煤层水力压裂声发射监测信号特征分析.pdf

第 4 1卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 1 NO． 8 Au g ． 2 0 1 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 0 3 8 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 1 0 李保林 ， 王恩元， 李楠 ， 等． 煤层水力压裂声发射监测信号特征分析[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 3 8 4 2 ． 煤层水力压裂声发射监测信号特征分析 李保林 ， 王恩元 ， 李楠。 ， 高勤琼 ， 周明 1 ． 中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 3 ． 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 4 ． 兖矿集团有限公司，山东 济宁 2 7 2 1 0 0 摘要 为促进 声发射监测技术在煤层水力压裂效果评价 中的应用 ， 利用煤岩动力灾害声电监测仪对煤层 水 力压裂 过程进 行 了实时监测 ， 并 采用傅 里 叶 变换 和 小 波 包分析 对 采集 的 声发 射 信 号特 征 进行 了分 析 。现 场试验结果表明 煤层水力压裂声发射监测有效信号主频在 4 7 0 1 7 0 0 Hz 之 间， 低 于井下噪声干扰信号主 频 ； 煤层 水力压 裂 声发 射监 测有 效信 号 能量分 布主要 集 中在 O -- 5 0 0 0 Hz 频 带 ， 能量 分布 百分 比 为 8 6 ． 5 ％～ 9 5 ． 4 ， 且有效信号的能量分布主要集中在 3 1 2 ． 5 ～6 2 5 ， 6 2 5 ～9 3 7 ． 5 ， 9 3 7 ． 5 ～1 2 5 0 ， 1 8 7 5 ～2 1 8 7 ． 5 Hz 等 较低 频 带。 关键 词 水力压 裂 ；声发 射 ；小波 包分析 ； 频谱 分析 中 图分 类号 TD 7 1 3 ． 3 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 2 9 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i 1 ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 2 9 ． 0 1 0 ． h t ml Ch a r a c t e r i s t i c a na l y s i s o f a c o u s t i c e mi s s i o n mo n i t o r i ng s i gn a l i n c o a l s e a m hy d r a ul i c f r a c t ur i ng LI B a o l i n 一． W ANG En y u a n 一，LI Na n 。 ， GAO Qi n q i o n g 一， ZHOU Mi n g 1． Ke v La bo r a t o r y o f Ga s a n d Fi r e Co n t r ol f o r Coa l M i n e s ，Ch i na U n i v e r s i t y o f M i ni ng a n d Te c hn ol og y， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a ；2 ． S c h o o l o f S a f e t y En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a ；3 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Co a l Re s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a ；4． Ya n k u a n g Gr o u p C o． ，L t d． ，J i n i n g 2 7 2 1 0 0 ，Ch i n a Abs t r a c t I n o r de r t o Dr o mot e a pp l i c a t i o n o f a c o us t i c e mi s s i o n mon i t o r i ng t e c hno l o gy i n e f f e c t e v a l u a t i o n o f c o a l s e a m hy dr a u l i c f r a c t u r i ng，c o a l s e a m hy d r a u l i c f r a c t u r i n g pr o c e s s wa s mo ni t o r e d b y u s e o f c o a 1 a nd r o c k dy na m i c d i s a s t e r a c ou s