不同工序下煤巖破裂電磁異常信號特征分析＊

楊 威 曹 旭 張小剛 王啟飛

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

不同工序下煤巖破裂電磁異常信號特征分析＊

楊 威 曹 旭 張小剛 王啟飛

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

為防止煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)誤判突出危險性，采用自主研發(fā)的ZDKT-1煤巖動力災(zāi)害實驗?zāi)M系統(tǒng)，采集3種常見誤判影響因素 （打鉆、割煤和放炮）下的電磁異常信號，利用希爾伯特-黃變換對信號進行頻譜分析，得出電磁異常信號的頻譜特征。測試結(jié)果表明，打鉆、割煤和放炮3種作業(yè)過程中電磁信號呈現(xiàn)不同的變化特征；希爾伯特-黃變換及希爾伯特 （Hilbert）譜分析在電磁信號去噪方面取得較好的濾波效果。

煤巖突出危險性 電磁異常 煤巖動力災(zāi)害 希爾伯特-黃變換

煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害嚴(yán)重制約了煤礦安全生產(chǎn)。研究表明，煤巖動力災(zāi)害的發(fā)生是由于壓力超過煤巖體的強度極限，聚積在巷道周圍煤巖體中的能量突然釋放，較大范圍的煤巖體或含瓦斯煤巖體突然失穩(wěn)導(dǎo)致的。準(zhǔn)確識別前方煤體所處應(yīng)力狀態(tài)，進而對煤巖動力災(zāi)害危險狀態(tài)進行判斷，對煤巖動力災(zāi)害預(yù)測預(yù)報具有重要的意義。

電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或物理現(xiàn)象，其強度和脈沖數(shù)與煤巖體所受應(yīng)力狀況密切相關(guān)，其在煤礦采掘中得到較為廣泛的應(yīng)用。由于井下作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，且電磁輻射是寬頻的，利用電磁輻射監(jiān)測煤巖動力災(zāi)害危險性會受到諸多因素的影響，例如作業(yè)方式、地質(zhì)構(gòu)造和防突措施等均會對電磁輻射監(jiān)測有較大影響。作業(yè)方式是最重要的影響因素，因此研究不同作業(yè)方式下的電磁信號特征，區(qū)分正常作業(yè)方式下的電磁異常和煤巖動力災(zāi)害發(fā)生前的電磁異常，可防止煤巖動力災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)誤判，進而提高煤巖動力災(zāi)害危險性判斷的準(zhǔn)確性。

本文采用自主研發(fā)的煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，采集3種煤體強破壞工序下電磁異常信號，研究煤巖破裂電磁異常信號與作業(yè)方式的對應(yīng)關(guān)系。

1 測試系統(tǒng)

煤巖動力災(zāi)害測試系統(tǒng)監(jiān)測原理是通過在工作面設(shè)置電磁傳感器、微震傳感器、聲發(fā)射傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱽肀O(jiān)測采掘過程中所發(fā)生的電磁、微震、聲發(fā)射、瓦斯?jié)舛榷鄠€參量，甄別異常信號，然后傳輸信號至各個監(jiān)測分站，監(jiān)測分站利用目前環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)，將信號傳輸?shù)降孛娼粨Q機，然后進入地面監(jiān)測主機，利用計算機主機的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，進行分析預(yù)測，判斷災(zāi)害的危險性。如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸原理圖

自主研發(fā)的ZDKT-1煤巖動力災(zāi)害實驗?zāi)M系統(tǒng)集成了電磁、微震、聲發(fā)射、瓦斯等多種監(jiān)測指標(biāo)。電磁信號接收天線為正交分布的兩個磁棒天線，能夠接收環(huán)境中兩個方向的電磁信號。數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)使用美國國家儀器公司 （NI）的cRIO-9074嵌入式機器控制與監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采樣頻率為3 k Hz，具有高容量、低功耗、400 MHz工業(yè)級即時處理等優(yōu)點，能夠完整準(zhǔn)確采集煤樣沖擊破壞過程中電磁、微震、聲發(fā)射等信號數(shù)據(jù)。

