（控制理论与控制工程专业论文）基于小波分析的煤与瓦斯突出预测信号提取技术研究.pdf

摘要 摘要 煤与瓦斯突出是煤矿开采业最为严重的自然灾害之一。长期以来，采煤国家 在突出预测和防治方面做了大量工作，但由于煤与瓦斯突出本身的复杂性和研究 条件的局限性，对煤与瓦斯突出进行准确、可靠预测是一项长期、艰巨的任务。 非接触式预测是最有发展前景的预测方法。煤体声发射信号能够表征煤体的受力 情况，可以通过对声发射信号的监测来实现煤与瓦斯突出非接触式预测。因此本 文将煤体声发射信号作为研究对象，对其中用于突出预测的声发射信号加以提取、 处理，变为判别瓦斯突出的依据。但是由于声发射信号微弱且很容易受到噪声的 干扰，同时受力大小、煤体介质不同，信号特征也不一样，所以对煤体声发射信 号的提取和处理是一个长期以来未能很好解决的问题。已经提出并且在实践中取 得应用的一些方法都存在这样那样的缺陷，无法适应复杂多变的声发射信号情况。 为了寻找更为有效的提取煤体声发射信号的方法，本文将小波变换用于煤与瓦斯 突出信号提取中，利用小波变换良好的时一频特性，将采样到的声发射信号分解 在不同的尺度上，从而把所需的故障信息有效的提取出来。并运用m a u a b 仿真软 件，验证了该方法的有效性。此外，在分析过程中，从多个方面考虑了小波分析 在煤体声发射信号提取中所碰到的一些问题，如母小波函数的选取、分解尺度的 选择依据、阈值的选择、快速算法的实现等，为方案的实用化奠定了基础。 关键词：煤与瓦斯突出小波变换声发射去噪 河南理工大学硕士学位论文 s i t u d yo nd i s t i i i i n gs i g n a io fc o a la n dg a so u t b u r s t p r e d i c t i o nb a s e do nw a v e i e tt r a n s f o r m a b s t r a c t t h eo u t b u r s to fc o a ia 工l dg a si so n eo ft h em o s ts e n o u sn a t u r a lc a l a m l t l e s1 nt h e c o a lm i i l i n g f o ral o n gt i m e ，a 伊e a td e a lo fw o r kt op r e d i c t 锄dp r e v e n tm eo u t b u r s t h a v eb e e nd o n ei nm ec o a l - m i n i n gc o 州e s ，b u tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo f 血e o u t b u r s ti t s e l fa n dt h er e s 廿i c t i o no fs t 【l d y i n gc o n d i t i o n s ，i ti sal o n g t e n na n da r d u o u s j o bt op r e d i c tt h eo u t b u r s to fc o a la n dg a sa c c u r a t e l ya 1 1 dr e l i a b l y p r e d i c t i o nw i t l l o u t c o n t a c ti st h em o s tp r o n l i s i n gw a y p r e s s u r ei nc o a lc a i lb es h o w e db ya c o u s t i ce m i s s i o n s i g n a l si nc o a l ，w ec a ni m p l 吼e m 也ef e d i 商o no fg a so 谢b u 喊 i _ 也o u tc o n t a c tb y i n s p e c t i n ga n dm e a s u r i n gm ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l s s ot h e a c o u s t i ce m i s s i o n s i g n a l sh a 8b e e ns m d i e da sa 1 1o b j e c ti nt h i sp a p e r ，a n da l lo f w h i c hb eu s e df o rt 1 1 eg a s o u t b u r s ta b 蚰a c t e da i l dp r o c e s s e da st 1 1 eb a s i so f j u d 百n gt l eg a so u t b u r s t b u tb e c a u s e t h ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g t l a l sa r ew e a ka n de a s yt ob ea 髓c t e db ya 1 1k i n d so f d i s m r b a n c e s m