傳感器安裝方式對巷道微震信號時域特征影響分析

陳付德，王承來，夏 輝，田佳豪，張愛華，張明偉，田壯才

（1.中煤新集能源股份有限公司新集二礦，安徽 淮南 232001；2.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

微震監(jiān)測技術是通過觀測微小地震事件來分析地下工程異常現象的地球物理技術，其基礎是聲發(fā)射學和地震學。微震信號的時域變化主要指信號在時間軸上的變化過程，這是描述微震信號變化最基本、最直觀的表達形式。時域是唯一一個實際存在的域，信號強度隨時間的變化規(guī)律就是時域特性，信號的時域特征包括信號的幅度、持時等。在時域內對信號進行濾波、放大、統(tǒng)計特征計算、相關性分析等處理，統(tǒng)稱為信號的時域分析。對信號進行時域分析時，有時一些信號的時域參數相同，但并不能說明信號就完全相同。因為信號不僅隨時間變化，還與頻率信息有關。普遍認為微震信號的頻率較高，一般在100～500 Hz，持續(xù)時間小于1 s。微震信號具有能量弱、信噪比低、頻率高及持續(xù)時間短等特點。煤巖變形破壞是內部裂紋萌生、擴展、匯聚的動態(tài)演化過程，利用微震設備監(jiān)測裂紋發(fā)育所釋放的彈性能在煤巖介質中傳播的應力波振幅、頻率等特征，可間接反映其內部裂紋演化規(guī)律。深入研究微震信號時域特征與裂紋表征參量間的力學聯(lián)動機制，對提高基于微震監(jiān)測方法的沖擊地壓預警準確性具有重要的科學意義和工程價值。

1 試驗和結果

本試驗所用設備及材料包括采集分站、單軸傳感器、礦用隔爆兼本安型網絡交換機、防爆箱、礦用隔爆兼本安型電源、礦用絕緣鋼絲聚氯乙烯通信電纜、礦用阻燃通信光纜等。采集分站一端通過電纜與2 個傳感器相連，另一端用網絡線纜連接。在新集二礦230106 工作面機巷安裝2 個傳感器，分別采用錨桿安裝一個單分量傳感器和利用鉆孔埋設一個單分量傳感器，兩傳感器相距3 m。錨桿安裝具體為通過專用連接件將微震傳感器擰在常規(guī)錨桿上，與錨桿進行剛性耦合，使錨桿成為傳感器一部分。鉆孔埋設為鉆孔深度8 m，將微震傳感器導入到鉆孔底端，并向孔內注入水泥漿液，直至微震傳感器與鉆孔巖體完全黏連固結。

試驗持續(xù)一周時間，共采集到553 個微震事件。從原始微震數據中隨機選取一個微震信號（圖1），可以發(fā)現通道1 錨桿安裝的傳感器獲取信號的幅值更大、信號更強。

圖1 4 月27 日3 時18 分17 秒微震事件的波形分離圖Fig.1 Waveform separation diagram of microseismic event at 3:18:17 on April 27th

2 討 論

由于微震信號是時間函數，通常在時間域里描述該信號隨時間變化的性質，下文從微震信號幅值、持時和特征值等3 個方面，對比分析兩組微震信號時頻參數特征，分析信號質量。

2.1 微震信號幅值

圖2 為2023 年4 月27 日0 時44 分51 秒微震事件信號。通道1 為采用錨桿耦合安裝的傳感器捕獲的微震信號，幅值在-6.5～6.5 mV 波動，通道2為采用鉆孔耦合安裝的傳感器捕獲的微震信號，幅值在-2.5～2 mV 波動，通道1 信號最大幅值明顯大于通道2。

