传感器安装方式对巷道微震信号时域特征影响分析

陈付德，王承来，夏 辉，田佳豪，张爱华，张明伟，田壮才

（1.中煤新集能源股份有限公司新集二矿，安徽 淮南 232001；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116）

0 引 言

微震监测技术是通过观测微小地震事件来分析地下工程异常现象的地球物理技术，其基础是声发射学和地震学。微震信号的时域变化主要指信号在时间轴上的变化过程，这是描述微震信号变化最基本、最直观的表达形式。时域是唯一一个实际存在的域，信号强度随时间的变化规律就是时域特性，信号的时域特征包括信号的幅度、持时等。在时域内对信号进行滤波、放大、统计特征计算、相关性分析等处理，统称为信号的时域分析。对信号进行时域分析时，有时一些信号的时域参数相同，但并不能说明信号就完全相同。因为信号不仅随时间变化，还与频率信息有关。普遍认为微震信号的频率较高，一般在100～500 Hz，持续时间小于1 s。微震信号具有能量弱、信噪比低、频率高及持续时间短等特点。煤岩变形破坏是内部裂纹萌生、扩展、汇聚的动态演化过程，利用微震设备监测裂纹发育所释放的弹性能在煤岩介质中传播的应力波振幅、频率等特征，可间接反映其内部裂纹演化规律。深入研究微震信号时域特征与裂纹表征参量间的力学联动机制，对提高基于微震监测方法的冲击地压预警准确性具有重要的科学意义和工程价值。

1 试验和结果

本试验所用设备及材料包括采集分站、单轴传感器、矿用隔爆兼本安型网络交换机、防爆箱、矿用隔爆兼本安型电源、矿用绝缘钢丝聚氯乙烯通信电缆、矿用阻燃通信光缆等。采集分站一端通过电缆与2 个传感器相连，另一端用网络线缆连接。在新集二矿230106 工作面机巷安装2 个传感器，分别采用锚杆安装一个单分量传感器和利用钻孔埋设一个单分量传感器，两传感器相距3 m。锚杆安装具体为通过专用连接件将微震传感器拧在常规锚杆上，与锚杆进行刚性耦合，使锚杆成为传感器一部分。钻孔埋设为钻孔深度8 m，将微震传感器导入到钻孔底端，并向孔内注入水泥浆液，直至微震传感器与钻孔岩体完全黏连固结。

试验持续一周时间，共采集到553 个微震事件。从原始微震数据中随机选取一个微震信号（图1），可以发现通道1 锚杆安装的传感器获取信号的幅值更大、信号更强。

图1 4 月27 日3 时18 分17 秒微震事件的波形分离图Fig.1 Waveform separation diagram of microseismic event at 3:18:17 on April 27th

2 讨 论

由于微震信号是时间函数，通常在时间域里描述该信号随时间变化的性质，下文从微震信号幅值、持时和特征值等3 个方面，对比分析两组微震信号时频参数特征，分析信号质量。

2.1 微震信号幅值

图2 为2023 年4 月27 日0 时44 分51 秒微震事件信号。通道1 为采用锚杆耦合安装的传感器捕获的微震信号，幅值在-6.5～6.5 mV 波动，通道2为采用钻孔耦合安装的传感器捕获的微震信号，幅值在-2.5～2 mV 波动，通道1 信号最大幅值明显大于通道2。

图2 0427004451 微震波形图Fig.2 Microseismic waveform of 0427004451

根据质点运动方向和振动传播方向之间的关系，矿山微震信号中主要分为纵波（P 波） 和横波（S 波）。P 波具有传播速度快、振幅小、周期短等特点，S 波传播速度次于P 波，周期较长，振幅较大。每幅图中通道1 信号最大幅值显著大于通道2，且通道1 微震信号段起振较明显，采用锚杆耦合安装的传感器采集到的信号P 波和S 波成分更为丰富和清晰，利于特征提取。为使试验数据更具普遍性，将7 d 内捕获的553 个微震事件最大幅值进行对比，如图3 所示。微震事件与传感器之间的距离对接收信号的强弱有影响，由于两传感器安装距离较近，可认为同一微震事件与两传感器的距离无差异。由图可知，同一微震事件被通道1 捕获信号的最大幅值均大于通道2 中信号的最大幅值（图3）。经计算，通道1 中所有微震事件的最大幅值平均为10.15 mV，通道2 为3.55 mV，通道1 最大幅值平均约为通道2 的2.86 倍，可见采用钻孔耦合安装方式会造成微震信号能量损失（图3）。而采用锚杆耦合安装方式可更好的保留原始信号有效特征，所捕获的微震数据幅值大，波形特征明显，对微震信号识别和分析有利。

图3 两通道所有微震事件最大幅值对比Fig.3 Comparison of maximum amplitudes of all microseismic events in two channels

2.2 微震信号持时

微震有效信号持续时间（持时） 是微震监测中一个重要指标。微震有效信号的持时以P 波初至作为起始点，以P 波和S 波衰减结束作为终止点。微震传感器采用不同方式安装，其耦合效果会影响所采集微震有效信号的持时长度，耦合效果不理想可能会漏掉信号段中的有效成分，导致微震信号的持时较短。因此，针对所采集到的微震信号中有效信号长度进行分析，用以对比两种传感器耦合安装方式的优劣。