o i s e ，a l s oa sp r e s s l l r ea n dm e d i u mo fc o a lb o d ya r ed i 虢r e m ，血e s i 髓a 1c h a r a 懒sa r ea l s od i 鼠r e n t ，s oi th a s n tb e e ns o l v e dw e l lf o rai o n gt i m et os e l e c t a 1 1 dd e a l 、v i t l l 吐l ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l so fc o a lb o d ms o m em e t l l o d s 血a th a v eb e e n p u tf o r w a i r da n da p p l i e di np r a c t i c ea 1 1h a v es u c h a n d - s u c hd e f e c t sa n dc a n ta d 印tt l l e c o l p l e xs i m a t i o n so fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l s i no r d e rt os e a r c ht h em o r ee 虢c t i v e m e t l l o d sf o rp i c k i n gu pt h ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l so fc o a lb o d y t l l i sp a p c r 印p l i e s w a v e l c tt r a i l s f b 肌t 0t l l es i 目a 1a b s 仃a c t i o na i l dp r o c e s s i n go fc o a la i l dg a so u t b u r s t b y 血ee x c e l l e mt i m e s c a l ec h a r a c t e r i tc a nd e c o m p o s et h es a m p l e da c o u s t i ce m i s s i o n s 逾n a l si n t od i 髓r e n ts c a l e s b ym i sw a y t l ee 腩c t u a ls i g n a l c a nb eg o t t h i sm e t h o d 、v a ss i n l u l a t e di nm a t l a ba n d 廿l ev a l i d i t yw a st e s t i f i e d m o r e 0 v e r ，t l l i sp a p e rr e v i e w s s o m ep r o b l e m sw l i c hw i l lm e e ti nt h es i g n a la b s 也l c t i o na i l dp r o c e s s i n gf b mm a n y a s p e c t s ，s u c ha st h ec o m p u t a t i o no fs a m p l i n gf b q u e n cy ，t h ec h o i c eo f m o 也e rw a v e l e t ， t 1 1 ec h o i c eo fs c a l e ，t 1 1 ev a l u eo f t h e s h o l da n dt h cr e a l i z a t i o no ff a s ta l g o r i t m a l l t h e s e w o r km a k et 1 1 ef o u l l d a t i o no fa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：g a so u t b u r s t h v e l e t 仃a i l s f o n a c o u s t i ce m i s s i o n f i l t e r i n gn o i s e 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 汐 年争月7 日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于焦作工学院。学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文 被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：。越生番 汐 年f 月弓日 指导教师签名：兹孑霄 p ( 年尸旯j ) b 1 绪论 1绪论 1 1 课题来源与研究意义 本课题来源于省攻关项目“智能化煤与瓦斯突出测量仪产品化研究”。 煤与瓦斯突出是煤矿井下采掘过程中一种极其复杂的矿井动力现象。