煤矿井下爆破作业频带能量分布规律*

肖　铸,张鹏翔,3,李青松,3,4,朱权洁

(1.贵州省矿山安全科学研究院,贵阳 550025;2.贵州省煤矿设计研究院,贵阳 550025;3.贵州省煤矿瓦斯防治工程技术研究中心,贵阳 550025；4.贵州安和矿业科技工程股份有限公司, 贵阳 550025)



煤矿井下爆破作业频带能量分布规律*

肖铸1,2,张鹏翔1,2,3,李青松1,2,3,4,朱权洁1,2

(1.贵州省矿山安全科学研究院,贵阳 550025;2.贵州省煤矿设计研究院,贵阳 550025;3.贵州省煤矿瓦斯防治工程技术研究中心,贵阳 550025；4.贵州安和矿业科技工程股份有限公司, 贵阳 550025)

摘要:为了有效降低煤矿井下爆破作业扰动,减少爆破诱发的矿震和煤与瓦斯突出等次生灾害,需要对煤矿井下爆破作业能量变化规律进行研究。采用锚杆外挂式方法安装传感器,优化了微震监测系统安装方法。对煤矿井下爆破作业过程的微震信号进行采集,并应用小波包分解方法分析其频谱,发现煤矿井下爆破作业信号的能量频带分布范围广,各个频带内爆破微震信号的能量百分比不断变化。爆破微震信号92%以上的能量集中在0～500 Hz的低频带范围内。随传播距离的增加,微震信号的高频部分衰减速度快。在煤矿现场应用低爆速、低密度、小直径的炸药,降低最大一段的炸药药量,采用分散布药与不耦合装药方式有利于降低地震效应。

关键词:煤层；爆破；微震；频谱分析

煤矿井下爆破作业时,能量较大,扰动影响大,对含瓦斯煤岩体破坏严重。井下系统环境中瓦斯运移场、地应力场受到破坏后失衡,导致煤岩体受力不均衡,瓦斯运移过程突变,导致发生顶板冒落、煤与瓦斯突出等事故。根据多年来煤矿事故统计分析,发现所有的作业过程中,爆破作业最易诱发顶板事故、煤与瓦斯突出事故的作业。尤其是贵州中小煤矿多数煤矿采用炮掘作业方式进行掘进,因此,本文引入微震手段对煤矿井下煤岩体状态进行监测监控,目的是研究煤岩体受爆破作业影响后的变化、失衡、破坏过程,有效降低爆破后的振动效应,减少煤矿事故的发生。

1概况

微震监测系统主要包括信号采集、信号接收系统、信号处理系统三大部分。微震监测技术最早在井下工程中应用于贵重金属矿山开采诱发的地震。截止目前为止,在国内矿山主要应用在监测矿柱残存地压、冲击地压、煤与瓦斯突出、岩爆监测预警、岩体稳定性等各个方面,并取得较好的效果。相对于传统的监测手段,微震技术可以监测煤层内部微震事件,追踪煤层深部受扰动地质体裂隙发育、发展和突出的变化过程和受采动影响区域内的地应力的重新分布过程。

井下巷道掘进爆破时,大部分的爆破能量在破坏和粉碎煤岩体的过程中被耗散,小部分能量传播出去[1-5]。传播的过程是一个能量不断衰减的过程。由于煤岩体物理力学性质不均匀,且含有不连续的结构面,因此,在介质中产生的波动现象十分复杂。一方面,煤岩体介质中波的能量随着反射和投射减少,另一方面,随着内摩擦现象而被吸收,并使煤岩体积蓄一部分弹性能。爆破在煤岩体中发生后,产生冲击波、应力波、地震波。其中,冲击波使煤岩体破碎,应力波使煤岩体指点发生位移和应变、扩张和应变,地震波引起裂隙的发育。冲击波破坏作用最大,传播距离最短；应力波、地震波作用范围较大,时间较长。经笔者对煤矿井下现场爆破作业数据进行统计表明,与露天台阶式爆破不同,煤矿井下爆破微震波信号时间为250 ms以上。微震监控传感器布置于应力波、地震波的作用范围内。

