耿村煤矿微震信号时频特征及冲击地压前兆特征研究

张国华， 陈栋， 林松

(1.河南能源化工集团有限公司 安全健康环保监察局， 河南 郑州 450046；2.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116)

0 引言

随着我国煤矿开采深度不断增加，矿井冲击地压等动力灾害呈发生频次高且风险大等特点[1-2]。微震监测具有灵敏度高和安全可靠等特点，在矿井冲击地压监测中得到广泛应用[3-7]。袁瑞甫等[8]分析了冲击地压期间微震信号的时序特征，进而得到了微震信号的频谱特征及分布变化规律。王士超[9]分析了矿井微震事件的波形信号，获得了冲击矿压发生前后的功率谱演变特征。肖亚勋等[10]基于深埋隧洞微震波的衰减特征，修正了最大有效振幅，将相对有效振幅和最大有效频率作为频谱分析参数。李学龙等[11]研究了矿山典型微震事件中干扰信号的频谱特征，并对含噪微震信号进行了去噪研究。韦四江等[12]利用快速傅里叶变换方法，分析了煤矿发生冲击地压时微震信号的时域波形及频谱特征。刘海顺等[13]分析了微震信号的时域和频域转换，揭示了不同能量水平下微震信号和频谱特征的差异。彭明辉[14]对煤矿工作面微震信号类别进行了划分，分析了微震事件在时间和空间上的分布规律。

为研究微震事件的时频特征及冲击地压前兆特征，本文以河南能源化工集团有限公司耿村煤矿13200工作面为工程背景，采用微震监测系统对该工作面采动诱发的微震事件进行了实时监测，分析了微震信号的主频、频带能量分布和瞬时能量等时频特征，在此基础上得出了工作面冲击地压前兆特征，可为设定煤矿冲击地压预警指标提供依据。

1 工程背景

1.1 矿井基本条件

耿村煤矿东西走向长4.5 km，南北倾斜宽2.6 km，面积11.593 3 km2。该煤矿为斜立井单水平上下山混合开拓，水平标高为+300 m。矿井现有12采区和13采区2个采区，12采区位于耿村井田西部、13采区位于耿村井田东部。耿村煤矿煤层具有中等冲击倾向性，属于冲击地压矿井。井田内可采煤层自上而下有1-2煤、2-1煤、2-2煤和2-3煤，1-2煤、2-1煤和2-2煤大面积可采，2-3煤普遍可采，是矿井主要开采对象。煤层平均厚度为13.8 m，含夹矸3～5层，夹矸为灰白色砂岩和灰黑色泥岩。上覆岩层存在平均厚度为168 m的厚砾岩层，稳定性和整体性好，岩性坚硬，抗变形能力强，易大量积聚弹性能，工作面回采后顶板不易沉降，容易大面积悬顶，导致采空区应力集中，一旦发生脆性断裂，积聚的弹性能和原有重力势能将瞬间释放，导致冲击事件，在采掘工作面形成强烈的冲击震动。井田范围内部和井田边界存在落差较大的断层，采区内部还存在大大小小的没有揭露的次生断层等地质构造，对安全生产造成一定的影响。

1.2 工作面基本概况

13200工作面位于13采区延深下山西翼，北侧为已回采的13180工作面，东部为正在回采的13230工作面13采区延深3条下山，西部为12采区、13采区保护煤柱，南部为未开采的2-3煤。工作面设计可采长度749 m，斜长249 m，最大采深623 m。

1.3 工作面微震监测

在13200工作面安装ARAMIS M/E微震监测系统，微震传感器布置如图1所示。微震监测系统集成数字通信系统，可实现矿山震动定位及震动能量计算。根据监测范围的不同，系统可选用不同频率范围的微震传感器。数字通信系统采用远距离通信电缆实现三向震动速率变化信号的传输。系统通过24位AD转换器进行震动信号的转换和记录，完成连续、实时的震动监测。系统采样频率为500 Hz，可监测震动能量大于100 J、震动频率为0～150 Hz及动态范围低于100 dB的震动事件。震源水平方向定位精度为20 m，垂直方向定位精度为50 m。

图1 13200工作面微震传感器布置Fig.1 Arrangement of microseismic sensors in 13200 working face

