岩石力学与工程学报 Vol.27 No.3
2008年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2008
煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验
与实证研究
陆菜平1，窦林名1，吴兴荣2，牟宗龙1，陈国祥1
(1. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2. 徐州三河尖煤矿，江苏 徐州 221613)
摘要：冲击矿压造成煤矿巷道及开采空间的破坏，其主要原因是冲击震源产生的振动波传递并扰动处于极限应力状态的煤岩体而诱发能量的突然释放。微震监测技术通过反映煤岩体变形破裂释放的能量以及频谱特征而实现冲击矿压的监测预报，其前兆信息研究是识别冲击矿压危险程度的关键。利用TDS–6微震采集系统测试三河尖煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏全过程的微震信号，发现在循环加载的后期，冲击前兆微震信号的低频成分增加，频谱向低频段移动，振幅较低，而试样冲击破坏诱发主震信号的高频成分增多，且振幅达到最大值。现场冲击矿压监测表明，前兆微震信号频谱中低频成分增加，且振幅开始逐渐上升。当冲击矿压发生时，主震信号的振幅达到最大值，频谱相对于前兆信号而言，高频成分明显增多。由此，微震信号的频谱向低频段移动，且振幅逐渐增加可以作为冲击矿压发生的一个前兆信息。这一结论对于利用微震监测系统监测预报冲击矿压具有一定的借鉴意义。
关键词：采矿工程；冲击矿压；微震；前兆信息；频谱特性
中图分类号：TD 324 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)03–519–07
EXPERIMENTAL AND EMPIRICAL RESEARCH ON
FREQUENCY-SPECTRUM EVOLVEMENT RULE OF ROCKBURST
PRECURSORY MICROSEISMIC SIGNALS OF COAL-ROCK
LU Caiping1，DOU Linming1，WU Xingrong2，MOU Zonglong1，CHEN Guoxiang1
(1. State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，
China；2. Sanhejian Mine of Xuzhou Coal Mining Group，Xuzhou，Jiangsu 221613，China)
Abstract：The major reason that roadway or working face in coal mine is destroyed by rockburst is that the rockburst tremor generated by shock wave propagates and disturbs the coal-rock materials in the limit stress state. Microseismic(MS) technology can monitor and forecast rockburst by revealing indirectly energy release in deformation and fracture and frequency-spectrum characters of the coal-rock materials. To distinguish the danger classes of rockburst，the research on precursory information is a key question. By the TDS–6 MS test system，the MS signal of the compound coal-rock samples obtained from Sanhejian coal mine is studied in the processes of deformation，fracture and rockburst. It is found that the low-frequency components in precursory MS signals in the later period of cyclic loading will increase，the frequency-spectrum will move to low frequency band，and the
收稿日期：2007–08–08；修回日期：2007–12–24
基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAK04B02，2006BAK03B06)；中国矿业大学青年科研基金项目(OA060084)；江苏省研究生创新工程计划项目(6A070190)
作者简介：陆菜平(1978–)，男，2001年毕业于中国矿业大学能源与安全工程学院采矿工程专业，现为博士研究生、讲师，主要从事冲击矿压防治方面的教学与研究工作。E-mail：cplucumt@126.com
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amplitude is lower. But the high-frequency components in mainshock signals induced by rockburst will increase and the amplitude will increase suddenly to the maximum value. By monitoring the rockburst catastrophe on spot，the low frequency components in precursory MS signals will increase，and the amplitude will also begin to increase gradually. When rockburst happens，the amplitude of the mainshock signal suddenly increases to the maximum value，the high-frequency components will obviously increase compared to precursory signals. Based on the results，it can be believed as precursory information of rockburst that the frequency-spectrum of MS signals starts to move towards low frequency and the amplitude will also begin to increase. The conclusion will generate considerable important directive significance for monitoring and forecasting rockburst catastrophe with MS monitoring system in coal mines.