在很短 的时间( 几秒钟至几分钟) 内，煤与瓦斯从采掘工作面煤壁内部向采掘空间或巷 道大量、快速地喷出。在发生煤与瓦斯突出时，瞬时高速运动的煤与瓦斯流形成 强大的冲击力和破坏力，其结果是摧毁井巷设施、使井巷充满瓦斯和煤( 岩) 抛 出物，造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸与火灾事故，导致生产 中断，严重地影响了矿井安全生产。因此煤与瓦斯突出是影响煤矿安全生产最严 重的自然灾害之一。 自1 8 3 4 年法国鲁阿尔煤田依萨克矿井发生了第一次有记载的突出至今，发生 突出的国家有中国、前苏联、法国、波兰、日本、美国等2 0 多个国家。据不完全 统计，发生突出的次数己超过3 万次。其中世界上最大的一次突出发生在1 9 6 9 年7 月1 3 日前苏联顿巴斯矿区加加林矿井，突出煤1 4 0 0 0 吨，喷出瓦斯达2 5 0 万m3 ，截 止1 9 8 0 年，苏联开采突出危险煤层为2 0 7 个，每年突出次数1 0 1 5 次。 我国的突出情况比较严重，是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，据统 计，截止1 9 9 6 年底，中国重点国有煤矿中就有1 3 0 对煤与瓦斯突出矿井，累计发生 突出1 1 1 6 4 次，其中最大突出发生在1 9 7 5 年8 月8 日天俯矿务局三汇一矿主峒震动性 放炮揭穿6 号煤层时，突出煤岩1 2 7 8 0 吨，瓦斯1 4 0 0 0 0 m 3 ，按突出煤岩量计算，仅 次于苏联顿巴斯加加林煤矿的突出，据世界第二位。 煤与瓦斯突出给煤矿带来巨大的灾难。据资料统计，1 9 8 l 1 9 9 5 年期间，我 国重点煤矿在加强灾害防治的前提下，仍因瓦斯突出死亡5 6 9 人，造成直接经济 损失近1 5 亿元。近年来，我国煤矿的瓦斯灾害事故仍呈上升趋势，给煤矿安全生 产造成极大威胁。为防止瓦斯灾害事故，原煤炭工业部每年投入安全费用1 亿元。 矿井进入成本的瓦斯突出防治费用平均1 0 元吨左右，有的矿井高达3 0 元吨，粗 略计算，从各种途径投入瓦斯突出防治的费用每年达2 0 亿以上，给煤矿生产带来 沉重的经济负担。 瓦斯灾害的威胁也极大的限制了矿井生产的发挥，采掘工作面因难以将瓦斯 浓度控制在安全线以内而不得不减慢采掘进度，执行消除突出危险性措施也须占 河南理工大学硕士学位论文 用更多的采掘时间，使许多矿井的生产能力不得不一减再减，浪费大量的生产投 资，高产高效的机械化装备难以发挥效能，劳动生产率水平低下。由于矿井生产 能力的下降，产出减少，矿井经济效益显著降低；由于矿井安全生产受到威胁， 矿井经济负担重，效益差，致使矿井科技人员流失严重，科技开发能力减弱，不 少高瓦斯突出矿井步入恶性循环，最终导致矿井关闭。 煤矿瓦斯突出不仅是安全问题，也是重大的经济问题。在瓦斯突出煤层的采 掘工作面采掘时，必须进行突出预测和措施效果检验。煤与瓦斯突出预测的目的 和意义在于为是否合理有效的防突措旌提供科学依据，保障井下生命财产的安全。 因此，预测和防治煤与瓦斯突出对于提高矿井的社会效益和经济效益具有重要的 意义。 1 2 煤与瓦斯突出预测研究现状及发展趋势 由于煤与瓦斯突出的复杂性及其对矿井安全生产危害的严重性，世界各产煤 国对此都十分重视，中国、前苏联等国家都设立了专门的防突委员会和研究机构， 负责煤与瓦斯突出的研究工作；自二十世纪六十年代以来，许多国家加强了煤与 瓦斯突出研究的国际学术交流活动，曾多次召开煤与瓦斯突出国际讨论会，讨论 煤与瓦斯突出机理及其预测预报方法。 就目前研究现状来看，煤与瓦斯突出预测按预测预报范围和时间的不同，国 外将预测方法分为三类：第一是区域性预测，它主要是确定煤田、井田、煤层和 采掘区域的煤与瓦斯突出危险性；第二是局部性预测，它是在区域性预测的基础 上，根据钻探或物探、采掘工程等资料，进一步对局部地区或地点的煤层和危险 性做出评价：第三是日常预测，它是在区域性预测、局部性预测的基础上，根据 煤与瓦斯突出预兆的各种异常效应( 如声、电、磁、震、热等) 对煤与瓦斯突出 危险性发出警报【2 】。有些方法已在生产实际中使用并取得成效。近年来，由于计算 机技术的发展提高了计算的速度和精度，使煤与瓦斯的突出预测更加及时和准确。 世界各产煤国进行预测的方法主要有煤结构的研究、钻粉法、瓦斯泄出速度、 微震监测、煤层温度状况预测和利用煤层中涌出的氦体积或氡浓度的变化预测煤 与瓦斯突出。另外，国外在不断完善煤与瓦斯突出跟踪预测的基础上，开展了研 究煤与瓦斯突出的动态预测技术和煤与瓦斯突出危险区域的预测技术。俄罗斯已 建立了区域预测预报的专家系统，将煤与瓦斯突出煤层划分为突出危险区( 占突 出煤层面积的2 0 3 0 ) 和非突出危险区( 占突出煤层面积的7 0 8 0 ) ，从 2 1 绪论 而解放了一大片煤层，降低了防突工作量。德国应用等瓦斯涌出动态参数连续 预报煤与瓦斯突出，己有较成熟的经验，并纳入规程。这些国家针对不同煤与瓦 斯突出煤层研究了相应的配套防突措施及装备。 前苏联在煤与瓦斯突出防治方面做了大量的研究工作，建立了较宪善的煤与 瓦斯突出危险性预测体系，包括区域性预测、局部性预测以及日常预测，居世界 领先水平。