加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征影响研究.pdf

第43卷第3期2023年6 月文章编号：10 0 0-130 1(2 0 2 3)0 3-0 2 39-10地震工程与工程振动EARTHQUAKE ENGINEERING ANDENGINEERING DYNAMICSVol.43 No.3Jun.2023D0I:10.13197/j.eeed.2023.0324加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征影响研究陈浩,贾宝新1,刘丰溥,周琳力1（1.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新12 30 0 0；2.辽宁省矿山沉陷灾害防治重点实验室，辽宁阜新12 30 0 0）摘要：为研究加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征的影响，应用高频微震监测设备，开展不同瓦斯压力条件下煤体不同加载速率加载破坏全过程高频微震监测试验。由试验可得：随着加载速率的提高，煤体试件抗压强度增大、破坏时间减少、弹性模量与软化模量也随之增加，煤体冲击倾向性增大；与之相较，瓦斯压力的提高，煤体试件抗压强度降低、破坏时间增加、弹性模量与软化模量降低，冲击倾向性减小。HHT变换得到不同瓦斯压力和不同加载速率下煤体试样破坏微震信号边际谱。通过频谱分析得到：随着加载速率的提高，微震信号的中心频率和优势频率降低；随着瓦斯压力的提高，微震信号的中心频率和优势频率增大。煤岩破裂信号的频率与强度无关，与试样破坏方式和裂隙的发育有关。冲击地压和瓦斯突出发生时,均可以改变煤岩裂隙的发育形式，因此，煤岩破裂信号频率特征可以作为矿井动力灾害特征差异的研究。关键词：动力灾害；微震信号差异；HHT变换；瓦斯压力；加载速率中图分类号：TD712文献标识码：AStudy on the influence of loading rate and gas pressure on thecharacteristics of microseismic signal of coal body damageCHEN Hao,JIA Baoxin-2,LIU Fengpu,ZHOU Linli(1.School of Civil Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Liaoning Key Laboratoryof Mine Subsidence Disaster Prevention and Control,Fuxin 123000,China)Abstract:In order to study the characteristics of microseismic signals of coal failure,the self-developed high-frequency microseismic full-waveform real-time monitoring system was used to carry out the coal deformation andfailure tests under load in the laboratory to monitor the deformation and failure mechanical behaviors and microseismicsignals of coal samples under different gas pressures and loading rates.The experimental results show that with theincrease of loading rate,the failure time of coal is shortened,the compressive strength is increased,the elasticmodulus and softening modulus are also increased,and the impact liability of coal is increased.In contrast,withthe increase of gas pressure,the failure time of coal increases,the compressive strength decreases,the elasticmodulus and softening modulus decrease,and the impact liability decreases.The marginal spectrum of failuremicroseismic signals of media samples