t oe l e c t r i c mo ni t or ，a nd c ha r a c t e r i s t i c s o f a c o us t i c e mi s s i on s i g na l s c o1 1 e c t e d i n t he pr o c e s s we r e a na l y z e d t h r ou gh f o ur i e r t r a ns f or ma t i on a n d wa v e l e t pa c ke t a n a l ys i s ． The f i e l d t e s t r e s uI t s s ho w t h a t ma i n f r e q ue n c y o f e f f e c t i v e a c ous t i c e m i s s i o n s i g na l s o f c o a l s e a m hy d r a ul i c f r a c t u r i ng i s i n 4 7 0 1 7 0 0 H z， wh i c h i s l owe r t ha n ma i n f r e q ue n c y of u nd e r gr o un d no i s e i nt e r f e r e nc e s i g n a 1 ．En e r g y d i s t r i b u t i o n o f t h e e f f e c t i v e a c o u s t i c e mi s s i o n s i g n a l s o f c o a l s e a m h y d r a u l i c f r a c t u r i n g i s c onc e n t r a t e d i n 0 5 0 0 0 H z wi t h p r op o r t i o n 8 6． 5 一 9 5． 4 ，a n d t he e ne r gy d i s t r i bu t i o n o f e f f e c t i v e s i g na l s i s c on c e nt r a t e d i n l o w f r e qu e n c y b a nd s uc h a s 31 2． 5 - 6 2 5，6 25 9 3 7． 5，93 7． 5 1 2 5 0，1 8 75 2 1 87． 5 H z ． Ke v WO r d s h y d r a u l i c f r a c t u r i n g；a c o u s t i c e mi s s i o n；wa v e l e t p a c k e t a n a l y s i s ；s p e c t r u m a n a l y s i s 收稿 日期 2 0 1 5 0 2 0 9 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 6 2 3 ； 责任编辑 盛男。 基 金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 3 0 4 2 0 5 ； 中国博士后科学基金 资助项 目 2 0 1 4 T7 0 6 7 8 ； 中国矿业大 学优 秀创新 团队建设 资助项 目 2 01 4 ZYO O1 。 作 者简 介 李保林 1 9 8 9 一 ， 男 ， 山西灵丘人 ， 硕士研究 生， 研究方 向为煤岩动力灾害防治 ， E ma il b a o l i n l i 2 3 4 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 5年第 8期 李保林等 煤层水力压裂声发射监测信号特征分析 3 9 0 引言 煤 层水 力压 裂使 裂缝 沿煤层 固有 节理 和 割理扩 展延伸 ， 并 导致 原生 裂隙 和次 生裂 隙有效 贯通 ， 进 而 提高煤层渗透能力及瓦斯抽采效率 ] 。在裂缝扩展 延伸 过程 中 ， 煤 体 以弹性 波形 式 向外辐 射应 变 能 ] ， 声发 射监 测技术 利 用压裂 过程 中煤 体发 射 的弹性 波 信息 ， 对 声发射 事 件进行 震源 定位 ， 实 现对水 力压 裂 裂缝 几何 形态 、 空 间 展 布及 裂 缝 扩 展 过程 的 时空 描 述[ 3 ] ， 进 而评 价水 力压 裂效 果 。 目前 ， 声发 射监 测 技 术在 油 田水力 压裂 效果评 价 中已取 得 比较理 想 的效 果 ， 但在 煤层 水力 压裂效 果评 价 中的应 用少 有报 道 。 对 于煤层 水力 压裂 增 透 范 围 的 分析 ， 多采 用 测 定 对 比水 力压 裂前 后压 裂 孔 周 围 煤 体含 水 量 、 煤 层 透 气 性系数、 瓦斯抽采孑 L 的瓦斯浓度、 瓦斯抽采纯量等传 统方法 。 ] ， 但这些方法只能反映测试参数位置处 的 水力压裂影响情况 ， 无法从整体上反映压裂裂缝信 息 。因此 ， 将 声发 射 监测 技 术 引 入 煤 层水 力 压 裂 效 果评 价 。然 而 采 用 声 发 射 技 术 监 测 煤 层 水 力 压 裂 时， 存在井下噪声干扰信号， 正确识别 、 提取水力压 裂有效信号对监测至关重要 。