其区域性预测是在地勘时期进行煤与瓦斯突出危险性预测，主要考虑 开采深度、煤层瓦斯含量、煤的变质程度综合指标、煤的比电阻等指标；煤层煤 与瓦斯突出危险性局部预测是在区域性预测基础上，对一定范围煤层根据作用煤 层的力( 地应力o 0 1 日与瓦斯压力p 之和) 和煤层稳定性指标( 考虑煤层厚度及其 变化以及按分层换算煤层强度的综合指标) 进行综合分析评判，如顿巴斯、库兹 巴斯煤田研究出评价煤层煤与瓦斯突出危险性的诺模图。前苏联的主要煤田还研 究出石门揭煤预测煤与瓦斯突出危险性指标，如在沃尔库京斯基、诺里利斯基、 萨哈林以及近海的一些煤田，当测定瓦斯压力高于l 坳日时，认为揭煤处有危险； 在顿巴斯，则按瓦斯涌出初速度、碘指标和煤的坚固性系数预测揭煤处的煤与瓦 斯突出危险：库兹巴斯根据兀指标判定煤与瓦斯突出危险： 兀。= 1 0 耳。一1 4 名。 ( 1 1 ) 式中： 耳一煤层的最高瓦斯压力， 勿d ； 二煤层分层最小坚固性系数。 当n ，o 时有煤与瓦斯突出危险。 我国将煤与瓦斯突出危险性预测只分为区域突出危险性预测和工作面预测两 大类。区域突出危险性预测，简称区域预测，用于预测煤层和煤层区域( 包括井 田、新水平和新采区) 的突出危险性，并在地震勘探、新井建设、新水平和新采 区开拓时进行。工作面预测也叫点预测、日常预测，用于工作面煤( 岩) 层的煤 与瓦斯突出危险性预测，它包括石门揭煤、煤巷掘进和回采工作面的煤与瓦斯突 出危险性预测。 我国自1 9 5 0 年发生第一次有记载的煤与瓦斯突出以来，进行了大量的研究， 形成了一套集合理部署、突出危险性预测预报、防突技术措施、防突措施效果检 验、安全防护措施于一体的综合防突措施技术管理体系。在煤与瓦斯突出的综合 防治技术方面接近或达到世界水平。 3 河南理工大学硕士学位论文 煤与瓦斯突出预测机理主要是以煤与瓦斯突出的综合作用假说来进行的。区 域性预测多以瓦斯地质动力因素、现场测定瓦斯压力及实验室测定煤的突出倾向 性参数、采掘集中应力等作为判断突出危险性和划分突出危险性的主要手段。在 工作面预测方面，主要以当时的地应力、瓦斯与煤( 岩) 物理力学性质的分布状 态作为判断依据。实践表明，这些是可行的，对安全生产起到了重要的保障作用。 1 _ 2 1 煤与瓦斯突出预测现状研究 日常预测又可分为静态( 或不连续) 和动态( 或连续) 两类预测方法。静态 法是指从现场工作面含瓦斯煤体中提取煤体或瓦斯在某一时刻所处状态的某种量 化指标而确定危险性的方法。动态法是指通过动态连续地监测能够综合反映含瓦 斯煤体所处应力状态的某种指标而确定工作面附近煤层危险性的方法【3 1 。 ( 1 ) 静态( 不连续) 预测 目前世界各国普遍采用的煤与瓦斯突出预测方法多为以瓦斯参数为主的接触 式静态预测。静态预测的根据就是含瓦斯煤体性质及其赋存条件的某些量化指标。 这些指标主要包含瓦斯指标、煤层性质指标、地应力指标或它们的综合指标，预 测则是考察其中的单个或同时多个指标是否超过临界值。具体说来，目前较多采 用的指标有钻屑量s ，钻孔瓦斯涌出初速度4 ，瓦斯放散指数p ，煤体坚固性系 数厂，瓦斯压力p 。 d 、k 综合指标法 煤炭科学研究总院抚顺分院与一些煤与瓦斯突出矿区合作，根据我国十余个 矿区的煤与瓦斯突出煤层资料，提出了预测综合指标d 、足，综合指标法预测是 通过测定埋深日、煤层瓦斯压力p 、煤层软分层的坚固性系数，、煤层软分层的 瓦斯放散初速度卸值来计算出综合指标d 、k 值。并用d 、足值来预测煤与瓦斯 突出危险性，其临界值见表l 一1 所示。 。= 【。，s 芋一，j ( p 一。，4 ) c ，一2 ， 足：掣 ( 1 3 ) j 式中： d 煤层突出危险性综合指标； 日开采深度，m ： 4 河南理 大学硕士学位论文 煤与瓦斯突出预测机理主要是以煤与瓦斯突出的综合作用假说来进行的。区 域性预测多以瓦斯地质动力因素、现场测定瓦斯压力及实验童测定煤的突出倾向 性参数、采掘集中应力等作为判断突出危险性和划分突出危险性的主要手段。在 工作面预测方面，主要以当时的地应力、瓦斯与煤( 岩) 物理力学性质的分布状 态作为判断依据。实践表明，这些是可行的，对安全生产起到了重要的保障作用。 12 1 煤与瓦斯突出预测现状研究 日常预测又可分为静态( 或不连续) 和动态( 或连续) 两类预测方法。静态 法是指从现场工作面含瓦斯煤体中提取煤体或瓦斯在某一时刻所处状态的某种量 化指标而确定危险性的方法。动态法是指通过动态连续地监测能够综合反映舍瓦 斯煤体所处应力状态的某种指标而确定工作面附近煤层危险性的方法 3 】。 ( 1 ) 静态( 不连续) 预测 目前世界各国普遍采用的煤与瓦斯突出预测方法多为以瓦斯参数为主的接触 式静态预测。静态预测的根据就是含瓦斯煤体性质及其赋存条件的某些量化指标。 这些指标主要包含瓦斯指标、煤层性质指标、地应力指标或它们的综合指标，预 测则是考察其中的单个或同时多个指标是否超过临界值。具体说来，目前较多采 用的指标有钻屑量s ，钻孔瓦斯涌出初速度g ，瓦斯放散指数p ，煤体坚固性系 数，瓦斯压力户。 d 、置综合指标法 煤炭科学研究总院抚顺分院与一些煤与瓦斯突出矿区合作，根据我国十余个 矿区的煤与瓦斯突出煤层资料，提出了预测综台指标d 、置，综合指标法预测是 通过测定埋深日、煤层瓦斯压力p 、煤层软分层的坚固性系数，、煤层软分层的 瓦斯放散初速度卸值来计算出综合指标d 、k 值。