Key words：mining engineering；rockburst；microseism；precursory information；frequency-spectrum property
的循环加载试验中发现，后期循环中声发射波形的低频成分明显增多。M. Ohnaka等[10
，11]
1 引 言
微震技术作为监测预报矿井煤岩动力灾害的一种区域性的监测手段，同时具有谱成分丰富、频带较宽的特性，能够实时监测采场围岩空间破裂形态、顶板活动以及冲击矿压等释放的能量，并对振动事件进行准确定位[1
，2]
在安山岩和
花岗岩的单轴压缩试验中发现，当岩石接近破坏时，低频声发射事件增多。M. D. Read等[12]在三轴压缩下对水饱和砂岩的研究成果表明，声发射波形在应力峰值前为高频低振幅，在峰值后表现为低频高振幅。刘力强等[13]对几种不同结构的岩石标本在变形过程中声发射频谱的测试研究表明，声发射频谱的特征不仅受标本结构的影响，而且在不同变形阶段也表现出不同的特征，只有当变形以破裂为主时，声发射频谱在失稳前会出现明显的下降。李俊平等[14]通过水力耦合下岩石声发射测试发现，声发射主频与岩石的强度有关，强度越高，主频也越宽，在破坏时，声发射信号的主频分布范围较广，且低频成分占绝大多数。王恩元等[15]通过单轴抗压试验发现，煤体受载破裂时，声发射信号的频谱不是一成不变的，而是随载荷及变形破裂过程而发生变化，基本上是随着载荷的增大及变形破裂过程的增强，声发射信号增强，主频带增高。
本文在中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室利用TDS–6微震采集系统测试了三河尖煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏全过程的微震信号，通过带阻滤波以及时–频分析，得到了试样冲击破坏前兆微震信号的频谱演变规律，同时利用现场微震监测系统采集的冲击矿压微震信号，对比分析了其频谱演变的规律，验证了实验室研究的正确性。
。在南非、加拿大、波兰以及
德国的金属矿山和煤矿，开展微震监测岩爆与冲击矿压等动力灾害的研究较早，也取得了丰硕的成果。但上述研究只注重岩爆或冲击矿压等动力灾害诱发微震事件数以及能量的统计规律，而没有深入研究灾害前兆微震频谱特性，如W. Blake等最先在硬岩矿井中进行微震监测，发现在冲击发生之前，微震活动性有一个异常增加。B. Brady和F. W. Leighton[4]也研究了硬岩矿井冲击矿压前兆的微震事件，以及煤矿顶板垮落的数个微震事件，发现微震一开始首先增加，出现岩石破裂前兆时，微震产生突降。此外，许多研究人员普遍增加。
微震的振幅、事件数以及频率等参数能够反映微裂纹扩展的数量、尺寸、方位等，是与煤岩体的损伤程度相关的[7]。不同损伤机制所导致的微震信号具有不同的频谱特征，会存在一个与之相应的特征谱[8]。在微震信号强度相同的条件下，其频谱可能是不同的。因此，研究冲击矿压前兆微震信号的频谱演变规律有助于实现冲击灾害的监测预报。
经过大量国内外文献资料的检索可知，有关冲击矿压前兆微震信号的频谱特性研究甚少，只有部分学者测试了岩石试样变形破裂过程中的声发射事件数以及频谱特征。H. Spetzler等[9]在花岗岩试样
[5，6]
[3]
[2]
发现应力增加易
导致冲击矿压，且冲击矿压发生之前，微震事件数
2 组合煤岩试样冲击破坏微震试验
2.1 组合煤岩试样的加工
第27卷 第3期 陆菜平，等. 煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验与实证研究 • 521 •
从三河尖煤矿采集煤岩样，遵照行业标准将煤岩块加工成直径为50 mm的试样，锯成高20，30，35，70 mm左右的圆柱体，并将两端磨平。按不同的高度比以及“顶板–煤层”或“顶板–煤层–底板”的组合形式，黏合成近50 mm×100 mm试样。图1所示为组合试样实物照片，表1所示为组合试样中各亚层的高度之比。
图1 组合煤岩试样实物照片
Fig.1 Real photo of compound coal-rock samples
表1 组合试样中各亚层的高度之比
Table 1 Height ratios of sublayers of compound samples
试样编号
试样高度/mm
高度比(顶板∶煤样∶底板或
顶板∶煤样)
RCF1 98 2.65∶1.5∶1 RCF2 103 1.35∶1.42∶1 RC3 98 1∶1.65 RC4 110 1.55∶1 RC5 114 1.7∶1 RC6 115
1.5∶1
2.2 试验系统
