煤巷掘进声发射监测信号噪声处理方法研究.pdf
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1、110杰煤巷掘进声发射监测信号噪声处理方法研究J煤炭工程,2 0 2 3,55(7):110-114.引用格式:胡gVol.55,No.第55卷第7 期COALENGINEERING程炭煤doi:10.11799/ce202307018煤巷掘进声发射监测信号噪声处理方法研究胡杰12(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037;2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037)摘要:为提升煤巷掘进煤岩动力灾害声发射监测技术的可靠性与准确性,降低巷道掘进与支护、钻孔施工等作业噪声对监测信号与监测效果的影响,采用应力加载实验与现场监测对比分析的手段,在煤巷掘进工作面开展声发射监测信
2、号噪声处理方法研究。结果表明:综掘机掘进、打锚杆、钻机打钻等作业信号的频率均分布在0 8 0 0 0 Hz,主频处于50 0 Hz、30 0 0 50 0 0 H z、7 50 0 8000Hz三个频带范围,并呈现“W”形态分布;试验地点煤、岩样试件破坏过程声发射信号主频带宽度0 50 0 Hz,且主频不超过2 50 Hz。结合实验室煤、岩试件破裂过程声发射信号与煤巷掘进声发射监测信号的时频谱特征差异,采用合理配置零飘值与信号门槛值,并结合带通滤波以及IR滤波建立了监测信号滤噪方法,实现了煤巷掘进过程声发射监测信号有效提取且滤噪效果符合实际。为实现声发射监测信号实时采集与滤噪、高准确率的监测预
3、警提供了技术支撑,具有一定的指导及借鉴意义。关键词:煤巷掘进;声发射;监测信号;噪声信号中图分类号:TD713文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 9 59(2 0 2 3)0 7-0 110-0 5Noise processing method of acoustic emission monitoring signal in coal roadway drivinHU Jiel;2(1.CCTEC Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China;2.State Key Laboratory of the Gas Disaster
4、Detecting,Preventing and Emergency Controlling,Chongqing 400037,China)Abstract:In order to improve the reliability and accuracy of acoustic emission prediction technology in coal roadway driving,and reduce the influence of working noise on monitoring signal and monitoring effect in coal roadway driv
5、ing,roadway supportand borehole construction,a method is adopted which combined stress loading experiment in laboratory and the field monitoringand analysis,and the noise processing method of acoustic emission monitoring signal is studied for coal roadway heading face.The results show that,the frequ
6、ency of operational signals from excavating,bolting and drlling range from O to 8000 Hz,andthe main frequency is in the range of 500 Hz,3000 5000 Hz,7500 8000 Hz,distributing in a W-shape.The width of mainfrequency band of AE signal was O 500 Hz during the failure process of coal and rock samples,th
7、e dominant frequency iswithin 250 Hz.In combination with the characteristic difference between the acoustic emission signal in the rupture process ofthe laboratory coal and rock specimen and the acoustic emission mixed signal in the coal roadway excavation and the spectrumcharacteristics,the reasona