under different gas pressures and loading rates was obtained by HHT收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 9；修回日期：2 0 2 2-0 6-14基金项目：国家自然科学基金面上项目（517 7 417 3）；辽宁省“兴辽英才计划”项目（XLYC2007163）；辽宁工程技术大学学科创新团队资助项目（LNTU20TD08）；辽宁省“百千万人才工程”资助项目（2 0 2 192 10 2 3）Supported by:National Natural Science Foundation of China(51774173);Liaoning Province“Xingliao Talent Program(XLYC2007163);Project of Academic Innovation Team of Liaoning Technical University（LNT U 2 O T D 0 8);Pr o j e c t o f Li a o n i n g Pr o v i n c e “H u n d r e dMillion Talents Project(2021921023)作者简介：陈浩（1992），男，博士研究生，主要从事矿山灾害力学的研究。E-mail：10 41336 8 8 2 q q.c o m通讯作者：贾宝新（197 8），男，教授，博士，主要从事矿山灾害力学与地下工程防灾减灾方面的研究。E-mail:jbx_240transformation.The frequency spectrum analysis shows that the center frequency and dominant frequency ofmicroseismic signal decreases with the increase of loading rate.With the increase of gas pressure,the centralfrequency and dominant frequency of microseismic signal increase.The frequency of coal fracture signal is not relatedto the strength,but is related to the failure mode and the development of fracture.When rock burst and gas outburstoccur,the development form of coal and rock fissure can be changed.Therefore,the frequency characteristics ofcoal and rock fracture signal can be used to study the difference of dynamic disaster characteristics of rock burst andcoal and gas outburst.Key words:dynamic hazard;microseismic signal difference;HHT transformation;gas pressure;loading rate地震工程与工程振动第43卷0引言当前，由于煤层开采和回采的速度提高，每秒钟的顶板下沉量也会相应增加，这种情况下，顶板煤岩层承受的荷载也在不断上升,从而成为冲击地压的重要原因。随着加载速率的变化,姜耀东等1通过试验研究了煤岩力学性质和破裂规律,发现岩石内部能量的积累和消耗有着明显的变化规律；谢广祥等2 和王金安等3深人探究了综合采矿速率如何影响围岩应力环境；尹光志等4-5深入探讨了不同卸压速率和负荷条件下含瓦斯煤岩的力学行为以及其渗流特征；李海涛等6-7 通过试验探讨了不同荷载水平下煤样的力学行为。当煤层发生破坏时，它将产生微震信号和电荷感应信号，这2 种信号的特性对于理解煤层破坏的机制至关重要8-10。陆菜平等1通过对煤矿组合煤样的微震信号分析,揭示了煤冲击前兆频谱的演化规律。通过微震监测和声发射试验,王晓南等12 研究了不同类型的煤岩结构的破坏特性,并揭示了其中的微震效应规律。杨永杰13通过对煤的强度、变形和微震特征的研究,发现了煤体破坏的微震规律。刘玉春等14，赵扬锋15利用微震设备与电荷设备对含水煤岩进行单轴压缩试验，得到电荷感应与微震规律。潘一山,罗浩等16-17 利用声-电设备对含瓦斯煤岩加载破坏，得到瓦斯渗流规律及电荷感应特征。