2 電磁信號分析方法

2.1 希爾伯特－黃變換 （HHT）分析方法

電磁信號分析方法選擇Huang等學(xué)者提出的希爾伯特-黃變換 （HHT）方法，該方法的核心為經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解 （EMD）方法。對于任一原始信號f （t），EMD將源信號分解為多個固有模態(tài)分量（IMF）的組合，即：

式中：f （t）——分析信號；

cj（t）——IMFj分量值；

n——IMF個數(shù)；

r（n）——殘差分量。

每一個IMF必須滿足文獻 ［10］中規(guī)定的兩個條件。根據(jù)濾波需要，采用式 （1）去掉其中某幾個分量便可實現(xiàn)EMD低通、高通和帶通濾波。

該方法以信號變化的內(nèi)部時間尺度作為能量，把信號從高頻至低頻分解成多個固有模態(tài)函數(shù)分量（IMF）。其中每一個IMF分量都具有很好的希爾伯特變換的特點，由于分解過程是按照信號局部的時間尺度來計算的，因此能分析不同性質(zhì)的信號，如非平穩(wěn)信號與平穩(wěn)信號，非線性信號與線性信號。IMF分量經(jīng)過希爾伯特變換，可得到該分量的瞬時頻率和瞬時幅值，使信號能反應(yīng)出瞬時波動的特征，最后可以表示成時間-頻率-幅度的三維分布圖，叫做希爾伯特譜。

2.2 DataDemon軟件

DataDemon軟件是由美國的DynaDx公司開發(fā)的一個信號分析處理工具，其可實現(xiàn)針對非穩(wěn)態(tài)非線性訊號處理的希爾伯特-黃變換 （H HT）、各種模態(tài)拆解方法的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解 （EMD）、訊號復(fù)雜度評估的多尺度熵 （MSE）、高解析的強化式小波轉(zhuǎn)換等功能。

3 現(xiàn)場測試結(jié)果及分析

3.1 測試地點

ZDKT-1煤巖動力災(zāi)害實驗?zāi)M系統(tǒng)在平煤十礦得到了應(yīng)用。十礦是一個高瓦斯嚴(yán)重突出的深部開采礦井，丁組、戊組、己組煤層均發(fā)生過煤與瓦斯突出，這與其所處的構(gòu)造位置有著密切關(guān)系。平頂山十礦丁組和戊組煤層發(fā)生的40次煤與瓦斯突出，有39次屬于壓出，這反映了構(gòu)造應(yīng)力的強烈作用。選取丁5.6-21180機巷掘進工作面和丁5.6-21170回采工作面為現(xiàn)場測試地點，見圖2。系統(tǒng)安裝有3個探頭，即探頭A、探頭B和探頭C。探頭A布置在丁5.6-21180掘進工作面機巷，傳感器放置在風(fēng)筒的另一側(cè)，距離掘進頭30 m，隨著巷道掘進移動，傳感器與巷道平行，距巷道底板1.2 m，距巷道側(cè)壁120 mm。探頭B和探頭C布置在丁5.6-21170回采工作面，其中探頭B布置在風(fēng)巷，距離回風(fēng)巷道口100 m，位置固定不變，傳感器與巷道平行，距巷道底板1.2 m，距巷道側(cè)壁120 mm；探頭C布置在機巷，距離開切眼30 m，傳感器與巷道平行，距巷道底板1.2 m，距巷道側(cè)壁120 mm，傳感器隨著工作面移動。

圖2 現(xiàn)場測點布置圖

3.2 不同工序下的電磁信號特征

煤礦采掘過程中，放炮、打鉆和割煤等工序?qū)γ簬r動力災(zāi)害監(jiān)測準(zhǔn)確性影響較大。研究此3種工序下煤巖破裂電磁異常信號特征，對防止煤巖動力災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)誤判具有重要的意義。為此，本文分別采集放炮、打鉆和割煤過程中的電磁異常信號，采用希爾伯特-黃變換和希爾伯特譜分析方法對采集信號加以分析。

3.2.1 放炮過程中電磁信號特征

2012年4月17日，丁5.6-21180機巷18∶40時刻進行放炮作業(yè)，圖3為放炮落煤過程中電磁異常信號，從圖3（a）可以看出，18∶40∶30時刻出現(xiàn)明顯的電磁異常信號，由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，采集信號包含大量的電磁噪聲，實際應(yīng)用中需要對采集信號進行去噪。?