并用d 、k 值来预测煤与瓦斯 突出危险性，其临界值见表1 1 所示。 d = 7 5 等一3 k 0 7 4 ) ( 1 - 2 ) l j k ：望( 1 3 ) ， 式中： d 煤层突出危险性综合指标； d 煤层突出危险性综合指标； 日开采深度。m ： 4 1 绪论 世煤层突出危险性综合指标： p 煤层瓦斯压力，取两个测压钻孔实测瓦斯压力的最大值，坳口 印软分层煤的瓦斯放散初速度指标； ，软分层煤的平均坚固性系数。 表l l 用综合指标d 和k 预测煤层区域突出危险性的临界值 t a b l e1 - lt h ec r i 廿c a lv a l u eo f t h ec o m p r e h e n s i v ei n d e xda n dkp r e d i c t sc o a l 吃o n ew i t l ld a n g e r 煤层突出危险性综合指标( k ) 煤层突出危险性综合指标( d )煤层突出危险性 无烟煤其它煤种 o 2 5无突出危险区 乏o 2 5 2 0 1 5无突出危险区 兰o 2 5兰2 0兰1 5 突出危险区 r 指标法 r 指标法是前苏联东方煤研所1 9 6 9 年提出的，1 9 7 0 1 9 7 4 年在库兹巴斯、沃尔 库特和帕尔占斯克等煤田进行了工业试验。其指标是： b 。( s 一一1 8 ) ( g m “一4 ) ( 1 4 ) r 2 = 氏。+ 4 5 9 一 式中： s 一每米钻孔钻屑量的最大值： g 。每米钻孔瓦斯涌出初速度的最大值。 钻孔瓦斯涌出初速度4 法 该法是前苏联运用最广泛的日常预测法，己被列入前苏联的有煤、岩石和 瓦斯突出倾向煤层安全采掘规程中。钻孔瓦斯涌出初速度被认为是一个反映煤 体物理力学性质、煤层瓦斯和煤层应力状态的综合指标，已被列入我国防治煤与 瓦斯突出细则。该指标被广泛应用在我国煤与瓦斯突出矿井的突出预测中。 钻屑量和钻屑倍率法 钻屑量被认为是反映地应力大小的一个有效指标，首先由德国学者n o a c k 等提 出并得到了广泛的应用。在我国，煤炭科学研究总院抚顺研究所对北票等局矿及 1 7 个石门进行了钻屑量测量。初步结果表明，钻屑倍率行可作为突出预测指标，当 行大于4 时有煤与瓦斯突出危险。煤炭科学研究总院重庆分院在南桐和梅田对煤巷 进行了试验，认为钻粉量为正常量的3 倍时最易倾出或压出，如果瓦斯压力大就会 5 河南理工大学硕士学位论文 发生较大的煤与瓦斯突出。 钻屑综合指标法 该法是通过综合考虑每米钻孔最大钻屑量s 。，钻屑瓦斯解吸指数足，钻屑 瓦斯解吸衰减系数c 和启动解吸仪2 m i n 时的解吸仪读数k ，来预测工作面的煤 与瓦斯突出危险性。 上述所述的静态工作面突出危险预测方法，都是通过钻孔来实现的，因此又 可称为静态的钻孔法。静态法打钻及参数测定需占用作业时间和空间，工程量很 大，预测作业时间也较长，对生产有一定的影响，预测所需费用也较高。并且这 种静态法的准确性也不是很高，易受人工影响。近几年来出现了l o o 多次预测指标 未超过临界值而发生突出的事故，如芙蓉矿务局白咬煤矿1 9 9 3 年3 月2 7 日发生的重 大恶性事故就是一例，死亡人数11 人，直接经济损失数百万元1 1 】。究其原因，煤层 或煤体及其内部所含有的瓦斯并不是均匀分布的，也不是稳定的。在钻孔附近取 得的预测结果仅仅是局部的，并不能完全代表整个预测步长范围内的突出危险性， 在预测时刻取得的结果也只是静态的，并不能完全代表煤体稳定前整个时期内的 突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，延期突出就是例证。因此，动态连续 预测的研究正日益引起人们的重视。 ( 2 ) 动态( 连续) 预测 目前，煤与瓦斯突出的连续预测有3 条途径：利用环境监测系统连续监测工 作面的瓦斯涌出变化特征，分析瓦斯涌出与突出的关系从而预测突出；声发射 爿e 监测技术；电磁辐射监测技术。 瓦斯涌出变化量主要反映工作面前方煤体内的瓦斯状况，不能直接反映煤体 的地应力状态及破坏情况，因此作为突出预测指标具有较大的主观性。 声发射法和电磁辐射法是很有发展前途的连续预测方法，这两种方法属于地 球物理方法，是近几年才发展起来的最有前途的预测预报煤矿动力灾害现象的方 法。声发射和电磁辐射是突出这一不可逆能量耗散过程中的两种重要的能量耗散 形式，对它们作深入细致的研究是认识突出过程的重要技术手段。 1 2 2 矿井监测系统及仪表的研究现状 矿井灾害监测的方式有多种，应用较多的有连续多点，多参数集中监测的矿 井监测系统，有单点、单指标连续监测仪器；有便携式人工操作的各种仪器等等。 为保证煤矿安全生产，控制重大恶性事故发生，世界许多产煤国家( 如美国、 6 1 绪论 英国、德国、波兰、原苏联等) 从5 0 年代开始，陆续地把监测、监控技术应用到 安全生产管理上，生产并使用了多种类型的矿用监测系统。 煤炭科学研究总院重庆分院开发了聊煤与瓦斯突出参数预测仪( 包括钻屑 解析指标毛、钻屑量s 、温度变化、跑后落煤3 0 i n i n 内吨煤瓦斯涌出指标等指 标) ，该仪器在全国百余个煤与瓦斯突出矿井推广应用。