选择2 个微震事件进行分析，两微震事件的采集时间分别为4 月28 日8 时12 分27 秒和4 月29日2 时2 分1 秒，如图4 所示。图中同一微震事件两通道有效信号的起跳位置基本一致，但通道1 结束点位置滞后于通道2，说明通道1 有效信号持时较长。微震有效信号长度不仅与传感器耦合方式有关，还受煤岩体物理性质影响。微震信号在煤岩体中传播时，会吸收部分能量，造成能量衰减，有效信号长度会有一定的缩短。但两传感器安装位置较近，煤岩体的物理性质基本无差异。因此，本试验微震有效信号长度主要受传感器耦合方式影响。有效信号长度反映两种传感器耦合安装方式的优劣，经分析可知，采用锚杆安装传感器捕获微震信号有效长度大于采用钻孔安装的传感器，且捕获信号有效成分更多，更利于数据处理及分析。

图4 4 月28 日8 时12 分27 秒微震波形图Fig.4 Microseismic waveform of 8:12:27 seconds on April 28

由于微震信号能量值主要由有效信号段提供，为方便计算信号持时长度，采用经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD） 算法对信号进行降噪处理，同时，EMD 算法可将非平稳非线性信号从不同尺度的波动或趋势分解成由高频到低频的数据序列，即若干IMF 分量和一个叠加残差项，且可保留信号有效成分。图5 为某一微震波形的分解效果图，第1 个IMF 分量中高频噪声成分较多，而第2 个IMF 分量噪声含量少，且较好保留了有效信号段。因此，选择每个微震信号经EMD 分解后的第2 个IMF 分量作为研究对象，并在该分量中以能量贡献率为5%的采样点为起点，以90%为终点选取有效信号长度，计算所有微震事件的有效信号持时，如图6 所示。图中通道1 有效信号段持时分布在10 ～50 ms，通道2 有效信号段长度持时分布在0 ～20 ms，通道1 有效信号段长度平均为26.52 ms，通道2 为6.01 ms，通道1有效信号段长度平均约为通道2 的4.41 倍（图6）。

图5 信号波形EMD算法分解图Fig.5 Decomposition diagram of EMD algorithm for signal waveform

图6 两通道所有微震事件持时对比Fig.6 Comparison of the duration of all microseismic events in two channels

2.3 微震信号特征值

时域统计特征可分为有量纲统计量和无量纲统计量，有量纲统计量的数值大小会随外界参量量纲的变换而变化，而无量纲统计量不易受外界因素干扰，通常对振动信号较为敏感。因此，本次试验选择信号峰值、均方根值、峭度、偏度、裕度因子和脉冲因子等无量纲统计量作为震源参数。信号的峰值反映信号能量大小，均方根值反映振动信号的能量强度和稳定性，峭度、偏度、裕度因子和脉冲因子可反映微震监测信号是否有显著振动特点。从每日的微震信号中随意选取1～2 数据，共选10 组微震信号。将所选用的10 组微震信号进行波形特征提取，为使结果更直观，将各特征值在柱状图中显示，并依次对10 组微震信号进行1～10 编号，如图7 所示。

图7 信号特征分布柱状图Fig.7 Distribution histogram of signal feature

图7（a）、图7（b）、图7（e）、图7（f）显示，通道1 信号特征值（峰值、均方根值、裕度因子和脉冲因子） 基本均大于通道2，表示同一微震信号被两个传感器所捕获，但通道1 信号极端变化程度以及能量强度较高，锚杆安装方式捕获信号能力更强。图7（c） 中除事件5 外，其他事件中通道1 和通道2 的信号峭度相当，表示两种安装方式均能捕获到信号中的振动成分。图7（d） 中偏度与峭度有一定关联，用于度量数据分布的偏斜方向和程度，由于捕捉的微震信号在一定的时窗内可能分布在不同位置，所以偏度数值分布不一。从各特征值分布整体分析，通道1 中信号振动特性表现更为显著，可为微震信号识别提供更多依据。

3 结 论

在新集二矿230106 工作面机巷使用2 种方式安装微震传感器进行为期一周的微震试验，共采集到553 个微震事件，通过对比分析发现以下结论。

（1） 通过对比不同安装方式传感器接收到的微震信号的最大幅值，以评估微震信号的质量。研究发现，使用锚杆方式安装的传感器接收到的微震信号最大幅值均显著大于使用钻孔方式安装的传感器，最大幅值平均约为钻孔方式安装传感器的2.86倍。对于微震信号的分析和识别，幅值越大的数据更有利。使用钻孔安装方式的传感器在接收信号时存在一定的损失，不利于微震事件识别。

（2） 通过对传感器所采集信号的有效信号段持时进行对比，以分析比较两种传感器耦合安装方式所获取信号的质量。如果耦合效果较差，采集信号时可能漏掉一些有效信号，导致信号持时长度较短。结果显示，锚杆方式安装的传感器接受的有效信号持时长度均大于钻孔方式安装的传感器，有效信号段长度平均约为钻孔方式安装传感器的4.41倍，表明锚杆与传感器耦合效果要优于钻孔与传感器耦合，更有利于数据处理和分析。

（3） 通过提取传感器捕获微震信号的波形特征，进行特征值比较。结果显示，使用锚杆安装传感器捕获信号的峰值、均方根值、裕度因子和脉冲因子均大于钻孔安装的传感器，表明使用锚杆安装的传感器捕获信号极端变化程度以及能量强度更高，可以提供更多微震信号识别的依据。因此，锚杆安装方式捕获信号的能力更强，锚杆式安装优于钻孔式安装。