原煤卸围压过程微震信号响应特征*

雷文杰，张朝阳

(河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000)

我国煤炭开采逐渐转向深部煤层，矿井地质灾害事故发生的频率也在逐渐增加[1]。地下工程采动极易诱发动力灾害的发生，研究煤岩卸荷力学特性有利于解释其损伤演化规律[2]。煤岩体在破坏时其能量会以弹性波的形式释放，从而产生微地震事件，因此可利用微震信号对煤岩体的破坏进行监测[3-4]。

微震监测设备具有全数字化数据采集功能、可实现空间定位、实时监测[5]。为深入研究微震信号中含有的煤岩动力特征，大量学者进行了深入研究：肖晓春等[6]进行了颗粒煤岩循环加载声发射试验，分析了煤岩模型破裂的信号特征；
诸多学者[7-8]针对煤岩类材料在单轴单次及多级循环加载试验、蠕变试验、剪切试验等破坏过程中的声发射信号特征进行了研究；
李浩然等[9]研究了岩石破坏与监测信号特征之间的关联特征，得到了岩石破坏时声发射信号规律；
丁学龙等[10]研究了煤岩胀裂破坏过程中的微震信号特征；
许晓阳等[11]研究了混凝土、原煤在单轴压缩微震信号的频谱特征；
赵扬锋等[12]研究了单轴压缩条件下完整砂岩和不同倾角裂隙砂岩的破坏特征和微震信号规律；
刘向峰等[13]基于声发射信号的各种参数特征研究，实现了煤岩破坏由微观到宏观的分析；
谢和平等[14]研究发现微震的振幅、事件数、能量等参数能够反映出岩体破裂扩展的数量、尺寸以及方位等信息；
杨永杰等[15]发现煤、砂岩卸围压声发射信号能量主要集中于低频段，并与煤样破裂尺度有一定关系，且信号主频在宏观破裂前会发生突变；
马德鹏等[16]研究发现煤样在卸载围压前以能量储存为主，达到峰值后以释放为主，且卸载速率越大，损伤量增加越快。当前众多学者从岩石破坏声学、力学、循环加载特征等方面进行了大量研究，但多以岩体为研究对象在统计基础上得到规律。以煤体为研究对象将煤样破裂对应微震信号时频特征研究较少，尤其从微震角度对煤体裂隙扩展和煤体破坏时微震信号时频及破坏前、后破坏信号特征的研究更是鲜有涉及。

基于此，对原煤卸荷过程微震信号特征进行研究，获取原煤卸围压产生的信号，分析不同阶段的煤体破裂特征及对应的微震信号特征，以期从微震的角度揭示矿井灾害发生机制，丰富煤岩动力学理论，为矿井灾害预警奠定基础。

1.1 试验设备

微震监测系统可进行全波形信号采集处理，可实时计算能量、震级等参数，该系统包含12个信号采集通道。由井下数字信号接收系统、地面主机数字信号处理系统以及传感器3部分组成，试验设备主要有ESG微震监测及煤热流固耦合三轴伺服加载系统。ESG主要包括：信号采集传感器、数字信号接收系统和数字信号处理系统3部分。本文采用的微震信号采集传感器为单轴传感器，主要特征参数见表1。加载过程中记录煤样各时间点应力应变值，微震监测系统灵敏度高、采样频率范围大。

表1 微震监测设备主要参数Table 1 Main parameters of micro-seismic monitoring equipment

卸围压试验采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置，主要由6部分组成：数据测量、伺服加载、压力控制、恒温和辅助系统、压力室及伺服渗流装置。试验系统的结构如图1所示。该试验设备可以模拟不同地应力、不同瓦斯压力和温度下的煤样瓦斯渗流试验。

图1 试验系统Fig.1 Test system

伺服系统主要由轴向加载机架、伺服液压站及控制台3部分构成。试样的轴向变形由轴向位移传感器测量；
液压泵的额定流量和压力分别为4.5 L/min，21 MPa。轴压和围压能达到的最大值分别为100，10 MPa；
试验可由控制软件实现全程自动化，试验参数亦可根据需求手动调节。

1.2 卸围压试验方案

卸围压试验3组煤样编号分别为LH-1，LH-2，LH-3。试样参数分别为100.8 mm×48.9 mm(高×直径)，重260 g；
102.9 mm×47.8 mm(高×直径)，重275 g；
99.5 mm×47.8 mm(高×直径)，重262 g。瓦斯煤热流固耦合三轴伺服装置轴向加载速度设定为0.02 kN/s，围压增幅为0.01 MPa/s。卸围压试验步骤如下：

1)编号。将加工后的煤样编号，贴标签拍照；
2)涂硅橡胶。将小样侧壁涂满硅橡胶，约1 mm厚度，以保证气密性，待完全晾干，安置传感器；
3)开始试验。将固定好的小样推至试验台，轴向力15 kN后由试验控制软件自动控制，保证其径向变形值不少于-5 mm；
4)设定力控制速度轴向力达到一定值后开始卸围压，观察径向变形；
5)煤样破坏。若轴向力达到目标值未破坏，增大目标值重复上一步。