圖3 放炮過程電磁異常信號

將圖3（a）中信號分為兩個時間段，分別為包含電磁異常信號部分 （18∶40∶29～18∶40∶31）和不包含電磁異常信號部分 （即純噪聲時間段，18∶40∶31～18∶40∶33）。對兩個時間段的信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，然后經(jīng)過希爾伯特變換即可得到電磁異常信號的希爾伯特邊際譜，如圖4（a）所示。邊際譜縱軸為無量綱量，其幅值大小代表此頻率信號出現(xiàn)的可能性的大小。

圖4 放炮過程電磁信號頻譜特征

從圖4（b）可以看出，純噪聲電磁信號頻段有兩個，分別為0～40 Hz和400～500 Hz，說明背景干擾信號主要集中在這兩個頻段。從電磁異常信號希爾伯特邊際譜 （圖4（a））可以看出，0～20 Hz頻段信號幅值變化明顯，其幅值最大能達到0.5，遠高于純噪聲信號幅值 （最大幅值為0.04）。由此可知，放炮過程電磁異常信號主頻主要集中在0～20 Hz頻段。采用EMD低通濾波對信號去噪，去噪后的信號如圖3（b）所示。可以看出，去噪后的電磁信號呈現(xiàn)先近似直線上升到最大值，隨后迅速減小，末尾小幅振蕩衰減的特點，幅值最大為0.6 m V，信號基本在零刻度線以上，持續(xù)時間小于2 s。

前人研究表明，有沖擊地壓或煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害危險時，電磁輻射強度會呈現(xiàn)突然增大或先由大變小，一段時間后又突然增大的現(xiàn)象，且電磁輻射主頻帶呈現(xiàn)先增高后降低，隨后又增高的趨勢。放炮過程電磁輻射明顯增強，易被誤認為有煤巖動力災(zāi)害危險。但其主頻帶為0～20 Hz，主頻帶頻率較為固定，且較低，與煤巖動力災(zāi)害危險發(fā)生過程電磁輻射頻譜特征存在顯著差別。因此，利用電磁輻射預(yù)警時，放炮過程呈現(xiàn)的電磁輻射現(xiàn)象應(yīng)視為干擾，不能作為判斷煤巖動力危險性的依據(jù)。

3.2.2 打鉆過程中電磁信號特征

2012年4月17日，丁5.6-21180機巷零點班實施排放瓦斯措施，圖5為打排放措施鉆孔實施過程中采集到的電磁異常信號。從圖5（a）去噪前原始信號可以看出，電磁信號呈現(xiàn)多脈沖形式。

圖5 打鉆過程電磁異常信號

將打鉆過程中電磁信號經(jīng)EMD和希爾伯特變換后得出打鉆過程電磁異常信號的希爾伯特邊際譜，如圖6所示。打鉆過程中噪音信號頻譜特征和放炮過程噪音相同，在此不再贅述。

從圖6希爾伯特邊際譜圖可以得出，40～80 Hz的信號幅值高于其他頻段，信號主頻為50 Hz。經(jīng)實際分析，可認為此電磁異常信號應(yīng)為鉆機本身產(chǎn)生的50 Hz的工頻干擾。多脈沖特征的產(chǎn)生與鉆機轉(zhuǎn)動頻率有關(guān)。采用EMD帶通濾波將信號去噪，將40～80 Hz的模態(tài)信號提取出來，如圖5（b）所示。信號在±0.6 m V之間波動，單脈沖持續(xù)時間小于1 s。

圖6 打鉆過程電磁異常信號邊際譜

打鉆過程中電磁輻射水平變化明顯，也易被誤認為有煤巖動力災(zāi)害危險，但其主頻帶保持在40～80 Hz低頻帶，主頻主要為50 Hz，主要是鉆機本身產(chǎn)生的電磁干擾。因此，利用電磁輻射預(yù)警時，打鉆過程呈現(xiàn)的電磁輻射現(xiàn)象也應(yīng)視為干擾，不能作為判斷煤巖動力危險性的依據(jù)。