综上所述，微震监测在煤岩试样加载试验中已经得到了广泛的应用，在原煤试样以及在含瓦斯情况下的煤岩试样加载破坏的微震信号分析中也做了大量工作，然而在不同加载速率和瓦斯压力下煤岩破裂信号的对比分析还鲜有人做，因此，文中通过对研究现状的解读,采用室内试验和信号处理的方法,来展开以下研究工作：不同瓦斯煤体破坏特征研究；不同加载速率下煤体破坏特征研究；不同加载速率和瓦斯压力下煤体破裂过程的微震信号特征研究。通过煤体不同加载速率和不同瓦斯压力加载破坏微震信号特征差异研究，对矿井动力灾害的产生提供一定的判别方法。1试验设备试验设备由图1所示。单轴加载设备中轴压由电液伺服压力试验机竖向加载提供，高频微震监测设备由采集器，信号放大器和微震传感器组成，瓦斯压力调控设备由氮气瓶和压力表组成，示意图见图2。压力机无分量振动速度传感器加载装置P三轴加载系统围压及瓦斯压压力表瓦斯入孔压力调控系统力调控系统高频微震监测系统图1试验设备Fig.1 Test equipment压力控制系统煤体试样凤斯罐试验台图2 试验设备示意图Fig.2Schematic diagram of test equipment前置放大器微震数据采集器第3期1.1高频微震监测设备高频微震监测设备由采样频率0 10 0 kHz数据采集器、增益32 倍、10 0 倍双增益前置放大器、无分量振动速度传感器组成。具体设备参数见表1、图3。Table 1High-frequency microseismic full waveform real-time monitoring equipment parameters主机硬件配置CPU内存Core i7-2620MDDDR-III 4GB2.7GHz陈浩，等：加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征影响研究表1高频微震全波形实时监测设备参数检波器参数硬盘采样频率/kHz量程/(10 4 m/ms)SATA-III 2TB100241支持检波器/个灵敏度V/(m/s)-32 768 32 76848100COMEZ1Z3Z2B2B2B2B2B1L1L2L3POWERNO.4NO.3NO.2NO.10注：Z1为压力感应式触摸显示屏；Z2为外部IV/O接口；Z3为主机运行及硬盘工作指示灯；L1为主机启动开关（触点型）；L2为主机总电源开关（自锁型）；L3为直流12 V电源接口；B1为接人电源说明要求；B2为散热片安装螺丝孔。图3高频微震全波形实时监测仪Fig.3High frequency microseismic full waveform real-time monitor1.2高频微震监测设备的优势1)传感器信号频段显然，我们研制的高频微震仪所覆盖的频段有足够宽的搭接区域。这也就是说在信号观测上，对信号中分布在550 Hz区段的成分,我们与常规地震仪具有同样的观测能力，也就可以相互对比。另外一个方面，对信号的高频成分我们的设备具有更好的获取能力，可以获得从50 Hz直至10 0 0 Hz的信号。测试效果见图4 图6。3002001000-100-200-300从图4图6 可知：高频微震观测手段的引入，可以有效地拓宽观测的频带范围，为深入研究震动机理，特别有利于观测强震过程，为亚失稳研究做出贡献。7654310001500时间/ms（a）高频微震波形图图4新丰江水库高频微震事件Fig.4 High-frequency microseismic events in Xinfengjiang Reservoir20100200300 400 500600频率/Hz（b）高频微震频谱图242地震工程与工程振动第43卷80607308P/6540-30-60-900.00 0.200.40 0.60 0.801.001.206030入/0-30-600.000.250.500.75 1.001.25Fig.5High-frequency components of seismic waves2)传感器的灵敏度高频微震设备所选用的传感器与标准地震仪是同一种类型的速度型传感器,所标的机电转换系数(或灵敏度)单位为V/（m/s）,都是指经过前置放大器变换后的总灵敏度。标准地震仪的灵敏度在8 0 0 V/（m/s）1000V/（m/s），根据不同的增益，高频微震的灵敏度可以从32 0 0 V/（m/s）到512 0 0 V/（m/s），相对灵敏度是标准地震仪的4 50 倍。5 Hz32112345678910时间s频率/Hz（a）经典地震仪记录2.528P/早1.50.5时间/s（b）高频微震系统记录图5地震波高频成分FSS-3M短周期地震计100 Hz50100150 200250300频率/Hz高频地震仪图6 远程强震在本地诱发的高频微震Fig.6High frequency microseismic inducedlocally by remote strong earthquakes1.3试件制取选用的阜新某矿大块煤体，用直径为50mm的取芯钻机取芯，然后将取出来的煤芯用岩石切割机切成50mm100mm的圆柱形标准试件。煤试件如图7 所示。