煤样LH-1～LH-3对应的压力分别为0.5，1.0，1.5 MPa；
瓦斯初始流量分别为0.692，0.056，0.058 L/min，结果见表2。

表2 卸围压试验结果Table 2 Results of unloading confining pressure test

试样应力和围压变化过程如下：LH-2试样初始轴向力12 kN，围压6 MPa；
从12 kN开始加载轴向力直至目标值80 kN，此过程围压保持不变；
煤样破坏时围压降至4.93 MPa，轴向力79.96 kN；
破坏后围压为5.83 MPa，轴向力降至51.83 kN。LH-3煤样最大轴压为60 kN，10∶23∶14开始卸围压，围压卸载之前为6 MPa，煤样破坏后围压骤增至3.27 MPa，轴压由60 kN骤降至36.32 kN，如图2所示。

图2 LH-3试样压力加载过程Fig.2 Pressure loading process of LH-3 sample

由于煤样破坏时瞬间失稳，煤样轴压骤然下降，煤样破坏体积增加，煤体内瓦斯气体由破裂面释放至试验腔，致使围压迅速增加，故3组煤样均出现围压激增现象。卸围压过程现场应力现象主要表现为煤体开挖时新鲜揭露面受力状态转换为受力不均衡状态，在应力和瓦斯压力综合作用下瞬间失稳，与冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害发生过程类似。

3.1 不同试验阶段信号特征对比

以LH-2试样为例，加轴压、卸围压和破坏3个试验阶段的信号，各阶段信号相对应的采样点区间分别为加轴压[1 199，3 198]，卸围压[17 955 100，17 957 099]，破坏[18 411 000，18 414 999]等，试验中先保持围压稳定，同时以加载速度均为0.05 mm/min的速度加载轴压至稳定，卸围压和破坏时监测信号时域波形如图3(a)～图3(b)所示。

图3 不同时刻信号波形Fig.3 Signal waveform at different time

小波尺度谱图如图4(a)～图4(c)所示，主频为50 Hz，此外在加轴压过程中还存在250，800 Hz，2个信号频带；
在卸围压过程中微震信号中除以上频段外，还存在125 Hz频段；
且二者不同频段信号能量不同。煤样破坏时未见明显主频信号，信号成分复杂，所含频率范围广。加轴压和卸围压过程中各频段信号均在整个时间片段内持续分布，破坏时刻仅在250～700 ms之间存在不连续的、不同能量的信号成分。煤体破坏时信号持续时长和频率成分均明显区别于加轴压和卸围压时的监测信号。

图4 小波尺度谱Fig.4 Wavelet scale spectrum

轴压增加和围压卸除阶段的信号频率主要在300 Hz以下，未见信号跳变。加轴压和卸围压时信号频带范围基本相同。加轴压和卸围压阶段的信号主频均为50 Hz，均存在250 Hz频段，但卸围压阶段监测信号存在125 Hz频带和700 Hz频带，可见在不同阶段信号呈现出明显不同的特征，频率存在较大差别。为有效提取卸围压过程中煤样破裂微震信号。加轴压和卸围压信号4层小波分解，1～3频带(0～375 Hz)信号幅值最大，与连续小波变换结果一致。加轴压和卸围压的能量主要集中于小波包分解1和2频带，加轴压信号中1和2频带分别占信号总能量的85.27%，12.28%；
卸围压信号中1和2频带分别占总能量的64.15%，26.92%；
破坏时1～3频带能量占比分别为52.83%，10.09%，24.36%，375 Hz以下的低频部分能量占比最大。

煤样破坏后进入应力残余阶段，信号主频转变为256 Hz，试验仪器主要干扰频带依然分布于低频段。综合不同阶段信号频率特征可知干扰主要为1～3频带，低频段与煤样破坏频带范围不重叠，不会干扰煤样破坏信号采集，但是700 Hz附近存在干扰频带，1 000 Hz以上基本不存在信号干扰。

3.2 内部裂纹扩展与煤体破裂信号特征对比

煤体破坏前煤样会在内部形成细小破裂，产生不同时-频特征的微震信号，通过对不同阶段的监测信号进行连续小波变换，从完整监测信号中可截取不同阶段的包含煤样破裂信号的微震信号片段，裂纹扩展(S1)、破坏时(S2)的信号，时间区间分别为S1[17 468 600，17 470 599]，S2[18 411 000，18 414 999]，S1对应时域波形如图5所示。

图5 信号S1波形Fig.5 Waveform of signal S1

煤样裂纹扩展和破坏信号的尺度谱图如图6所示，呈现明显不同特征：裂纹扩展信号频率主要在300 Hz以下，且频率400 Hz以下(50，125，250 Hz等频带)的各频带信号持续性或间断性出现并具有一定的周期性特征，无明显信号跳变；
700 Hz附近存在持续性信号，信号幅值较低，能量小；
500～2 000 Hz存在1段跳变信号，为煤样内部裂纹扩展产生的微震信号；
煤样破坏信号不稳定、信号跳变多，跳变信号产生频次高，各频带无持续性信号，无明显分带，信号主频为800 Hz。