8、ble configuration of zero drift value and signal threshold value are adopted,combining the band-passfiltering and IIR filtering to establish the noise filtering method of the monitoring signal,which realizes the extraction of theeffective acoustic emission monitoring signal during the coal roadway e
9、xcavation operation.The noise filtering effect isconformed to the reality.This paper provides technical support for real-time acquisition and noise filtering of acoustic emissionmonitoring signals,and high-accuracy monitoring and early warning.Keywords:coal roadway driving;acoustic emission;monitori
10、ng signal;noise signal收稿日期:2 0 2 2-11-30基金项目:国家自然科学基金项目(52 2 0 42 6 1);中煤科工集团重庆研究院有限公司自立重点项目(2 0 2 2 ZDXM07)作者简介:胡杰(19 8 9 一),男,重庆开州人,硕士,副研究员,主要从事煤岩动力灾害预测与防治工作,E-mail:leaderhj 。111灰2023年第7 期程研究探讨煤随着我国煤矿行业开始进人智能化开采阶段,井下开采规模及效率逐步提升1,2 。为保证井下少人化、自动化及智能化环境中的安全高效生产3,瓦斯监控预警4.5、应力监测与反演6 、地质探测与成像7.8 等多种监控技术
11、也随之应用于智能化矿井建设中。在深部开采环境中,瓦斯、应力以及复杂地质构造条件下的多因素叠加耦合的煤岩动力灾害逐渐显现9.10 1,因此深部矿井智能化开采时代,煤岩动力灾害的有效防控技术及装备必将是确保安全高效生产的重要支撑与保障。现阶段已有地质雷达探测、瓦斯预警等在线监测系统在矿井进行了应用,并取得了一定的成效1-13。但在应力监测方面,受安装条件、受力环境复杂等多重因素影响,应力监测值一直存在着较大误差,难以大规模推广14,15。而声发射监测预警技术虽不能直接测定应力值大小,但却可以间接反应出应力变化及增减趋势16 ,且可实现连续性超前动态监测预警17.18 1,通过超前布设监测传感器后无
12、需进行井下持续跟踪,结合上位机监控系统即可完成生产全过程监测预警,符合煤矿智能化开采需要19.2 0 。而声发射监测预警技术的准确性与可靠性取决于监测信号中对于有效信号的提取,但煤矿井下机械设备繁多,生产过程中会产生大量的干扰信号,如掘进机掘进、采煤机割煤、钻孔施工等,监测信号滤噪仍是技术难点,这也阻碍了声发射监测预警技术的大范围应用推广。另外煤巷掘进工作面发生煤岩动力灾害事故频次较高2 1尤其是在地质条件更为复杂的西南矿区,因此本研究以煤巷掘进工作面为背景、以贵州小屯煤矿13运输巷道掘进工作面为试验工作面,通过采集现场监测信号与实验室加载信号,对比分析监测信号的时频谱特征差异,以此开展声发射
13、监测信号噪声处理方法研究。1煤巷掘进工作面监测信号特征分析为研究煤巷掘进声发射监测信号噪声处理方法,首先对小屯煤矿13运输巷道煤巷掘进过程中监测信号进行采集与特征分析。小屯煤矿13回采工作面主采煤层为6 串煤,为突出煤层。在13运输巷道下方垂距约2 5 30 m处布置了13运输巷道底板巷,并已实现贯通,13回采工作面巷道布置如图1所示。13运输巷道设计长度为158 0 m,采用综掘方式沿6串煤层底板掘进,掘进后采用锚网喷与锚索进行支护。13轨道巷13回采工作面13运输巷道底板巷13运输巷道联络巷13运输巷道图1小屯煤矿13回采工作面巷道布置采用自主研制的声发射监测预警系统,结合GS12电压式监
14、测传感器采集煤巷掘进声发射监测信号,监测系统主要技术参数见表1。表1监测装置主要技术参数技术参数数值最大采样率8000Hz传感器测量范围0 0.45 g传感器测量误差5%(F.S)传感器输出信号类型电压式传感器最大输出信号范围交流-5+5V煤巷掘进工作面存在巷道掘进与支护、预测钻孔及瓦斯抽采钻孔施工等作业工序,为不影响矿井日常生产同时减少一定的干扰信号,在13运输巷道底板巷施工穿层钻孔,利用穿层钻孔超前安装监测传感器并采集信号,监测系统布设如图2 所示。监控电脑服务器地面交换机地面安全监控网络井下传感器井下交换机13运输巷道一掘进方向工作面穿层钻孔信号线13运输巷道底板巷信号采集主机矿用光纤图
15、2监测系统整体布设煤岩体中真实声发射信号是由作业扰动导致煤岩体破裂产生,这些作业扰动包括综掘机掘进、打锚杆、打钻孔等。但由于作业本身也必然会产生噪声信号,因此井下采集到的监测信号为声发射信号与干扰信号所形成的叠加混合信号。通过对比井下不同作业工序所对应作业时间,分别采集了综掘机掘进、打锚杆和钻孔施工时的混合监测信号,通过系统软件进行回放与分析,得到了不同作业工序下监测信号的时谱和频谱,如图3一图5所示。由图3一图5可知,综掘机作业信号时谱特征呈现比较强烈的间断连续型;打锚杆作业信号时谱呈现明显的规律波动型,这与锚杆机作业有一致性;钻机打钻作业信号时谱呈现不间断连续型,通过时11220233年第
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