煤巷掘进声发射监测信号噪声处理方法研究.pdf

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 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 driving,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 frequency 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,the 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 reasonable 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 excavation 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;monitoring 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7 期程炭研究探讨煤0.0250.0200.0150.0100.0056187:6106:611E:61:61采样时间(a)全波形时谱图10-443202000400060008000频率/Hz(b)全波形频谱图图3综掘机掘进作业信号时频0.0350.0250.0150.0050-0.00516:2816:3016:3216:3416:36采样时间(a)全波形时谱图10-42/20004000600008000频率/Hz(b)全波形频谱图图4打锚杆作业信号时频0.0750.0500.0250-0.025-0.050-0.075-0.100采样时间(a)全波形时谱图104102000400060008000频率/Hz(b)全波形频谱图图5钻孔施工作业信号时频频谱分析，这三种作业信号的频率范围在0 8000Hz之间均有分布，主频基本都是处于50 0 Hz、30005000Hz、7 50 0 8 0 0 0 H z 三个频带范围，并且呈现出“W”形状分布2应力加载实验试件破裂声发射信号特征2.1煤、岩试件应力加载实验有效声发射信号是煤岩体受扰动造成煤岩体破裂而产生，因此在处于安静状态下的井下环境中不会产生声发射信号，而井下作业时采集的监测信号是混合信号，即在井下无法直接获取到煤岩破裂产生的真实声发射信号。为此，通过采集试验地点煤、岩样并在实验室开展应力加载实验，获取煤岩样本破裂过程的真实声发射信号并分析其时频谱特征，然后对比分析井下监测的混合信号，寻求煤岩破裂真实声发射信号与井下混合监测信号时频谱特征差异，以此为依据建立噪声处理方法。采用内径7 3mm、外径8 9 mm、长度1m的岩心管从小屯煤矿13运输巷道底板巷通过穿层钻孔对6串煤层及煤层顶板进行采样，其中6 串煤层上部硬分层f值为0.47 0.8，直接顶岩性为质泥粉砂岩，钻取煤体与岩石样本按标准尺寸50 mm100mm制作煤岩样试件。在实验室采用WAW-600C型压力机开展煤岩样应力加载试验，试件破坏采用单轴压缩加载的应力路径，按0.5MPa/s的速率进行连续加载至试样完全破坏；结合SAEU3H型声发射系统采集加载过程中煤岩样声发射信号2.2加载实验声发射信号特征通过煤、岩样试件应力加载实验，得到了煤体及岩石试件加载破裂过程应力曲线以及声发射信号特征参数情况，如图6、图7 所示。加载过程均有能量和事件产生，随着加载应力增加，在达到应力峰值时有大量能量和振铃产生，断裂后无声发射信号产生，破裂过程属连续型特征。由于加载过程并无外界震动和环境干扰，采集的信号为岩石试件内部真实声发射信号，因此确立了煤岩试件在破裂过程中原始的时谱特征，并通过FFT变换得到了煤、岩试件加载过程的频谱图。煤体破坏过程声发射信号频率范围基本处于0 1000Hz之间，主频带宽度0 50 0 Hz，主频为200Hz左右，属于低频信号；岩石破裂过程声发射信号频率范围基本处于0 1150 Hz之间，主频带宽度0 50 0 Hz，主频为2 50 Hz左右，也属于低频信号，这与泥质粉砂岩属于软-中软岩性的特征是相符1132023年第7 期研究探讨程炭煤200.20160.16120.1280.0840.0405101520253035加载时间/s(a)能量指标2010000168000126000840004200005101520253035加载时间/s酸时间(b)振铃指标图6煤样试件应力加载曲线及声发射指标变化2070.200.18160.160.140.12/鲁120.1080.080.0640.040.02051015202530354045加载时间/s20(a)能量指标7100001680001260008400042000051015202530354045加载时间/s(a)能量指标图7岩石试件应力加载曲线及声发射指标变化的，由此确立了采样地点煤岩体破裂过程声发射信号特征，即小屯煤矿13 运输巷道掘进工作面煤岩层破裂声发射信号主频带范围不会大于50 0 Hz、主频不会超过2 50 