但是利用该仪器进行煤与 瓦斯突出预测预报时，主要通过向掘进工作面前方煤体打钻孔取样测定预测指标， 这使得该技术预测实时性差、自动化程度低，占用采掘工作时间，降低了采掘速 度，并且打钻时也可能发生煤与瓦斯突出，威胁工作人员的生命安全。另外，现 有工作面煤与瓦斯突出预测方法虽然比较简单，并且得到了广泛的应用，但其需 要一定的工程量，循环预测作用时间需要4 5 小时，对生产有一定得影响，很难 实现自动连续监测。为此提出了非接触式煤与瓦斯突出危险性预测技术。这种预 测技术不需要在工作面施工钻孔，不占用工作面作业时间，而是利用传感器技术 监测工作面生产过程中的有关信号和指标，以此为依据预测工作面煤与瓦斯突出 危险性。以。指标、4 e 指标等就能满足非接触式连续监测的要求。 指标是德国最早提出，并认为当4 0 煤层可解吸瓦斯含量时有煤与瓦 斯突出威胁，6 0 煤层可解吸瓦斯含量时有煤与瓦斯突出危险。我国煤炭科 学研究总院重庆分院也对此进行了研究，并在便携式聊煤与瓦斯突出参数仪中 设置了该指标测定功能。采用便携仪测定时，首先得在掘进工作面放炮前将f 矿z c 煤 与瓦斯突出参数仪和与之配合的4 刀一8 5 型瓦斯警报器置于该工作面回风巷中。 当风流瓦斯浓度在1 5 m i i l 时间内突然升高o 5 ，仪器判断为工作面放炮，从这时 开始计时，每3 0 s 测量一个瓦斯浓度值。再根据键盘输入工作面分量和落煤量，计 算指标。利用环境监测系统监测得到的工作面瓦斯浓度和风速数据，同样能够 计算出指标。但指标达不到实时自动预报煤与瓦斯突出危险的目的。爿e 指 标是用声发射接收器实时采集来自煤体的声发射信号，通过对声发射信号连续判 识来预测突出的危险性。因此4 e 指标法能实现自动预报煤与瓦斯突出的目的。 矿井监控系统是一种自动化采集数据、处理数据并进行控制的系统，主要用 于煤矿安全监测和实时控制。由煤炭科学研究总院重庆分院开发彤5 4 矿井工矿监 控的系统，具有瓦斯突出和瓦斯爆炸危险性的预测预报功能，但现有矿井装备的 监控系统因其开发单位众多、品种繁杂，相互间不能完全替代，与 5 4 不兼容， 因此将彤5 4 型系统中瓦斯灾害预测功能移植到其他系统中是非常困难的。由于 皿，5 4 系统庞大，价格昂贵，对局部地点，分站的设立成本较高，对已安装其他系 7 河南理工大学硕士学位论文 统的矿井全部更换为丘，5 4 系统，将花费高昂代价，显然是不切实际的。况且脚5 4 系统的灾害预测功能仅仅迈开了第一步，还有许多技术难题有待研究。因此有必 要研究更简单灵活，成本低廉，且与煤矿开采工艺紧密结合的，应用先进的瓦斯 灾害预测预报技术。 单点、单指标连续监测仪器是针对特定灾害指标、或井下生产过程特定参数 而设计的，不便应用于大型监控系统。它是对监控系统有机的补充。 便携仪器是配备于煤矿职工能随身携带使用的小型仪器仪表，其中有环境参 数监测仪表、灾害预测仪表、矿井设备检测仪表等。因携带方便，能随时检测相 关参数，能校验监测系统的监测参数指标准确性，也是监控系统有机补充。 根据目前的技术水平和现场的技术要求，研制利用非接触式自动连续预测技 术、实时检测煤与瓦斯突出危险性的仪器仪表显得十分必要，也是今后的发展趋 势。 1 3 论文的主要研究内容 我国和世界各主要采煤国都投入了大量的人力、物力对煤与瓦斯突出预测技 术进行了广泛而深入的研究，取得了丰硕的研究成果。研究成果得到了广泛的推 广应用，并给煤与瓦斯突出矿井带来了良好的社会经济效益。但仍存在一些问题， 主要表现为：不论是单一指标法，还是综合指标法，都是属于静态预测。静态预 测指标都建立在经验的基础之上，还不能从理论上较好地确定煤与瓦斯突出的临 界值，提出指标的可靠程度取决于实验数据的多少、范围和代表性。因此，静态 预测方法受人工、煤体分布不均匀和应力分布不均匀等因素的影响，预测的准确 率难以提高，且工作效率低，不能满足现代矿井生产的实际需要。非接触式连续 预测技术是比较良好且很有发展前途的预测方法。 运用电磁辐射进行煤与瓦斯突出非接触式连续动态预测，这已经是个广泛 研究的课题。相比之下，利用声发射信号进行煤与瓦斯突出预测的研究比较少。 在广泛地分析国内外煤与瓦斯突出预测现状的基础上，针对现有预测方法的 不足，选择了“基于小波分析的煤与瓦斯突出信号提取技术的研究”这一研究课 题。为了实现声发射信号进行煤与瓦斯突出的非接触式动态预测，本论文做了一 些前期的工作声发射信号提取技术的研究。 本论文共分三部分。 第一部分在论述利用煤体声发射信号进行煤与瓦斯突出预测可行性的基础 8 l 绪论 上，提出了利用煤体声发射信号进行煤与瓦斯突出预测所面临的主要困难。通过 对煤体声发射信号波形和频谱特征的分析，讨论现有的各种解决办法，它们虽然 在一定程度上是有效的，却又都存在这样那样的不足。进而提出对煤体声发射信 号进行提取时应该满足的条件。 第二部分针对声发射信号的特点，引入小波分析理论作为提取和处理非平 稳信号的数学工具。小波分析是应用数学领域的一个分支，有着严密的理论体系。 但由于我们的着眼点是它的工程应用，所以从应用的角度，研究了小波分析用于 声发射信号去噪处理的优越性和具体的去噪算法。 第三部分研究如何应用小波分析提取和处理煤与瓦斯突出预测的声发射信 号。