1.4试验方法将试样放入单轴压力室中,并将绝缘刚性压垫安装在其上下，以便将压力室与瓦斯罐及压力表相连接；将试样放置在一个较小的负载上，使其与试验机的负载完全接触,然后注人一种具有相似性质且无毒害的氮气,并维持2 4 h，以确保试样的平衡状态。重新调试各个监测设备，以确保设备能够正常运行；试验开始,将样品分成6 组，每组5块，每组3块，分别以0.0 1、0.0 2、0.0 4、0.0 6.0.0 8 mm/s的加载速率进行破坏试验，瓦斯压力为0 MPa。另外3组，每组4块，试样采取恒定0.0 2 mm/s加载速率，瓦斯压力值分别采用0、1、2、3MPa进行加载破坏。通过不断监测微震信号，同时测量应力和应变，直至样品破坏。2试验数据分析图7 阜新煤矿煤体试件Fig.7 Coal specimens in Fuxin coal mine将试验数据进行处理，得到如图8 所示煤和岩石的双线性本构关系，同时绘制出图9 图12,分别是加第3期载速率为0.0 1、0.0 2、0.0 4、0.0 6、0.0 8 mm/s和瓦斯压力为0、1、2、3MPa时煤体变形破坏全程变形曲线。2.1不同加载速率煤体变形破坏特征分析煤和岩石的结构可以简单地表示为双线性，如图8 所示。也就是说，在达到最大强度之前，它们具有线弹性。当超过最大强度时,线性软化会发生,其斜率的绝对值入会显著降低18。O通过分析应力-振速-时间曲线、应力-应变曲线以及不同加载速率下煤体的力学特性，如图9、图10 以及表2 所示。我们发现：在初始加载时，随着时间的推移，压应力逐渐增大，微震信号的波动不明显，此时处于孔隙密实的状态，孔隙密实程度的高低直接影响微震信号的振动幅度；随着煤样的继续加载，压应力急剧上升，出现“爬坡”现象,其上升速度比初期更为显著，微震信号也随之发生了剧烈波动，振幅也有所增大；当煤样受到极高的荷载，其所承受的压应力也会达到极限，从而使微震信号的振幅值达到最高值；当煤样受损时,压应力会迅速减小,直至消失，微震信号的振幅也会变得越来越平稳。E-0图8 岩石、煤的双线性本构关系Fig.8Bilinear constitutive relation of rock and coal16瓦斯压力OMPa128040050100150200250300350400时间/s（a）加载速率0.0 1mm/s18瓦斯压力OMPa15129630陈浩，等：加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征影响研究应变/%图9应力-应变曲线Fig.9Stress-strain curves0.520瓦斯压力OMPa0.2515(s/uu)/40-0.25-0.50.60.4(s/uu)/率40.2-0.2-0.40.61020（c）加载速率0.0 4mm/s24瓦斯压力OMPa1812243200.01 mm/s0.02mm/s0.04mm/s150.06mm/s0.08mm/s10500.00.51.001.52.02.53.03.54.04.55.00.50.25(s/uw)/105F020406080100 120140 160 180 200时间/s（b）加载速率0.0 2 mm/s20瓦斯压力OMPa/151053040时间/s-0.25-0.50.50.25(s/uu)/40-0.25-0.5506070100.50.25(s/uu)/率当0203040时间/（d）加载速率0.0 6 mm/s50606图10 不同加载速率下煤体应力-振速-时间曲线Fig.10Stress-vibration velocities-time curves of coal under different loading rates-0.25-0.51020时间/s（e）加载速率0.0 8 mm/s30405060244当加载速率增加时，煤体的抗压强度会显著提高，弹性模量和软化模量也会相应增加，这会导致煤体的冲击倾向性增强,从而更容易发生冲击地压。Table 2Stress-strain and vibration speed-time curves of coal under different loading rates参数瓦斯压力/MPa加载速率/(mm/s)抗压强度/MPa弹性模量/CPa软化模量/CPa2.2不同瓦斯压力煤体变形破坏特征分析通过应力-振速-时间曲线、应力-应变曲线和不同瓦斯压力下煤体力学特性，见图11、图12 以及表3。可以得到：峰前曲线随着瓦斯压力增加呈现出下凹的增长趋势,究其原因：随着瓦斯压力的增加,由最开始的裂隙扩展导致抗压强度的降低，到瓦斯填充裂隙提供压力，增加煤岩体抗压强度，但煤样抗压强度较无瓦斯时要小；峰后曲线随着瓦斯压力的增加，逐渐形成“滑梯”式下降，究其原因：煤样失稳破坏时，由于瓦斯压力的存在，会产生一段减缓应力降的效果；在峰值附近随着瓦斯压力增加，会产生“锯齿”型变化,究其原因：瓦斯在煤样平衡-失稳转变的过程中,也出现填充-溢出的过程,所以导致抗压强度呈“锯齿”型变化。