讨微震信号的时序特点，并 利用Ma tl a b软件进行小波分析，计算各层小波所占 能量 分 ， 研究 地压 生 号 变化，提取前兆信号特征，从而预测冲击地压灾害。 1工程背景 1. 1 工作面概况 1300工作面是鄆城煤矿首采工作面，埋深为 859〜887 m,走向长度为1 255 m,倾向长度为 100 m,煤层倾角为3〜6。。1300工作面位于一采区 西部，西部为八里庄断层和八里庄支四断层，东部为 1300工作面泄水巷，北部为一采轨道巷，南部为八 里庄支四断层。根据物理力学性能试验及冲击倾向 性报告，3号煤层具有弱冲击倾向性，所以该煤矿有 发生冲击危害的可能性12*。 1. 2 微震系统监测方案 矿井采用ARAMIS M/E微震监测系统，通过 井下安设的多台拾震器对全矿范围的微震事件进行 实时监测，自动记录微震活动，并进行震源定位和微 震能量计算，为评价全矿范围内的冲击地压危险提 供依据。根据现场实际情况，结合相应的定位算法, 将拾震器间距布置为500〜800 m,以确保监测精 度。每个工作面巷道安装10个测站，并随着工作面 推进及时拆卸前移，使测站尽可能接近待测区域，保 证监测距离不小于200 m。 2 小波变换能够将信号分解成不同频率范围的分 量，信号在不同频率尺度上的分布情况可以通过不 同分解尺度上信号的能量体现出来。为了说明各重 构子频带能量与原信号能量的关系，对小波分解后 各子频带的能量分布进行研究。 设信号的离散序列为f.n,利用小波变换对其 进行J尺度的分解与重构，得到J 1个频率区间 分量， fn Afn DTfn Dj-ifn Dfn 1 式中Aj为低频部分小波分解系数;Dj为高频部分 小波分解系数,j 1,2,4,J。 号 能量 情况 ， N UA * LAjf.nJ n 1 2 N ⑵ 庇* LD,f.nJ n 1 式中UA为信号在分解尺度J上的低频信号分量的 能量;ud为信号在分解尺度j上的高频信号分量的 能量。 信号的总能量为 J u ua *ub 3 j 1 分解 各个尺 对 是 号中 同 率 范围内的分量，设PA,PB分别表示低频信号和高频 信号的小波能量百分比，则 X O O I X O O I X X 号一 E ・72・工矿自动化2019年第45卷 3冲击地压微震分析 3. 1 微震能量频次演化特点 对2015年6月22日7月23日1300工作面 回采过程中发生的微震次数和能量变化进行统计, 如图1所示，其中7月7日和8日均有冲击地压 发生。 30 r n 18 25 20 、10 0 _T屮■ P屮■ P ---------- 0 06-22 06-28 07-04 07-10 07-16 07-22 07-28 日期（月-日） 图1 1300工作面每日微震次数和能量分布 Fig . 1 Da il y mic r o seism fr equenc y a nd ener g y d istr ib utio n o f 1300 wo r king fa c e 从图1可见，在监测时间内，每日微震次数和能 量变化趋势一致，冲击地压发生前,微震次数和能量 呈现先增加后减少再增加的趋势。6月29日前，每 日微震次数大部分在10次上下浮动，能量较低，大 多在1 kJ以下；6月29日7月1日，微震次数和 能量成倍增加；7月2日一4日，微震次数和能量分 别以几倍和几十倍的幅度下降，这一时期称为“缺震 期1主要为后续冲击地压发生积蓄能量；冲击地压 发生前2d（即7月5日和6日），能量和微震次数再 次同时大幅增加。因此，当震动能量和频次再次增 加时，有发生冲击危险的可能性，应当引起注意。 3.2 微震信号小波分析 仅根据能量、频次分析来预测冲击地压难以满 足实际工程需要，因此，本文从微震信号频谱特征方 面加以探究。以7月7日2时54分发生的冲击地 压为例，利用S2拾振器对采集到的数据进行小波分 析，得出时频分布图。采样频率Ps为1 000 Hz,根 据采样定理，其奈奎斯特频率为500 Hz。采用d b 5 小波基进行5层分解，得到6个子频带a5 ,d5 d i。 其中a5为低频部分，频率范围为）0,1 * ; d5一d i 为高频部分，频率范围为， *， 5,4，，1。 计算可得a5 ,d5 d的频率范围分别为0〜15. 625, 15.625 〜31. 25,31. 25 〜62. 5,62. 5 〜125,125 〜 250,250〜500 Hz。每个子频带上仍是振幅关于时 间 号。 为了清楚地了解冲击地压发生前的状况，对冲 击地压来N刖2 h左右和1 h左右的情况进行分 析o图2为冲击地压发生前2 h左右（7日0时56 分56秒）的分解图，图3为冲击地压发生前1 h左 右（7日1时51分9秒）的分解图。 （a）微震信号波形 （c）第1层高频（d i）重构 U.UZr 曇山 tz二二 0 200 400 600 时间/s e第3层高频d3重构 （g）第5层咼频（d 5）重构 O 200 400 600 时间/s 5层低频“5）重构 （d）第2层高频（d 2）重构 第4层咼频（d Q重构 O 图2 2015-07-07T005654微震信号小波分解 Fig . 2 Wa vel et d ec o mpo sitio n o f mic r o seism a t 2015-07-07T005654 0.01 r . 