加载装置采用高精度的能控制加载速度的SANS材料试验机(见图2)，用于进行组合煤岩加载和应力–应变全过程曲线的测定。试验采用循环方式进行加载，首先以0.2 kN/s的速度加载到5 kN左右，然后开始卸载，一直卸载到0.2 kN左右，然后再加载直至试样冲击破坏。
微震信号采用TDS–6微震信号采集系统进行采集(见图3)，系统由6个采集分站和中心主站组成，可完成对信号的采集、记录和分析。本试验采用了4个采集分站。 2.3 试验系统参数
微震系统选择全通1～100 Hz，设定STA/LTA =
图2 压力机及微震采集分站实物照片
Fig.2 Real photo of press machine and MS collection stations
图3 微震信号采集主站 Fig.3 MS signal collection main station
1.5。扫描时间设定为1 s。最大采样电压值为5 000 mV。记录方式采用触发记录，4个分站的采集数据大于设定触发阈值时才记录，从事件开始前10 s记录，事件结束后30 s停止记录。
3 组合煤岩试样冲击破坏微震信号
图4所示为组合煤岩试样冲击破坏过程中采集的微震信号振幅以及加速度的时程曲线。因篇幅限制，本文只给出其中部分试样1个分站的采集结果。
由图4可知，组合煤岩试样冲击破坏时微震信号的振幅以及加速度达到最大值，冲击之前的信号强度相对较低。从前兆信号与主震信号的间隔时间来看，根据试样冲击倾向性的测定结果发现，间隔时间越短，冲击倾向性越强。
4 前兆与主震信号的频谱分析
利用带阻滤波器对原始信号进行除噪滤波，通
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－
－
时间/s
－－
时间/s
(a)
RCF1试样1#站振幅、加速度时程曲线
－
－－
时间/s
－
－
时间/s
(b)
RC4试样4#站振幅、加速度时程曲线
－
－－
时间/s
－－
时间/s
(c)
RC5试样2#站振幅、加速度时程曲线
图4 微震信号振幅与加速度时程曲线 Fig.4 Vibration amplitude and time-history curves of
acceleration of MS signals
过时–频分析，得到了组合煤岩试样冲击破坏前兆以及主震信号的频谱分布规律。以RC3与RC4试样为例，图5，6所示为其冲击前兆微震信号与主震信号的频谱分布。
由图5，6可知，前兆微震信号的振幅较低，而 V/幅振时间/s
)1－zH·V(/度幅
频率 /Hz (a) 前兆微震信号
V/幅振
时间 /s
)1－zH·V(/度幅
频率 /Hz
(b) 主震信号
图5 微震信号的频谱分布(RC3试样) Fig.5 Frequency-spectrum distribution of MS signal
(sample RC3)
主震信号的振幅较高。从频谱来看，前兆信号的主频分布在50～100 Hz，低频成分较多。而主震信号
的频谱丰富，主频在20～300 Hz，高频成分增多。
综上所述，组合煤岩冲击前兆微震信号的低频成分增加，主频分布在50～100 Hz，振幅较低。而主震信号的高频成分增多，主频分布在20～300 Hz，且振幅达到极值。随着煤岩变形破裂直至形成主破裂面，前兆微震信号的主频将会降低，当试样冲击破坏时，主震信号振幅达到极值，且频谱开始向高频段移动。
5 现场观测实证
5.1 微震监测系统简介
第27卷 第3期 陆菜平，等. 煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验与实证研究 • 523 •
V/幅振
时间 /s
)1－zH·V(/度幅
频率 /Hz (a) 前兆微震信号
V/幅振时间
/s
)1－zH·V(/度幅频率
/Hz (b) 主震信号
图6 微震信号的频谱分布(RC4试样) Fig.6 Frequency-spectrum distribution of MS signal
(sample RC4)
三河尖煤矿微震监测系统由监测主控中心、中心观测站、煤气站观测站、南风井观测站和路新庄观测站组成。中心观测站：三分量探头，方向为正EW向、正SN向和垂直方向；煤气站观测站：垂直方向；南风井观测站：垂直方向；路新庄观测站：垂直方向。其中中心观测站和南风井观测站设在井下现有的硐室内，其他2个观测站采用地面钻孔布
置，以避免采动影响，减少数据误差，各测站间距在3 km左右。测站布置见图7。
拾震器带通频带5～500 Hz，数据采样率均为1 000 SPS。记录方式为事件触发记录。GPS时钟绝对时间误差小于1 ms。系统具有检测该台网0.0～4.5级冲击矿压事件的能力。 5.2 冲击矿压微震信号的频谱分析