鉴此 ， 笔者采用煤岩 动力灾害声电监测仪对煤层水力压裂过程进行实时 监测 ， 并对监测采集 的声发射信号特征进行深人分 析 ， 研究结果对正确识别、 提取煤层水力压裂声发射 信号进行震源定位， 进而大规模采用声发射 监测技 术评价煤层水力压裂效果具有重要理论指导意义。 1信 号特征 分析 理论 1 ． 1频 域 分 析 频域分析是以频率为 自变量描述信号在频域范 围内变化特征的方法 。其 中， 以傅里叶变换 最为常 用 ， 该理 论认 为任 何 满 足 狄利 克 雷 条 件 的 函 数都 可 以用不同频率的正弦 函数累加来表示 。因此 ， 信号 频 域分 析 的原理 是 在 时域 分 析 的 基础 上 ， 采 用 累加 或积分方 式 求 出该 信号 中不 同频 率 正 弦波 所 占 比重 。 1 ． 2 小 波 包分析 声发射信号的小波包分析以小波包的分解与重 构为基 础 ， 提取 隐含 在 声 发射 信 号 中 的特 征 分 量并 映射 到不 同频带 之 上 ， 通 过对 比分 析 不 同频 带上 的 分量作为该 信号 的特征 ， 来 描述不 同的声发 射信 号[ 9 ] 。声发射信号 的小波包分解， 实质是通 过将声 发射信号投影到小波包基上 ， 利用得到的一系列小 波 系数来 反 映声 发 射 信 号 的不 同特 征 ] 。声 发 射 信号 S 的表 达式 为 2 一 1 s 一∑f 一f 。 J 0 -厂 州 1 ⋯ f ， ￡ 1 式 中 ， 为声发 射信 号小 波包分 解到第 i 层 第 J个 节 点上 的重构 信号 i为 分 解 层 数 ； J一0 ， 1 ， ⋯ ，2 一 1 。 设 置小 波包 分 解 层 数 为 5 ， 则 第 5层 第 个 节 点 对应 的频 带能 量为 E ， ， 一l I f 5 }J I d t E I z I 。 2 式 中 乳 尼 一1 ， 2 ， ⋯， ， 为信号采样 点数 为重 构信号 厂 s ， 离散采样点的幅值 。 声发射信号 s ￡ 的总能量为 2 5 1 E 。 一∑E ． 3 J 0 各 频带 的能 量 占声发 射信 号总 能量 的百 分 比为 P5 I 一 。 4 通过对比不同声发射信号经小波包分解后在不 同频 带 内 的 能 量 分 布 百 分 比， 从 而 可 分 析 其 特 征 差异 。 2水 力压 裂声 发射 监测 现场 试验 2 ． 1监 测 地 点 概 况 水力压裂声发射监测地点位于某煤矿 的 1 4 0 2 综采 工作 面底 抽 巷 。该 工作 面倾 斜 长 度 为 1 5 0 m， 可采储量 约 6 1 ． 1 5万 t ， 工作 面 内煤层倾 角为 0 ～ 1 5 。 。现 场测定 煤层 最大 瓦斯 压力 为 2 ． 5 MP a ， 瓦斯 含量 为 1 0 ． 9 5 ～ 3 O ． 0 0 m。 ／ t ， 属 于煤 与 瓦 斯 突 出 煤 层 。煤 层 平均 透气 性 系数 为 1 ． 2 7 3 m2 ／ MP a 。 d ， 平均 钻孔 瓦斯 流量 衰减 系数 为 0 ． 0 1 1 9 ， 属 于可抽 放 煤层 。煤层厚 1 ． 3 ～4 ． 4 m。其 中煤层上部 有 1 m 左右 厚 的软煤 ， 普 氏系数 为 0 ． 6 ； 煤 层下 部 2 m 左 右 厚 的煤 质 较 硬 ， 普 氏系 数 最 大 为 1 ． 8 ； 煤 层 中 间 有 1 ． 2 m厚 的夹 矸 。煤层 顶 板 为约 4 ． 8 4 m 厚 的泥 质 粉砂 岩或 泥 灰 岩 ， 直 接 顶 为 约 5 ． 1 l m 厚 的 泥 质 粉 砂 岩 ， 直 接底 为 4 ． 3 m 厚 的泥 岩 、 泥 质粉砂 岩 。 2 ． 2监 测 系统及 现场 试验介 绍 2 ． 2 ． 1监测 系统介 绍 监测系统包括高灵敏度声电传感器 、 YD D1 6矿 用本 质安 全 型煤岩 动 力 灾 害 声 电监 测 仪 、 监 测 及 预 2 0 1 5年第 8期 李保林等 煤层水力压裂声发射监测信号特征分析 4 1 中， 主频分 别 为 4 7 0 ． 6 ， 1 6 8 3 ， 1 3 7 3 Hz ， 与井 下 噪声 干 扰信号 相 比 ， 有 效 信 号 主 频 向低 频 段 转 移 。3条 有效 信号 在小 波包 分解 频带 内 的能量分 布百 分 比分 别如图 3 c 、 图 4 c 、 图 5 c 所示， 可看出 3条有效 信号的能量分布主要集 中在频带 1 1 6 ， 能量分布 百分比分别为 9 5 ． 4 ， 8 6 ． 8 ， 8 6 ． 5 ％。对原始信 号在频带 1 1 6内的能量分布特征进行深入分析 吕 馨 名 g 罂 0 2 O O 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 l 2 0 0 采样点／ 个 a 原始信号 一 ⋯． ． ． ． ． ． ． ． ．I r I IlIlIII ．．．．．．．．．．．． 