2 工作面微震信号时频特征

工作面发生1次冲击地压及冲击地压发生前微震事件基本信息见表1(微震事件1即冲击地压事件)。

表1 工作面微震事件基本信息Table 1 Basic information of microseismic events in working face

2.1 主频

采用快速傅里叶变换[15]对工作面冲击地压及冲击地压发生前微震事件波形进行频谱分析，结果如图2所示。

(a) 微震事件1

(b) 微震事件2

(c) 微震事件3

(d) 微震事件4

(e) 微震事件5

(f) 微震事件6

(g) 微震事件7

(h) 微震事件8

(i) 微震事件9

(j) 微震事件10图2 工作面微震事件波形频谱Fig.2 Spectrum of microseismic events in working face

从图2可看出，冲击地压事件及冲击地压发生前微震事件波形的主频分别为1.24，87.89，138.85，186.37，281.91，140.82，142.67，137.68，188.72，184.00 Hz；冲击地压发生时的主频在10 Hz以内，冲击地压发生前微震事件2的主频在100 Hz以内。

2.2 频带能量分布

采用小波包变换[16](选用db8小波基函数，将微震信号分解为5层小波包，在第5层中有32个小波包，将全频域分割为32个子频域带，计算第5层小波包分解中每个节点的能量占微震信号总能量的百分比)对冲击地压事件及冲击地压发生前微震事件波形进行频带能量分析，结果如图3所示。可看出冲击地压事件及冲击地压发生前微震事件波形的最高能量分布频带分别为1，8，11，11，26，14，14，13，15，11；冲击地压发生时最高能量分布频带在5以内，冲击地压发生前微震事件2—4波形的最高能量分布频带为10左右，且微震事件2波形的最高能量分布频带小于10。

(a) 微震事件1

(b) 微震事件2

(c) 微震事件3

(d) 微震事件4

(e) 微震事件5

(f) 微震事件6

(g) 微震事件7

(h) 微震事件8

(i) 微震事件9

(j) 微震事件10图3 工作面微震事件波形频带能量分布Fig.3 Frequency band energy distribution of microseismic events in working face

2.3 瞬时能量

利用希尔伯特黄变换[17]对冲击地压事件及冲击地压发生前微震事件波形进行瞬时能量分析，结果如图4所示。

(a) 微震事件1

(b) 微震事件2

(c) 微震事件3

(d) 微震事件4

(e) 微震事件5

(f) 微震事件6

(g) 微震事件7

(h) 微震事件8

(i) 微震事件9

(j) 微震事件10图4 工作面微震事件波形瞬时能量Fig.4 Instantaneous energy of microseismic events in working face

从图4可看出，冲击地压事件及冲击地压发生前微震事件波形的最高瞬时能量分别为2.93，1.31，1.24，1.44，1.22，1.16，1.37，1.70，1.23，1.22；冲击地压发生前微震事件2—5波形的瞬时能量不高，表明冲击地压发生前存在能量的静默期。

3 基于微震信号时频特征的冲击地压前兆特征

通过分析工作面微震事件波形主频，发现冲击地压发生前微震事件5—2波形的主频依次为281.91，186.37，138.85，87.89 Hz，主频逐渐降低，其中冲击地压发生前微震事件2波形的主频降到了100 Hz以内；冲击地压事件波形的主频为 1.24 Hz，降到了10 Hz以内。通过分析工作面微震事件波形频带能量分布，发现冲击地压发生前微震事件5—2波形的最高能量分布频带依次为26，11，11，8，最高能量分布频带逐渐降低，其中冲击地压发生前微震事件2波形的最高能量分布频带降到了10以内；冲击地压事件波形的最高能量分布频带为1，降到了5以内。通过分析工作面微震信号瞬时能量，发现冲击地压发生前只有微震事件8波形的瞬时能量超过了1.5，微震事件8发生后，冲击地压发生前微震事件7—2波形的瞬时能量均小于1.5，表明微震事件8产生一定的能量释放后，微震事件7—2均没有释放大能量，而是在积聚能量，从而导致冲击地压发生。

4 结论

(1) 冲击地压发生时波形主频在10 Hz以内，而在冲击地压发生前的微震事件波形主频在100 Hz以内；冲击地压发生时波形最高能量分布频带在5以内，在冲击地压发生前的3次微震事件波形最高能量分布频带在10左右；冲击地压发生前的6次微震事件波形瞬时能量不高，表明冲击地压发生前存在能量的静默期。

(2) 通过分析工作面冲击地压事件及冲击地压发生前微震事件波形的时频特征，得到了冲击地压前兆特征：微震事件波形主频在100 Hz以内，最高能量分布频带在10以内，且瞬时能量小于1.5。