图7 微震系统测站布置
Fig.7 Arrangement of observation stations of MS system
2003年6月18日中班07：01，三河尖煤矿9202工作面发生一起冲击矿压。当日中班对面上出口向下40 m范围进行煤粉量检测，8 m处孔深达4.7 m时，最大煤粉量3.9 kg/m；15 m处孔深3.8 m时，最大煤粉量3.8 kg/m；22 m处孔深达5.7 m时，最大煤粉量3.7 kg/m。钻孔时，孔深超过3 m后出现板炮、吸钻、卡死钻杆等严重动力显现，其中8 m处钻孔至3.2 m时诱发一个大板炮(经微震系统计算分析属轻微冲击)，导致约2 m×1.6 m×1 m的煤炭被崩出近2 m远。图8所示为微震监测系统接受到此
次冲击前兆信号的频谱特性曲线，其中观测站分别为煤气站与路新庄观测站。
由图8可知，冲击前兆微震信号的主频分布在0～50 Hz，低频成分占绝大多数。根据现场煤粉量的检测以及钻孔动力效应，可以判定工作面上方的坚硬顶板正处于断裂活动之中。
3
2 V/1 幅0振－1 －2－3
6
7
8
9 10 1112
时间 /(10 s)
)1－2.0 zH·1.5 V201.0 1(/度0.5
幅0.0
0
50
100150200
250 300 350 400450500频率 /Hz
(a) 煤气站观测站
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6
4 V/2 幅振0－2 －4
－66
7
8
9
10
11
12
时间 /(10 s)
)1 －6zH·4 V20 1(2/度
幅0
0 50 100 150 200 250300 350 400 450500
频率 /Hz
(b) 路新庄观测站
图8 前兆微震信号的频谱特性曲线
Fig.8 Frequency-spectrum characteristic curves of precursory
MS signal
图9所示为煤气站与路新庄观测站所采集到的此次冲击矿压主震信号的频谱特性曲线。
由图9可知，冲击矿压主震信号的频谱主要分布在0～200 Hz，高频成分(50～200 Hz)占绝大多数，主震信号的频谱相对于前兆信号明显向高频段移动，且振幅高达15 V。由于实验室试验条件与井下煤岩体所处的环境不同，煤岩试样变形破裂时将产生较高频的微声发射，而井下煤岩体产生宏观破断时将出现较低频的微震信号，故实验室测试的频率较井下监测要高。
综上所述，由于坚硬顶板变形破裂直至形成主断裂面，导致前兆微震信号频谱向低频段移动，且振幅开始增加。当顶板断裂诱发冲击时，主震信号
6
4 V/2 幅振0 －2 －4－6
6
7
8
910
11 12
时间 /(10 s)
)1－2.0z H·1.5 V201.01( /度0.5幅0.0 0
50 100 150 200
250 300 350 400 450500
频率
/Hz
(a) 煤气站观测站
15 10 V /5幅振0 －5－10
－15
6
7
8
9 10 11
12
时间 /(10 s) ) 1－4zH ·3 V2 021(/度1 幅0
0
50
100150200 250 300 350 400 450500
频率
/Hz (b) 路新庄观测站
图9 主震信号的频谱特性曲线
Fig.9 Frequency-spectrum characteristic curves of mainshock signal
的振幅达到最大值，由于冲击之后顶板仍然处于卸压活动之中，造成主震信号频谱明显向高频段移动，且呈现多个峰值的频率。
6 结 论
(1) 由实验室研究表明，组合煤岩冲击前兆微震信号的低频成分增加，主频分布在50～100 Hz，振幅较低。而主震信号的高频成分增多，主频分布在20～300 Hz，且振幅达到极值。
(2) 现场监测表明，冲击矿压前兆微震信号主频分布在0～50 Hz，低频成分占绝对多数。当冲击矿压发生时，主震信号的振幅达到最大值，主频分布在0～200 Hz，且高频成分增多，频谱明显向高频段移动。
(3) 坚硬顶板变形破裂直至形成主断裂面，导致前兆微震信号频谱向低频段移动，当顶板断裂诱发冲击时，主震信号的振幅达到最大值，由于顶板
岩体的振动卸压，造成频谱明显向高频段移动，且呈现多个峰值的频率。
(4) 微震信号的频谱向低频段移动，且振幅开始增加可以作为冲击矿压发生的一个前兆信息，这对于现场利用微震监测系统监测预报冲击矿压灾害具有一定的指导意义。 参考文献(References)：
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