2煤矿井下爆破能量

煤与瓦斯突出事故相关资料统计分析研究结果表明,煤矿井下爆破作业是煤与瓦斯突出的最主要诱导方式,掘进工作面是煤与瓦斯突出事故发生的主要地点区域。煤矿井下爆破震动的危害程度受到爆破震动幅值、频谱、持续时间等多参数的作用影响。而且与爆破次数、爆破前应力状态、周围煤岩体特性等相关。井下爆破作业释放的能量大部分在破坏、抛掷煤岩体的过程中耗散掉,仅有一小部分在传播介质中转化为煤岩体、空气等介质中传送的地震波。地震波能量占总能量的百分比因传播介质不同而迥异[6],大部分介质中能量占比在3%～20%之间[7]。在均匀介质体中,爆破振动地震波传播过程中能量消耗较非均匀介质少,引起的振动效应影响大。

煤矿井下掘进巷道爆破作用在炮孔中的最大压力与爆破炸药的性质、密度、爆速以及爆破时的装药结构有关,在时间历程上,先按照指数规律升压然后再降压。影响爆破振动效应的因素包括炸药量、炮孔个数、炮孔布置方式、单段最大药量、传播距离、煤岩体性质等[8]。爆破时,起爆药量、药包形状、炸药特性、煤岩体性质都会影响爆破地震波的频谱和幅值特性。

地震波在煤岩体介质中传播过程中,距离越长,发射、折射次数越多,衰减幅度越大,频率越少越小,相应的幅值也变小。地震波速度V与最大段药量Q、水平距离R,地形、地质条件、煤岩体性质等有关的系数K、a的相互间关系可以利用萨道夫斯基公式V=K(Q1/3/R)a表示。煤矿井下爆破掘进过程中多采用延长药包法,装药结构采用炮孔法,起爆方法采用微差爆破。微差爆破能有效降低地震效应。根据利文斯顿弹性变形方程,以煤岩体在炸药包临界深度破坏时,药包临界埋深Le与煤岩体弹性变形系数Eb、临界药量Qe的关系为Le=Eb(Qe)1/3。大部分煤体抗压强度为1～25 MPa、纵波波速在1500～2400 km/s、弹性模量为1.5～4.5 GPa,孔隙率为2.5%～8.0%。与岩体相比,煤体抗压强度弱、波速慢、弹性模量小、孔隙率高。炸药的密度与爆速高时,对煤岩体的振动强度增大。在煤矿井下选用低爆速、低密度、小直径的炸药,有利于降低地震效应。降低爆破中最大一段的炸药药量,可有效降低振速。另外,分散布药与不耦合装药可控制振动能量的幅值。

3爆破作业微震信号的小波包分析

3.1微震传感器布设方式

为有效采集煤矿井下巷道爆破掘进过程中的微震信号,根据义忠煤矿生产布局以及井下采掘巷道开挖情况,设计将微震监测传感器布设于11112掘进工作面迎头后方。煤体中微震信号传播速度为2～5 m/ms,传感器信号采集频率为4000 Hz,单次爆破作业微震信号长度为200～800 ms之间,因此,将微震传感器布设间距设计为10 m以上,在巷道两帮依次布设。

以往传感器安装时,采用纸杯装锚固剂将传感器黏结在安装钻孔中。安装方式存在费时、费力、工程量大,安装过程中易导致传感器损坏,以及回收困难等弊端。在现场应用过程中,克坚攻难,对存在的问题采用专家头脑风暴法等现代科研方法进行了技术攻关,不断改进微震系统布设方法、埋设方式等。在义忠煤矿微震监测试验过程中自主研发出了锚杆式和可伸张埋入式两种安装方式,在现场应用中效果良好。传感器锚杆式安装示意图及连接器见图1。