根据煤体声发射信号的特征和小波分析的方法，研究了运用阈值去噪和基于 模极大值去噪两种去噪方法对煤体声发射信号处理。随后就信号对所研究的去噪 方法进行仿真，以验证所提判别方法的有效性。 9 2 煤体声发射特性分析 2 煤体声发射特- 陛分析 声发射技术是一种应用目趋广泛的现代动态无损检测技术，实时接收采集来 自缺陷的声发射信号，实现在线监测。 国内外的资料表明，要想利用声发射预测预报煤与瓦斯突出，其关键问题是 信号鉴别。在实际测取的各种信号中不可避免地存在一些与分析目的无关的成分 噪声。从含有噪声的煤体声发射信号中提取有用信息，由于现有的提取方法 存在不足，因此需寻找新的提取方法。 2 1 煤体声发射预测的可行性及其噪声分析 长期的防治工作和科学研究表明，煤与瓦斯突出是突发性的，但在突出前均 有前兆显现，如煤炮声、煤岩移动声响等。这是因为煤岩体是一种非均质体，煤 岩体内存在着各种微裂隙、孔隙等，以致煤岩体在受外力作用时就会在这些缺陷 部位产生应力集中，发生突发性破裂，使积聚在煤岩体中的能量得以释放，且以 弹性波的形式向外传播。这就是煤岩体在地应力、瓦斯压力及采掘作用等影响下 产生的煤体声发射( 4 e ) 。 根据g r i f 丑t 1 1 理论，煤和岩石内部存在大量的裂隙，破坏的根本原因使这些裂 隙的扩张、传播导致的最后贯通。而裂隙的扩张和传播都将产生能量辐射声 发射 _ ”。实验表明，如果对岩石试件施加外力，在达到破坏之前。内部将产生许多 微小破坏，即发生爿e 【9 】。日本学者濑户对夕张新的煤矿进行爿e 实验表明：当煤 的受力水平达到强度的3 5 5 0 时振幅3 5 4 0 拈的彳e 发生数增加；受力水平 达到强度的5 0 7 0 时振幅3 5 4 0 d 日的a e 显著增加，并出现8 0 如以上的4 e 。 一e 的振幅和频度随着应力水平发生显著变化，特别是破坏载荷8 0 以上时大振幅 高频率4 e 显著增加，小振幅低频率4 e 显著减少。而煤与瓦斯突出就是煤在力的 作用下发生大规模破坏的一种表现形式。因此，a e 技术能提前预测煤的受力状态， 是预测煤与瓦斯突出危险性的有效手段。显然，煤体声发射活动的特征提供了煤 与瓦斯突出危险程度的前兆信息。通过对煤岩体声发射波形分析，找出声发射在 突出前的频率和振幅的活动规律及特征，并通过现场试验研究，找到采用声发射 参数预测预报突出危险性的差别指标及其临界值，从而实现声发射在监测煤与瓦 斯突出方面做到有效预测预报。 a e 波的频率一般可在托z 腻陇范围内。高频成分的a e 波在传播过程中很 容易被吸收，因此传播距离较近；低频成分的a e 波能传播较远的距离。在金属类 河南理工大学硕士学位论文 材料中传播，a e 衰减较小，持续时间长，能观测到连续的a e 波形，主要检测高 频成分的波形，能够检测出微小的破坏；在岩石混泥土类材料中传播，a e 衰减较 大，一般只能观测到间断的波形，主要检测低频成分的波形，检测能量较大的微 破坏。在煤系低层岩石声发射方面，煤科总院重庆分院选择煤系地层主要岩石做 了大量的实验考察煤岩声发射信号的特征。以下是几种主要的煤岩声发射波形及 其分析。 砂岩：在加载过程中声发射信号很少，为数不多的声发射事件主要来自破坏 时突发性声发射信号，但是，破坏时事件的振铃率大，振幅最大，释放能量最大， 如图2 1 所示。 石灰岩：在加载过程中，前期出现突发性声发射信号，在破坏过程中，出现 连续声发射信号，试样中的方解石越多，突发性声发射信号越多，出现也越频繁。 铝土页岩：在加载过程中，起初出现突发性声发射信号，说明铝土页岩有一 定的承载能力，随着载荷的增加出现连续不断的声发射信号，一直到破坏为止，如 图2 2 所示。 煤层：在加载过程中，自始至终都有连续不断的声发射信号发生，如图2 3 所示。 图2 1 砂岩破坏时声发射信号 f i g u r e2 - la c o u s 廿ce m i s s i o ni ns a n do r r o c kd e f b n l l a t i o n 1 2 2 煤体声发射特性分析 图2 2 铝土页岩破坏声发射信号 f i g u r e2 - 2a c o u s t i ce m i s s i o ni na l u m i n 岫0 rs h a l eo rr o c kd e f b m a t i o n 圈2 3 原生煤样破坏声发射波形 f 培u r e2 - 3a c o u s t i ce m i s s i o nw a v e f o mi n 耐g i n a lc o a ld e l o r n l a t i o n 文献 1 0 】得出结论： 煤岩破坏过程中的声发射事件数与岩石性质有着密切的关系。密度大、均 质性好、裂隙少的岩石在破坏前很少有声发射信号；密度小、均质性差、裂隙发 育的岩石在加载过程中声发射信号十分丰富。 在井下不同岩体受均压作用下，首先破坏的是煤层，声发射事件主要来源 于煤体破坏。 由此可见：利用a e 声发射预测煤与瓦斯突出危险性是可行的。 在实践应用方面也取得了很多有益成果，如利用声发射技术进行岩爆预测和 突出预测等f 7 _ ”，声发射的研究有着非常广阔的应用前景：揭示煤岩体破坏机理， 预测、预报煤岩灾害动力过程，如煤与瓦斯突出、顶板塌陷、围岩变形、冲击地 压、滑坡、地震及岩石混凝土建筑失稳等。