随着瓦斯压力的升高,煤样的抗拉强度、弹性模量和软化模量显著降低。由于瓦斯的存在,煤体内部的粘结力大大降低,这就导致煤体中的颗粒之间的相互作用力也随之减弱，因此，当煤体受到损害时，它们所消耗的能量也会大大增加。0.5加载速率0.0 2 mm/s0.25(s/uu)/单当0-0.25-0.5020406080100120 140时间s(a）瓦斯压力oMPa0.5加载速率0.0 2 mm/s0.25(s/uu)/0-0.25-0.56204060（c）瓦斯压力2 MPa图12 不同瓦斯压力下煤体应力-振速-时间曲线Fig.12 Coal stress-vibration velocities-time curves under different gas pressures地震工程与工程振动表2 不同加载速率下煤体力学特性数值000.010.0215.016.95.266.9414.219.4320/1510501601802002015/105080100120 140160180200时间/s第43卷000.040.0617.719.57.088.6320.5326.7520-0 MPa-1MPa2MPa153MPa1050.00.5图11应力-应变曲线Fig.11Stress-strain curves0.5加载速率0.0 2 mm/s0.25(s/uu)/率-0.25-0.5620406080100120140160180200时间/(b）瓦斯压力1MPa0.5加载速率0.0 2 mm/s0.25(s/uu)/率40-0.25-0.5020406080100120140160180200时间s(d)瓦斯压力3MPa00.0820.39.4834.131.01.52.0应变/%2.53.03.52015105020151050第3期3微震信号的特征分析3.1 HHT变换原理在信号分析中,时间和频率是两个至关重要的因素。傅立叶变换可以有效地捕捉信号的整体频率特征，但是它无法捕捉信号在时间尺度上的变化趋势，从而更好地描述信号的特性。1998 年，美国宇航局的NordenEHuang等人提出了一种全新的信号处理技术希尔伯特-黄变换(HHT)，它可以有效地处理复杂的信号19O该方法可以实现非平稳信号的平稳化，得到有意义的时频谱图。其分析流程如图13所示。找到原始信号的最大值点和最小值点做最大值点和最小值点的包络线求包络线的平均值用原始信号-包如果新原始信号络线平均值得到是单调的则疑似IMF分量程序结束图13EMD分解流程图Fig.13EMD decomposition flow chartEMD分解出的IMF分量均来自原始信号，相比傅立叶变换将信号分解成正余弦信号叠加的方法，具有更好的自适应性,是一种更为可靠的分析信号时频特性处理方法。为保证Hilbert 变换之后信号的真实性，不能未经过 EMD分解直接对原始信号进行Hilbert 变换2 0-2 1。通过对时间积分可以得到 Hilbert 边际谱,边际谱表达了每个频率在全局上的幅度（能量）。3.2不同微震信号特征差异分析通过对离散点构成微震信号进行分解来得到本征函数。然后再对各本征模函数进行希尔伯特变换，得到不同加载速率和不同瓦斯压力下微震信号的边际谱，如图14、图15所示。边际谱能够反映试件破裂信号（频率较低集中在0 10 0 Hz)的频谱特征。为定量分析信号的频率变化,定义当某一频率左侧幅值积分值等于右侧时,该点为中心频率,第一幅值最大的频率为优势频率。100100瓦斯压力OMPa80aP/里6040200陈浩，等：加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征影响研究表3煤体不同瓦斯压力下力学特性Table 3IMechanical properties of coal under different gas pressures参数加载速率/(mm/s)瓦斯压力/MPa抗压强度/MPa弹性模量/GPa软化模量/GPa50100频率/Hz(a）加载速率0.0 1mm/s245数值0.020.020116.916.16.946.7319.4315.54判断IMF分量是否符合2个条件当IMF分量为最当IMF分量不是高频分量最高频分量原始信号-当前使用当前IMFIMF分量得到新分量作为原始信号原始信号返回步骤280AP/量60402001502000.02215.76.0813.455010025000.02314.75.0312.24瓦斯压力oMPa150M频率/Hz（b）加载速率0.0 2 mm/s200250246由定义通过边际谱计算得到中心频率和优势频率见表4。根据表4的数据，可以清楚地识别出煤体在不同加载速率和瓦斯压力下的动力破坏类型及其危险性。1）当煤体仅受加载速率影响时，不同加载速率下煤样破坏微震信号优势频率在15 30 Hz之间，属于典型的煤体扰动压缩型冲击地压微震信号特征2 2。随着加载速率的增大，优势频率和中心频率随之减小。