3.2分析方法的选取

信号波形分析中有傅里叶变换、小波变换、小波包变换等各类不同的方法。傅里叶变换能有效表征信号全局的性质,但对局部细节内容无法深入。小波变换的优点在于能对信号尤其是低频信号进行较好的表述,但对高频部分的细节无法继续分解。小波包分解方法能对高频、低频部分分别进行进一步精细的分解,能对波形进行有效的时频分辨。井下爆破微震波信号频率丰富,既含有高频成分,又含有低频成分,因此,选用小波包分析方法对井下爆破微震信号进行研究。

常用的小波函数中,Daubechies小波具有时域有限、整数位移后政教归一等特点,小波随阶次增大,消失矩阶数变高,越有利于更好的划分频带,但计算效率降低,时域紧支撑性变弱。结合煤矿井下爆破微震信号的波形特点,选择Db12小波包进行分析。小波包分解到n层,有2^n种分解方式,选用度量信息规律性的Shannon熵、对数能量熵、SURE熵等作为指导小波包分解的特征函数,降低运算量,挑出最优小波包树。

3.3煤矿井下爆破作业微震信号小波包分析

井下巷道爆破作业时,产生含有丰富频率的微震波,在煤岩体中传播一段距离后,能被微震传感器捕捉。通过采用小波包分析方法对微震信号进行处理、分析,可以得到爆破微震信号的统计规律[9-12]。选用加拿大ESG微震监测监控系统对煤矿井下爆破作业微震信号进行采集。爆破微震信号采集采用宽频带高效率加速度传感器,采集最小工作频率为50 Hz。微震信号的采样频率为4000 Hz,根据Nyquist-Shannon采样定理,可知其奈奎斯频率为2000 Hz。利用小波包对信号进行4层分解,第4层小波包分解树具有16个节点,微震爆破信号在频域范围内被划分为16个子频带。各个频带宽间隔125 Hz,最低频带为0～125 Hz,最高频带为1875～2000 Hz。根据各种小波基的紧支性、光滑性和近似对成性,选择有利于分析爆破微震非平稳信号的Daubechies函数,为更有利于划分频带,选择db12序列作为微震信号小波包分析基函数。

在煤矿井下炮掘巷道进行了10 d 30次的现场爆破作业试验。从现场试验采集到的爆破微震信号中选取具有代表性的25个进行4层小波包分解。运用matlab编程,对第4层小波包分解系数进行平方求和,得出各个节点的能量值,并进行归一化处理,得出不同频带的能量占总能量的比例。随着掘进工作面的不断向前推进,主要频带的能量变化如图2所示。

由图2可以看出煤矿井下爆破微震信号的频率丰富,在0～2000 Hz的各个频带范围内均有分布。低频信号能量略为分散,其中125～250 Hz、375～500 Hz两个频带范围内信号能量占比较大。高频信号能量较为集中,主要分布在750～875 Hz、1500～1625 Hz的频带范围内。可见,不同于一般信号,可以采用单个主频来反应整个频域信号的特征,在微震爆破信号分析的过程中,需要将不同频带的微震能量综合考虑进去。

由于井下爆破作业震源以及传播路径的复杂和不重复性,每次爆破产生的微震信号各个频带的能量占总能量的百分比也起伏不定。由图2可以看出,能量分布中百分比最大的两个频带为125～250 Hz、375～500 Hz频带,爆破产生微震信号的频带能量百分比在不断变化。综上可以看出,在不同的震源和传播路径条件下,爆破微震信号的主要频率及其能量也在不断发生变化。

爆破微震信号能量频带分布广,但小于500 Hz的频带能量占比在92%以上,大于500 Hz的频带范围内信号能量占比在8%以下,可见义忠煤矿井下一次正向爆破中,微震波能量大部分集中在0～500 Hz的低频频带范围内。