呷 邢 fnI lfIIIlIlll ”’ 0 20 0 4 00 60 0 80 o 1 00 0 1 20 o 采样 点／ 个 a 原始信号 20 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 5 O O 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 o 0 l 0 0 o 1 2 o o 采样 点／ 个 a 原始信号 有效信号 1的能量分布主要集 中在频带 2 3 1 2 ． 5 ～ 6 2 5 Hz 、 频带 4 9 3 7 ． 5 ～1 2 5 0 Hz ， 且在这 2个频 带 内的能量 分布 百 分 比总 和为 4 9 ． 1 9 ／ 6 ； 有 效 信 号 2 和有效信号 3的能量分布主要集 中在频带 3 6 2 5 ～ 9 3 7 ． 5 Hz 、 频 带 7 1 8 7 5 ～ 2 1 8 7 ． 5 Hz ， 且 在 这 2个 频 带 内 的能 量 分 布百 分 比总和 分别 为 4 8 ． 2 ， 4 1 ． 1 ％。 g 蛏 聪 g 罂 b 信号频谱 图 3 有效信号 1 b 信号频谱 图 4有效信号 2 3 0 25 蓑 2 0 霉1 5 鑫 镒5 O 4 8 1 2 1 6 2 O 2 4 2 8 3 2 小波包子频带 c 能量分布百分 比 3 5 3 0 2 5 裔2 0 鬃1 5 姻 1 O 勰5 ． I ． ． I I I h l 一．_ ． 1 0 4 8 1 2 1 6 2 O 2 4 2 8 3 2 小波包子频带 c 能量分布百分比 b 信号频谱 c 能量分布百分 比 图 5 有效信号 3 3 结 论 1 煤层水力压裂声发射监测有效信号主频在 4 7 0 1 7 0 0 Hz 之 间 ， 低 于 井 下 噪声 干 扰 信号 主频 ； 且 在小 波包 分解 频带 1 1 6 0 ～ 5 0 0 0 Hz 范 围 内 ， 有效信号的能量分布百分 比大于噪声干扰信号 。 2 煤层水力压裂声发射监测有效信号 的能量 分 布 主要集 中在频 带 1 1 6 0 ～ 5 0 0 0 Hz ， 能 量分 布 百分 比为 8 6 ． 5 ～ 9 5 ． 4 ％ ； 且 在 频 带 1 1 6内 ， 有效声 发射 信 号 的能 量 分 布 主要 集 中在频 带 2 3 1 2 ． 5 ～6 2 5 Hz 、 频带 3 6 2 5 ～ 9 3 7 ． 5 Hz 、 频 带 4 9 3 7 ． 5 ～1 2 5 0 Hz 、 频带 7 1 8 7 5 2 1 8 7 ． 5 Hz 等 较低频带 。 参考文献 [1 ] 付江伟． 井下水力 压裂煤层 应力场与瓦斯流场模拟研 究[ D] ． 徐 州 中国矿业大学 ， 2 0 1 3 ． [ 2] 段银 鹿 ， 李倩 ， 姚韦萍． 水力压裂微地震裂缝监 测技术 及其应用I- J 3 ． 断块油气 田， 2 0 1 3 ， 2 O 5 6 4 4 6 4 8 ． ∞ ∞ ∞ ∞ O ∞ ∞ ∞ ∞ 8 6 4 2 ∞ ∞ ∞ ∞ 0 ∞ ∞ ∞ ∞ 8 6 4 2 第 4 1 卷 第 8期 2 01 5年 8月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 1 NO ． 8 Au g ．2 01 5 文章 编号 1 6 7 1 ～ 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 0 4 2 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 1 1 张冰 ． 移动 操作 系统 在煤 矿应 用 的 比较 分析 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 4 2 4 5 ． 移动操作系统在煤矿应用的比较分析 张 冰 煤炭科学技术研究 院有限公司 ， 北京 1 0 0 0 2 9 摘 要 从 技 术水 平 、 应 用成 本 、 安 全性 方 面对 目前主 流 的 An d r o i d 、 l O S和 Wi n d o ws 移动 操作 系统 进行 了 比较分 析 ， 并结合 煤矿 企 业应 用移动 设备 的具 体技 术要 求 ， 认 为最 适合 煤矿 井上及 井 下应 用的移 动操 作 系统 是 An d r o i d ， 其 次是 Wi n d o ws ， l OS只能在 井上进 行 应 用。 关 键词 移 动操作 系统 ；An d r o i d ；l OS；Wi n d o ws ；移 动设 备 中图分类 号 T D6 7 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 - 0 7 3 1 1 5 3 0 网络 出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 3 0 ． 