圖2 0427004451 微震波形圖Fig.2 Microseismic waveform of 0427004451

根據質點運動方向和振動傳播方向之間的關系，礦山微震信號中主要分為縱波（P 波） 和橫波（S 波）。P 波具有傳播速度快、振幅小、周期短等特點，S 波傳播速度次于P 波，周期較長，振幅較大。每幅圖中通道1 信號最大幅值顯著大于通道2，且通道1 微震信號段起振較明顯，采用錨桿耦合安裝的傳感器采集到的信號P 波和S 波成分更為豐富和清晰，利于特征提取。為使試驗數據更具普遍性，將7 d 內捕獲的553 個微震事件最大幅值進行對比，如圖3 所示。微震事件與傳感器之間的距離對接收信號的強弱有影響，由于兩傳感器安裝距離較近，可認為同一微震事件與兩傳感器的距離無差異。由圖可知，同一微震事件被通道1 捕獲信號的最大幅值均大于通道2 中信號的最大幅值（圖3）。經計算，通道1 中所有微震事件的最大幅值平均為10.15 mV，通道2 為3.55 mV，通道1 最大幅值平均約為通道2 的2.86 倍，可見采用鉆孔耦合安裝方式會造成微震信號能量損失（圖3）。而采用錨桿耦合安裝方式可更好的保留原始信號有效特征，所捕獲的微震數據幅值大，波形特征明顯，對微震信號識別和分析有利。

圖3 兩通道所有微震事件最大幅值對比Fig.3 Comparison of maximum amplitudes of all microseismic events in two channels

2.2 微震信號持時

微震有效信號持續(xù)時間（持時） 是微震監(jiān)測中一個重要指標。微震有效信號的持時以P 波初至作為起始點，以P 波和S 波衰減結束作為終止點。微震傳感器采用不同方式安裝，其耦合效果會影響所采集微震有效信號的持時長度，耦合效果不理想可能會漏掉信號段中的有效成分，導致微震信號的持時較短。因此，針對所采集到的微震信號中有效信號長度進行分析，用以對比兩種傳感器耦合安裝方式的優(yōu)劣。

選擇2 個微震事件進行分析，兩微震事件的采集時間分別為4 月28 日8 時12 分27 秒和4 月29日2 時2 分1 秒，如圖4 所示。圖中同一微震事件兩通道有效信號的起跳位置基本一致，但通道1 結束點位置滯后于通道2，說明通道1 有效信號持時較長。微震有效信號長度不僅與傳感器耦合方式有關，還受煤巖體物理性質影響。微震信號在煤巖體中傳播時，會吸收部分能量，造成能量衰減，有效信號長度會有一定的縮短。但兩傳感器安裝位置較近，煤巖體的物理性質基本無差異。因此，本試驗微震有效信號長度主要受傳感器耦合方式影響。有效信號長度反映兩種傳感器耦合安裝方式的優(yōu)劣，經分析可知，采用錨桿安裝傳感器捕獲微震信號有效長度大于采用鉆孔安裝的傳感器，且捕獲信號有效成分更多，更利于數據處理及分析。

圖4 4 月28 日8 時12 分27 秒微震波形圖Fig.4 Microseismic waveform of 8:12:27 seconds on April 28

由于微震信號能量值主要由有效信號段提供，為方便計算信號持時長度，采用經驗模態(tài)分解（Empirical Mode Decomposition, EMD） 算法對信號進行降噪處理，同時，EMD 算法可將非平穩(wěn)非線性信號從不同尺度的波動或趨勢分解成由高頻到低頻的數據序列，即若干IMF 分量和一個疊加殘差項，且可保留信號有效成分。圖5 為某一微震波形的分解效果圖，第1 個IMF 分量中高頻噪聲成分較多，而第2 個IMF 分量噪聲含量少，且較好保留了有效信號段。因此，選擇每個微震信號經EMD 分解后的第2 個IMF 分量作為研究對象，并在該分量中以能量貢獻率為5%的采樣點為起點，以90%為終點選取有效信號長度，計算所有微震事件的有效信號持時，如圖6 所示。圖中通道1 有效信號段持時分布在10 ～50 ms，通道2 有效信號段長度持時分布在0 ～20 ms，通道1 有效信號段長度平均為26.52 ms，通道2 為6.01 ms，通道1有效信號段長度平均約為通道2 的4.41 倍（圖6）。