500 Hz以上的频带范围中,微震能量百分比在8%以下,能量占比较小,主要集中在750～875 Hz、1500～1625 Hz的频带范围内。随着掘进巷道的不断推进,爆破微震信号的传播距离逐渐增大,高频段信号能量百分比迅速减小,表明煤体中爆破震动信号的高频部分衰减速度快。

4小结与展望

(1)煤矿井下作业工序中,爆破作业释放能量大,对煤矿井下采掘系统、煤岩层等造成剧烈的扰动,易引发顶板垮落,诱发煤与瓦斯突出等,需要对爆破作业及其前后的环境变化进行实时监测监控,严防煤矿重大事故的发生,减少人员伤亡。

(2)煤矿井下煤岩体爆破过程中产生的能量大部分耗散在破碎、抛掷煤岩体的过程中,仅有约3%～20%的能量转化为地震波进行扩散。地震波的传播效应受到炸药量、爆破参数、煤岩体性质、传播距离、地质构造环境等因素的制约。在井下选用低爆速、低密度、小直径的炸药,降低最大一段的炸药药量,采用分散布药与不耦合装药方式有利于降低地震效应。

(3)通过合理设定传感器安装距离等方法优化了传感器布置方案；自主研发了锚杆外挂式、可伸张埋入式等不同传感器安装方法,有效减少了工程量,降低了传感器损耗,保证了传感器的回收和循环利用；使监测监控系统能有效采集煤矿井下爆破作业信号。

(4)煤矿井下爆破作业信号的能量频带分布范围广,各个频带内爆破微震信号的能量百分比不断变化。爆破微震信号92%以上的能量集中在0～500 Hz的低频带范围内。随传播距离的增加,微震信号的高频部分衰减速度快。

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Frequency Band Energy Distribution of Coal Mine Blasting

XIAOZhu1,2,ZHANGPeng-xiang1,2,3,LIQing-song1,2,3,4,ZHUQuan-jie1,2

(1.Guizhou Mine Safety Research Institute,Guiyang 550025,China;2.Guizhou Coalmine Design & Research Institute,Guiyang 550025,China;3.Guizhou Province Engineering Technology Research Center for Coal Gas Prevention ﹠ Control,Guiyang 550025,China;4.Guizhou AnHe mining technology and engineering Co Ltd,Guiyang 550025,China)

Abstract:In order to reduce the disturbance caused by coal mine underground blasting,reduce the secondary disasters such as mine earthquake and coal and gas outburst,need to study the energy variation law of coal mine blasting operation.Install the sensor using bolt plug-in method,installation method to optimize the microseismic monitoring system.Coal mine blasting process of microseismic signal acquisition and application of wavelet packet decomposition method for the analysis of the spectrum,it is found that the coal mine blasting signal frequency band energy distribution of a wide range of percentage of energy in each frequency band of blasting seismic signals constantly changing.More than 92% of the energy concentration of blasting seismic signals in the 0～500 Hz frequency band.With the increase of propagation distance,the high frequency part of microseismic signal attenuation speed.In the coal mine field,the low detonation velocity,the low density,the small diameter of the explosive,and the lower the maximum amount of explosive charge,and the distribution of the drug and the non coupling charging method are used to reduce the seismic effect.

Key words:coal seam；blasting；microseismic；spectrum analysis

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.015

收稿日期:2016-04-06

作者简介:肖铸(1965-)，男，高级工程师、学士，主要从事煤矿设计、瓦斯防治、安全工程与技术等方面的工程技术服务和科研工作，(E-mai)349635236@qq.com。 通讯作者:张鹏翔(1987- )，男，工程师、硕士，主要从事瓦斯防治、煤矿设计与咨询、安全技术及工程等方面的工程技术服务和科研工作，(E-mail)244492525@qq.com。

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAK04B07)；贵州省社会发展攻关计划项目(黔科合社G字[2011]4003、黔科合SY字[2010]3036)

中图分类号:TD713

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0078-05