0 1 1 ． h t ml Co mp a r a t i v e a na l ys i s o f a pp l i c a t i o n o f mo b i l e o pe r a t i n g s y s t e m i n c o a l mi n e ZHA NG Bi ng CCTE G Ch i n a C o a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 2 9，Ch i n a Abs t r a c t Cur r e nt ma i n mob i l e o pe r a t i ng s ys t e m s s u c h a s And r o i d，l OS a nd W i nd o ws we r e c ompa r e d a nd a n a l y z e d f r om a s p e c t s of t e c hn ol og y l e v e l ， a p pl i c a t i on c o s t a n d s e c ur i t y， c omb i ne d wi t h s pe c i f i c t e c h n o l o g y r e q u i r e me n t s o f mo b i l e d e v i c e u s e d{ o r c o a l mi n e e n t e r p r i s e ，a c o n c l u s i o n wa s g o t t h a t An d r o i d i s t he mo s t s u i t a bl e f or a pp l i c a t i o n i n gr o un d a nd un de r g r o und o f c oa l m i ne， W i n do ws i s s e c o nd t o And r oi d，a nd l OS c a n on l y be a p pl i e d i n gr o un d． Ke y wo r ds mob i l e op e r a t i ng s ys t e m ；An dr o i d；i OS；W i nd o ws；m o bi l e d e v i c e 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 2 6 ； 修回 日期 2 O i 5 0 6 2 4 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 2 B AK1 3 B 0 7 。 作者简介 张冰 1 9 7 9 ， 男 ， 山东龙 I 1 人 ， 副研究员 ， 硕 士， 从 事信息化规 划与建设 、 we b开发平 台及组 件技术方面 的研究 ， E ma i l z h a n g b OW l S Ot t ．corn ．c n 。 [3 ] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] 王长江 ， 姜汉桥 ， 张洪 辉 ， 等． 水平井 压裂 裂缝监 测 的 井下 微 地 震 技 术 [ J ] ． 特 种 油 气 藏 ， 2 0 0 8 ， 1 5 3 9 O 一 92 ． 陈学习 ， 金文广 ， 张晓伟． 单一低透煤层水力 压裂增透 技 术试 验[ J ] ． 辽宁工 程技 术大学 学报 自然 科学 版 ， 2 0 1 4 ， 3 3 1 1 1 4 5 3 - 1 4 5 6 ． 翟成 ， 李贤忠 ， 李全贵． 煤层脉 动水力压 裂卸 压增透技 术 研 究 与 应 用 [ J ] ．煤 炭 学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 2 1 9 96 - 2 001 ． 蒋 乾 ， 张瑞林． 临涣煤 矿穿层 钻孔水 力压裂 技术 应用 研究 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 6 7 7 O ． 郭启文 ， 韩炜 ， 张文 勇 ， 等． 煤矿 井下水 力压 裂增 透抽 采 机理 及应 用研 究E J ] ． 煤炭科 学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 6O 一 64 ． [ 8] [9] [ 1 o ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] 张义平． 爆破震动信号的 HHT分析与应用研究 [ D ] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 0 6 ． 孙延奎． 小波分析及其应用[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 5 2 4 5 2 6 0 ． 朱权洁 ， 姜福兴 ， 于正 兴 ， 等． 爆 破震动 与岩 石破 裂微 震信号能量分布特征 研究 [ J ] ． 岩石力学 与工程学报 ， 2 0 1 2 ， 3 1 4 7 2 3 7 3 0 ． 凌同华 ， 李 夕兵． 多段微差 爆破 振动信 号频 带能量 分 布特 征 的 小 波 包 分 析 [ J ] ． 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 00 5， 24 7 11 17 11 2 2． 凌 同华 ， 李 夕兵． 单 段爆破 振动信 号频带 能量 分布 特 征 的 小 波 包 分 析 [ J ] ． 振 动 与 冲 击 ， 2 0 0 7 ， 2 6 5 41 _ 4 3．