圖5 信號波形EMD算法分解圖Fig.5 Decomposition diagram of EMD algorithm for signal waveform

圖6 兩通道所有微震事件持時對比Fig.6 Comparison of the duration of all microseismic events in two channels

2.3 微震信號特征值

時域統(tǒng)計特征可分為有量綱統(tǒng)計量和無量綱統(tǒng)計量，有量綱統(tǒng)計量的數值大小會隨外界參量量綱的變換而變化，而無量綱統(tǒng)計量不易受外界因素干擾，通常對振動信號較為敏感。因此，本次試驗選擇信號峰值、均方根值、峭度、偏度、裕度因子和脈沖因子等無量綱統(tǒng)計量作為震源參數。信號的峰值反映信號能量大小，均方根值反映振動信號的能量強度和穩(wěn)定性，峭度、偏度、裕度因子和脈沖因子可反映微震監(jiān)測信號是否有顯著振動特點。從每日的微震信號中隨意選取1～2 數據，共選10 組微震信號。將所選用的10 組微震信號進行波形特征提取，為使結果更直觀，將各特征值在柱狀圖中顯示，并依次對10 組微震信號進行1～10 編號，如圖7 所示。

圖7 信號特征分布柱狀圖Fig.7 Distribution histogram of signal feature

圖7（a）、圖7（b）、圖7（e）、圖7（f）顯示，通道1 信號特征值（峰值、均方根值、裕度因子和脈沖因子） 基本均大于通道2，表示同一微震信號被兩個傳感器所捕獲，但通道1 信號極端變化程度以及能量強度較高，錨桿安裝方式捕獲信號能力更強。圖7（c） 中除事件5 外，其他事件中通道1 和通道2 的信號峭度相當，表示兩種安裝方式均能捕獲到信號中的振動成分。圖7（d） 中偏度與峭度有一定關聯(lián)，用于度量數據分布的偏斜方向和程度，由于捕捉的微震信號在一定的時窗內可能分布在不同位置，所以偏度數值分布不一。從各特征值分布整體分析，通道1 中信號振動特性表現更為顯著，可為微震信號識別提供更多依據。

3 結 論

在新集二礦230106 工作面機巷使用2 種方式安裝微震傳感器進行為期一周的微震試驗，共采集到553 個微震事件，通過對比分析發(fā)現以下結論。

（1） 通過對比不同安裝方式傳感器接收到的微震信號的最大幅值，以評估微震信號的質量。研究發(fā)現，使用錨桿方式安裝的傳感器接收到的微震信號最大幅值均顯著大于使用鉆孔方式安裝的傳感器，最大幅值平均約為鉆孔方式安裝傳感器的2.86倍。對于微震信號的分析和識別，幅值越大的數據更有利。使用鉆孔安裝方式的傳感器在接收信號時存在一定的損失，不利于微震事件識別。

（2） 通過對傳感器所采集信號的有效信號段持時進行對比，以分析比較兩種傳感器耦合安裝方式所獲取信號的質量。如果耦合效果較差，采集信號時可能漏掉一些有效信號，導致信號持時長度較短。結果顯示，錨桿方式安裝的傳感器接受的有效信號持時長度均大于鉆孔方式安裝的傳感器，有效信號段長度平均約為鉆孔方式安裝傳感器的4.41倍，表明錨桿與傳感器耦合效果要優(yōu)于鉆孔與傳感器耦合，更有利于數據處理和分析。

（3） 通過提取傳感器捕獲微震信號的波形特征，進行特征值比較。結果顯示，使用錨桿安裝傳感器捕獲信號的峰值、均方根值、裕度因子和脈沖因子均大于鉆孔安裝的傳感器，表明使用錨桿安裝的傳感器捕獲信號極端變化程度以及能量強度更高，可以提供更多微震信號識別的依據。因此，錨桿安裝方式捕獲信號的能力更強，錨桿式安裝優(yōu)于鉆孔式安裝。