图6 信号S1小波尺度谱图Fig.6 Wavelet scale spectrum of signal S1

由于煤样破坏失稳致使煤样不同部位间产生滑移错动，由此产生除仪器运转之外的信号干扰，根据连续小波包变换煤样破坏后的残余阶段干扰信号主频变为256 Hz。加载和卸围压初期煤样破裂频次低、信号跳变少。破坏过程中伴随煤体不同部位间相对位移，产生摩擦、揉搓，故煤样破坏时信号频率成分复杂。

综上，干扰信号频率主要在500 Hz以上，375 Hz(1～3频带)以下信号的震动源并非煤体破裂，即为信号干扰，故将1～3频带信号去除，即可获得煤体破坏时去除干扰的信号波形，LH-2和LH-3煤样破坏微震信号去除干扰频带后波形如图7所示，由图可知LH-2在1 s内连续发生2次能量基本一致的连续性失稳破坏。LH-3煤样失稳时仅产生1次大能量破裂信号，随即进入残余阶段。

图7 去除1～3频带重构信号波形Fig.7 Reconstructed signal waveform removing 1～3 bands

综上，轴压增加时煤样承受轴向压力逐渐增加，在此阶段信号频率主要为50，250 Hz 2个频带，围压卸除阶段还存在125，700 Hz频带2个频带有明显区别，此外整个加压阶段频率成分基本保持不变。卸载期间的煤样破裂信号范围在500～2 000 Hz之间，破坏时成分复杂跳变多，破坏时信号幅值最大约2 800 mV，卸围压过程中最大幅值约为240 mV，以LH-3为例破坏时轴压由60 kN骤降至36.32 kN，围压由2.246 MPa增至3.269 MPa。

3.3 微震响应事件特征

将信号经过上述处理后对试验过程中微震事件(以每次煤样破裂释放微震信号为1个事件)进行统计，即每分钟煤样破裂信号释放的次数，煤样破坏前微震事件极少，煤样破坏后小破裂会间断性发生并持续至结束。其中，LH-2事件总数为176，破坏时事件数为76，破坏后事件数为92，分别占比43%，52%；
LH-3事件总数为184，破坏事件数为66，破坏后事件数为114，分别占比36%，62%。

煤样破坏前后15 s左右的事件分布及各事件相应的幅值如图8所示，破坏时信号幅值最大，且煤样破裂事件最多。煤样LH-2破坏时每秒事件频数为14，破坏前1 s事件数7次，破坏后1 s 6次，LH-3破坏时事件数为15次，破坏前1 s 4次、破坏后6次。可见破坏前短时间内会有微震事件发生，而试验初期基本无微震信号，破裂前连续数秒有微震事件。

图8 LH-2破坏前后微震事件统计Fig.8 Statistics of micro-seismic events before and after LH-2 failure

将微震信号事件与应力变化曲线关联情况如图9所示，加载初期甚至整个轴压增加过程中煤样处于内部裂隙被压密阶段，无新裂隙产生基本无微震事件。开始卸围压时煤样由于围压降低煤体内部裂隙不断孕育、扩展，事件数增加直至煤样破坏时围压突然增加，轴压骤然下降，随后载荷曲线缓慢下降；
煤样破坏前积聚大量能量，破坏瞬间释放，因此煤样破坏微震信号能量最大、持续时间最长、事件频次最大，煤样破坏后微震事件频次开始逐渐衰减，残余阶段事件能量和频次均低于煤样破坏时。

图9 LH-2轴压、围压变化及事件分布Fig.9 Variation of axial pressure and confining pressure and event distribution of LH-2

1)干扰主要为1～3频带。低频段与煤样破坏频带范围不重叠，基本不会对煤样破坏信号产生干扰，700 Hz附近存在干扰频带与煤样破裂信号频带重叠，1 000 Hz以上基本不存在信号干扰。

2)内部裂纹扩展信号除干扰外，信号主频为700 Hz。前期煤样内部裂纹扩展缓慢，事件产生频次低；
煤样破坏信号不稳定、信号跳变多，跳变信号产生频次高，各频带无持续性信号，信号频率成分无明显分带，信号主频为800 Hz。

3)煤样破坏微震信号能量最大，信号成分复杂。煤样破坏前积聚大量能量，破坏时瞬间释放，破坏时信号幅值最大约2 800 mV，卸围压过程中最大幅值约为240 mV。破坏过程中煤体不同部位间，产生摩擦、揉搓，故煤样破坏时信号频率成分复杂。

4)煤样破坏时频次最高。LH-2事件总数为176，破坏时事件数为76，破坏后事件数为92，分别占总事件比例43%，52%；
LH-3事件总数为184，破坏事件数和破坏后事件数分别占比36%，62%。