3.2.3 割煤過程中電磁信號特征

2012年4月17日，丁5.6-21170回采工作面進行回采，回采割煤過程中采集到電磁異常信號見圖7，從圖7（a）去噪前原始信號可以看出，割煤作業(yè)對煤體產(chǎn)生迅速的大面積破壞，隨著煤體的采落，會產(chǎn)生較大幅度的電磁輻射信號，信號幅值的基線會上浮，電磁信號呈現(xiàn)波動大、持續(xù)時間長、基線突然上浮或下移等特征。

圖7 割煤過程電磁異常信號

將割煤過程中電磁信號經(jīng)EMD和希爾伯特變換后得出電磁信號的希爾伯特邊際譜，如圖8所示。割煤過程中噪音信號頻譜特征和放炮過程噪音相同，在此不再贅述。

從圖8希爾伯特邊際譜可看出，10 Hz以下電磁信號出現(xiàn)的概率明顯高于其他頻段，由此可認為割煤作用下電磁異常主頻為10 Hz以下。經(jīng)EMD低通濾波對電磁信號去噪，去噪后信號如圖7（b）所示。去噪后電磁信號最大值在0.8 m V左右，落煤過程電磁信號基線突然上浮，信號基本在零刻度線以上，信號呈現(xiàn)無規(guī)則的脈沖形狀。

圖8 割煤過程電磁異常信號邊際譜

割煤過程中電磁輻射水平劇烈變化，也易被誤認為有煤巖動力災(zāi)害危險，但其主頻帶同樣較為固定，并且較低，與煤巖動力災(zāi)害危險發(fā)生過程電磁輻射頻譜特征存在顯著差別。因此，利用電磁輻射預(yù)警時，割煤過程呈現(xiàn)的電磁輻射現(xiàn)象也應(yīng)視為干擾，不能作為判斷煤巖動力危險性的依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）通過分析打鉆、割煤和放炮3種作業(yè)過程中電磁信號希爾伯特頻譜特征，認為不同作業(yè)下電磁異常信號呈現(xiàn)不同的變化特征。放炮過程電磁信號呈現(xiàn)先近似直線上升到最大值，隨后迅速減小，末尾小幅振蕩衰減的特點，主頻為0～40 Hz；打鉆過程中鉆機本身產(chǎn)生的50 Hz的工頻干擾，信號呈現(xiàn)多脈沖特征；落煤電磁信號主頻為0～10 Hz，呈現(xiàn)基線突然上浮或下降，無規(guī)則的脈沖形狀。

（2）希爾伯特-黃變換 （HHT）及希爾伯特譜分析在電磁信號去噪過程中取得較好的濾波效果，EMD濾波方法可用于電磁異常信號的降噪處理。

（3）打鉆、放炮和割煤3種工序下電磁異常信號特征和煤巖動力災(zāi)害危險發(fā)生過程電磁輻射特征存在顯著差別，實際利用電磁輻射進行煤巖動力災(zāi)害預(yù)警時應(yīng)排除此3種工序下電磁異?，F(xiàn)象，進而達到防止煤巖動力災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)誤判動作的目的。

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Analysis on characteristics of abnormal electromagnetic signals for coal rock crack in different mining procedures

Yang Wei，Cao Xu，Zhang Xiaogang，Wang Qifei
（Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

In order to prevent the coal rock dynamic disaster monitoring system misjudging the outburst risk，the ZDKT-1 experiment simulation system through independent research and development for coal rock dynamic disaster is employed to acquire the abnormal electromagnetic signals under three common effecting factors-drilling，cutting coal and blasting.Hilbert-Huang Transform is used to analyze the frequency spectrum and the spectrum characteristics of abnormal electromagnetic signal are obtained.Test results show that electromagnetic signals present different characteristics in three different processes；Hilbert-Huang Transform and Hilbert spectral analysis have good filtering effects in denoising of electromagnetic signal.

coal rock outburst risk，electromagnetic anomaly，coal rock dynamic disaster，Hilbert-Huang Transform

TD324

A

國家自然科學(xué)基金項目 （51274206）

楊威 （1986-），男，現(xiàn)為中國礦業(yè)大學(xué)（北京）在讀博士研究生，從事煤礦瓦斯災(zāi)害防治方面研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）