曙 u「■■釉叶刚呷”甲卩啊1网・耶 _0,010 200 400 600 时间/s “）微震信号波形 0 200 400 600 时间/s b 第5层低频a 5重构 0.01 S 0 靑-0.01 0 200 400 600 时间/s c 第1层高频d i重构 0.05 1 0 再-0.05 ig 0 200 400 600 时间/s （e）第3层高频（d 3）重构 0.05 f 0 黑-0.05 0 200 400 600 时间/s d 第2层高频d2重构 nH 0.02 r 010 200 400 600 时间/s g 第5层高频d 5重构 0.01 200 400 600 时间/s （f）第4层高频（d 4）重构 图3 2015-07-07T015109微震信号小波分解 Fig .3 W/vel etd ec o mpo sitio no fmic r o seism/t 2015-07-07T015109 从图2可看出，冲击地压发生前2 h ,低频系数 几乎为0,说明低频信号成分很少，信号主频率集中 在250〜500 Hz（d Q频率段，主要为噪声信号。因 此，可以把图2所示的波形视为噪声信号，其不具有 冲击地压前兆微震信号的特点。 图 3 看出 ， 地压 生 1h， 形 震动起伏开始明显，振幅增加；从小波分解频率上 看，d具有明显的噪声信号特征，且低频信号增多, 2019年第9期王欣欣等基于小波分析的冲击地压微震前兆信号研究・73・ 频率主要集中在125〜250 Hzd2 频率段。与图2 相比，主频率有所降低，说明在冲击地压发生前1 h 已经开始呈现冲击地压前兆，可将这一时刻的微震 信号视为冲击地压前兆信号。 比较图2和图3可看出，越靠近冲击地压发生 ， 低 成分 ， 地压 生 1h 动 中低频成分比前2h明显增多。因此，当震动信号 中低频成分持续增加、高频成分递减时，可以判断发 生高能量震动的危险性随之增大。 图4为冲击地压发生时的小波分解图。从图4 看出 ， 地压 生 出 现 低 号， 始信号波形起伏明显，振幅远大于冲击地压发生前; 信号频率主要集中在31. 25〜62. 5 Hzd 和 15. 625〜31. 25 Hzd5o 200 400 600 时间/s a 号 形 ig 0 200 400 600 时间/s b第5层低频5重构 0,50 200 400 600 时间/s c 第1层高频d i重构 0.5 _50 200 400 600 时间/s d 第2层高频d 2重构 0.5 0 200 400 600 0.5 -0.5 时间/s e第3层高频d 3重构 ig 0.5 _0,50 200 400 600 时间/s f第4层高频d 4重构 图4 2015-07-07T025459微震信号小波分解 ，50 200 400 600 时间/s g 第5层高频d 5重构 0.5 Fig 4 Wa vel et d ec o mpo sitio n o f mic r o seism a t 2015-07-07T025459 3. 3微震信号能量百分比分析 为了进一步分析冲击地压前兆信号特点，对小 波分解后各子频带之间的能量分布状态进行研究, 求取各子频带分量所占的能量百分比。 冲击地压前兆信号7日1时51分9秒各子 频带的能量分布如图5a 所示。可以明显看出， d1 ，d2 d3 能量 能量 95 ， 他 频带能量较少；d具有明显的噪声信号特征，d 2和 d的能量和占总能量的55左右，说明微震前兆信 号的主频率集中在62. 5〜250 Hz的中高频段。 地压 生 号各 带 能量分 如图5b 所示。可以看出，微震信号的能量主要集 中在子频带d 4和d5上，d 4和d s的能量和占总能量 60 ， 中 d5 能量 大， 40 此时的波形具有瞬态冲击特点，而其他子频带的能 量分布较均匀且相对较小，冲击性较弱。这在前震 和其他震动中都很少见。 o o o o o O 5 4 3 2 1 、蛋 0 皿 * 温 a5 带 d4 频 d2 a 号 o o o o o O 5 4 3 2 1 、蛋 0 皿 * 需 带 4 d 步 a5 b冲击地压发生时的微震信号 图5微震信号各子频带能量分布 Fig . 5 Ener g y d istr ib utio n o f ea c h fr equenc y b a nd o f th e mic r o seism sig na l 4结论 1 工作面每日微震次数和能量变化趋势相一 致，冲击地压发生前，微震次数和能量呈现先增加后 减少再增加的趋势，当再次增加时，有引发冲击地压 的可能性。 2 冲击地压发生前1 h出现了明显的前兆信 号，此时波形振幅增大，频谱分布向低频段发展，能 量主要分布在62. 5〜250 Hz的中高频段，占总能量 的55左右。冲击地压发生时，波形起伏明显，振 幅明显增大,低频信号占主要成分，能量主要集中在 0〜62. 5 Hz的低频段，占总能量的70左右。 3 分析得出冲击地压前兆振幅增加，微震主 频明显降低，频带由高频向低频发展,且前震发生的 时间越靠近主震,低频信号越多，低频信号所占的能 量百分比也越大。因此，可将微震主频急剧降低、振 幅明显升高、低频信号能量百分比增加作为冲击地 压前兆的主要特征，结合每日微震次数和能量变化 趋势进行冲击地压预测。 参考文献References 1 *姜福兴，王存文，杨淑华，等.冲击地压及煤与瓦斯突 出和透水的微震监测技术［J*.煤炭科学技术，2007, 35126-28. 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