究其原因是煤样裂隙发育不完全，随着加载速率加快，导致较大的纵向破裂,因此频率减小。2）当煤体同时在加载速率和瓦斯压力（瓦斯压力较小)作用时,加载速率频率与较小瓦斯压力作用时的频率会出现频率重叠的情况，意味着此时煤体破坏是加载速率和瓦斯压力共同作用的结果，容易发生冲击地震工程与工程振动806070瓦斯压力OMPa608P/504030201005040AP/3020100706050HP/4030201000第43卷瓦斯压力OMPa508P/草40302010WM050100频率/Hz(c）加载速率0.0 4mm/s3530258P/草2015105%图14加载速率微震信号边际谱Fig.14Marginal spectrum of loading rate microseismic signals100加载速率0.0 2 mm/s808P/草604020LLL50100频率/Hz(a）瓦斯压力OMPa加载速率0.0 2 mm/sMMM50(c）瓦斯压力2 MPaFig.15 Marginal spectrum of gas pressure microseismic signalsW15020050（e）加载速率0.0 18 mm/s150200100150频率/Hz250100频率/Hz2500706050aP/403020100200250图15瓦斯压力微震信号边际谱0瓦斯压力OMPaA15020050（b）瓦斯压力1MPa加载速率0.0 2 mm/sMM050(d）瓦斯压力3MPa50（d）加载速率0.0 6 mm/s250L100频率/Hz100150频率/Hz100频率/Hz加载速率0.0 2 mm/s150M150200200200250250250第3期和突出复合动力灾害。3）当煤体中瓦斯压力明显较大时，中心频率与优势频率随着瓦斯压力的增大呈现出增大的趋势。分析其原因：由于瓦斯的存在使得煤体内颗粒间的吸附力降低，随着瓦斯压力增大,导致裂隙快速发育,产生的裂纹增多,其中较小的裂纹频率较高,因此煤岩频率随着瓦斯压力的增大而变大。此时导致煤体破坏的主要原因是瓦斯压力，容易发生瓦斯突出灾害。由此可知,冲击地压和瓦斯突出发生时,均可以改变煤岩裂隙的发育形式,这种改变可以通过微震信号的频率来表达。频率中心频率/Hz优势频率/Hz4结论陈浩，等：加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征影响研究表4频率趋势变化表Table 4Frequency trend change table加载速率/(mm/s)0.010.0238.134.128.125.3247瓦斯压力/MPa0.040.0632.226.124.220.20.0823.216.3017.714.6120.515.3224.119.2325.620.11)随着加载速率的增加,破坏时间缩短,煤体抗压强度增大,弹性模量与软化模量也随之增加,煤体冲击倾向性增大,容易发生冲击地压；相比之下，当瓦斯压力增加时,煤体的破坏时间会增加,抗压强度会降低，弹性模量和软化模量会减小，冲击倾向性也会降低。在这种情况下,煤体破坏的主要原因是瓦斯压力。因此,瓦斯突出灾害的发生可能性极高。2)采用HHT方法对监测的微震信号进行HHT变换得到边际谱，从而得到不同瓦斯压力和不同加载速率下煤样破坏时频率特征。在加载速率作为主导因素作用的情况下，微震信号的中心频率和优势频率减小；在瓦斯压力作为主导因素作用下，煤岩微震信号的中心频率和优势频率增大；当加载速度和瓦斯压力同时主导作用下发生时，二者频率会产生重叠现象。3)煤岩破裂信号的频率与强度无关,与试件破坏方式和裂隙的发育有关。不同加载速率和瓦斯压力，均可以改变煤岩裂隙的发育形式,因此,煤岩破裂信号频率特征可以作为动力灾害特征差异的依据。参考文献：1姜耀东，李海涛，赵毅鑫，等.加载速率对能量积聚与耗散的影响J.中国矿业大学学报，2 0 14，43（3)：36 9-37 3.JIANG Yaodong,LI Haitao,ZHAO Yixin,et al.Effect of loading rate on energy accumulation and dissipation in rocks J.Journal of ChinaUniversity of Mining&Technology,2014,43(3):369-373.(in Chinese)2谢广祥，常聚才，华心祝.开采速度对综放面围岩力学特征影响研究J.岩土工程学报，2 0 0 7，2 9(7)：96 3-96 7.XIE Guangxiang,CHANG Jucai,HUA Xinzhu.Influence of mining velocity on mechanical characteristics of surrounding rock in fully 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