前苏联用记录声噪脉冲数的方法预报 煤与瓦斯突出，并在顿巴斯煤田进行了推广应用；平顶山煤业集团也从俄罗斯引 河南理工大学硕士学位论文 进了声发射监测系统，用于煤与瓦斯突出预报试验研究1 。利用声发射技术预测、 预报煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象，与现行的静态预测方法相比，可克服人 工、煤岩体分布不均匀及受力状态不稳定的影响，可以实现连续动态监测预报。 可见声发射方法能够连续较有效地评估煤层边缘的突出危险性。 利用声发射信号进行煤与瓦斯突出预测可以实现非接触式的连续预测，能够 满足自动化监测的愿望，但是到目前为止，还无法对声发射源进行直接检测。利 用传感器只能接收到经过介质传播后的声发射信号。在煤矿井下作业现场，利用 声发射传感器接收信号时，受到环境机械噪声、电子仪器带来的噪声等的干扰。 这些噪声的主要时域特征是随机地分布在整个采样时间范围内。声发射信号又十 分微弱的，很容易与噪声信号混合在一起。又由于声发射检测具有极高的灵敏度， 同时也易于受到各种因素的干扰而无法得到真正的需要提取的煤岩的裂隙发育的 声发射信号以及煤的局部压碎和岩石断裂声响等有效的声发射信号。利用煤体声 发射信号进行瓦斯突出预测时，首先需要去除上述的作业噪声，准确地提取有效 的声发射信号以进行分析。 为了有效地去除噪声，需要对煤体声发射信号的频率和波形进行详细的分析， 以便找到最适宜的去噪方法。 2 2 煤体声发射及其噪声特征分析 为了考证煤岩破坏过程中声发射信号的频谱特性，王恩元、何学秋等学者对 受载煤体声发射的频谱特性及变化规律进行了测试【l 2 1 。 结果表明：实验中不同种类的煤样受载破裂时均有声发射信号产生。煤体破 裂过程中产生的声发射信号不是连续的，而是阵发性的脉冲信号。煤体的变形及 破裂过程不是连续的，也不是均匀的，而是阵发性的，变形及破裂需要一个能量 的积累过程，只有当煤体中某处的变形能积累到一定程度才能引起破裂，而每一 次的破裂均会引起弹性能的释放，产生声发射。当煤体中裂纹尖端附近的能量不 足以使裂纹继续扩展时，裂纹扩展中止，煤体中继续积累能量，在该阶段声发射 平静【1 3 】。 对受载煤岩体变形破裂过程声发射实时采集数据进行快速傅立叶变换( j w ) ， 得到声发射的频谱。图2 4 为淮南2 号型煤声发射信号频谱分析结果，试样尺寸 西5 0 m m 1 0 4 肌州，加载速率0 9 r r n i n 。实验中共记录到2 7 个事件，图2 4 只给出 部分事件的分析结果，图中盯以为每个事件开始触发时刻的应力水平( 当时应力 1 4 2 煤体声发射特性分析 盯与破坏时应力盯。的比值) 。 吉o _ 3 5 发o 3 0 射o 2 5 强o 2 0 度o 1 5 “矿o 1 0 0 0 5 声1 2 5 发1 o o 扣，s 度0 + 5 0 “矿o 2 5 亩1 5 0 发1 2 5 射1 0 0 强o 7 5 度0 5 0 o 2 5 3 5 秘 装筹 嚣 o 1 0 2 o 3 o 4 o 5o 6 频率，m h z 频率小 z ( b ， 斌 盯盯。= 8 8 9 - 、，、，、 _ 、， j 、，、。一 00 10 2o 3 0 4 o ，50 6 频率，m h z 频率m 眦z ( d ) 图2 4 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 为淮南2 号型煤不同受载阶段声发射频谱 f i g u r e 2 4 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) a ef k q u e n c ys p e c t 兀l mo f c o a ls a r n p i ef r o mn o 2 ，h u a i n a nm i n e 1 5 河南理工大学硕士学位论文 从图2 4 可以看出，应力越大，振幅越大，频度越高。振幅的变化范围为 o _ 3 3 5 矿。 应力与时间关系曲线如图2 5 所示。从图2 5 可以看出，煤体声发射信号的 频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，这对检测提出了更高的要求。在整个 加载过程中，声发射的主频率不断发生变化，在受载初期，声发射的主频带较低， 有时呈现先增高而后降低的趋势，在受载后期，声发射的主频带较高。在整体上 声发射主频带随载荷增大呈现“m ”型变化。 圈2 5 应力与时1 司的关系 f i g u e 2 5r e l a t i o n s h i p b e t w e s 台e s sa i l dh m e 煤体声发射主频信号强度( 振幅) 也发生相应变化( 图2 6 ) ：在受载初期， 声发射的强度( 振幅) 较低，呈现先增高而后降低的趋势；在受载后期，声发射 的强度较高，且呈增强趋势，在破坏时达最大，破坏后呈减弱趋势。在整体上声 发射强度随载荷增大也呈现”m ”型变化。 图2 6 声发射主频信号强度与载荷的对应关系 f i g u r e 2 - 6r e l a t i o n s h i pb e 竹e e na e b 船i cf r e q u e n c