Hz3噪声处理方法建立及处理效果3.1噪声信号处理方法井下监测信号不免要被外界噪声以及采集系统本身电流所干扰，为了更为有效获取煤岩体中的声发射信号，首先对监测设备采集的监测信号进行优化，通过软件参数配置去掉监测系统本身对信号造成的干扰；其次结合井下监测信号特征与实验室声发射信号特征的差异进行有效信号提取由图3 至图5井下采集全波形时谱图，采集到电信号时谱图并没有在零轴上下对称波动，这是由于传感器无信号采集时电压无法归零造成时谱图中心轴在零轴以上，因此首先设定监测信号的零飘值将识谱图中心线拉回到零轴；另还需设定信号门槛值以处理掉电压式加速度传感头本身存在底噪在此基础上，根据井下监测信号及实验室加载信号的时频谱特征及主频差异，经对比选用频率差异化滤波效果更优的带通滤波以及IIR滤波相结合的方法对煤巷掘进工作面监测信号进行滤噪处理，处理掉频谱高于50 0 Hz的监测信号3.2滤噪效果及分析由于电压式加速度传感头本身的底噪声门槛小于0.0 15V，设置信号门槛设置为0.0 15V，结合软件程序进行综合滤波；结合有效声发射信号处于0 500Hz频率段，采用带通滤波将低通设为50 0 Hz，以此直接滤除高于50 0 Hz的噪声信号；最后按时域波形抽样时间6 0 s通过IR进行滤波，把小于500Hz的信号再次滤波，提取出这个频率范围内有效声发射信号。对比滤波前后时频谱如图8 所示，子图中左侧上、下部分分别为滤噪前的时谱及频谱图，右侧上下部分分别为滤噪后的时谱及频谱图，右侧时谱图绿色波形为滤噪后的波形图。由图8 可知，从信号滤波前后时频谱可得：滤0.020-0.020234 0234数据点数万个数据点数/万个10-33210100020003000400001000200030004000频率/Hz频率/Hz(a)综掘机掘进信号滤噪效果0.040-0.0400.511.522.500.5一1.522.5数据点数万个数据点数万个10-33210100020003000400001000200030004000频率/Hz频率/Hz(b)打锚杆信号滤噪效果0.10-0.1012345012345数据点数/万个数据点数/万个0.0080.0040100020003000400001000200030004000频率/Hz频率/Hz(c)）钻孔施工信号滤噪效果图8滤噪效果对比114越）苏（责任编辑2023年第7 期程炭煤研究探讨除噪声信号的波形与原波形具有一致性，未出现时谱图失真的情况；且由频谱图该方法滤除了50 0 Hz以上噪声信号，保留了50 0 Hz以内信号，且主频在200250Hz之间，这与实验室开展的应力加载实验所得到的声发射监测信号特征一致，说明达到了噪声有效滤除的效果；另外滤噪后时谱幅值明显降低，即噪声信号影响有明显的降低，这大大提升了基于监测信号计算声发射特征参数值的准确性，为煤岩动力灾害声发射准确监测预测提供了可靠基础信息，综上所述，通过对比实验室应力加载实验所确立的煤岩体破裂过程的声发射信号时频谱特征，并采用相关参数配置、带通滤波以及IR滤波相结合的方式，对煤巷掘进作业期间监测信号进行声发射有效信号提取是可行的，滤噪效果良好且符合实际。在下一步工作中，结合本研究中确立的声发射监测信号噪声处理方法进行系统化软件集成，即可实现监测系统对信号的实时采集与滤噪，从而可提高煤巷掘进声发射监测技术的时效性与准确性。4结论1）分别采集煤巷掘进工作面综掘机掘进、打锚杆、钻机打钻的声发射监测信号，提取出时频谱特征，得到三种作业过程监测信号的频率范围在0 8000Hz之间均有分布，主频基本处于50 0 Hz、30005000Hz、7 50 0 8 0 0 0 H z 三个频带范围，并且呈现出“W”形态分布。2）开展了试验地点煤、岩样试件的应力加载实验，随着加载应力逐步增加试件内部声发射信号逐渐增强，并在应力峰值时达到顶峰，煤岩样试件破坏过程声发射信号主频带宽度0 50 0 Hz，主频不超过2 50 Hz，且煤样试件主频稍低，均属低频信号。3）基于应力加载实验确立的煤岩试件破裂声发射信号时频谱特征，通过合理配置零飘值与信号门槛值，并结合带通滤波及IIR滤波，实现了监测信号有效滤噪，确立了煤巷掘进声发射监测信号噪声处理方法的可行性，为提升声发射监测预警的准确性提供了技术支撑。参考文献：1王国法煤矿智能化最新技术进展与问题探讨【J煤炭科学技术，2 0 2 2，50(1)：1-2 7.2葛世荣，胡而已，裴文良煤矿机器人体系及关键技术。煤炭学报，2 0 2 0，45(1)：455-46 3.3王恩元，张国锐，张超林，等。我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望J煤炭学报，2 0 2 2，47(1)：2 9 7-3 2 2.4赵旭生，马国龙，周密。煤与瓦斯突出智能预警方法与系统J矿业安全与环保，2 0 2 2，49（4）：150-156.5李小明，姜骞，袁强，等，工作面煤与瓦斯突出综合指标预警系统研究及应用J煤炭工程，2 0 2 1，53(9)：10 7-111.6沈荣喜，侯振海，王恩元，等。基于三向应力监测装置的地应力测量方法研究J岩石力学与工程学报，2 0 19，3 8(S2):3618-3624.7郝明锐。煤巷掘进中陷落柱地质构造探测仿真及结果分析.煤炭工程，2 0 16，48（6)：58-6 0，6 4.8聂百胜，何学秋，王恩元，等煤与瓦斯突出预测技术研究现状及发展趋势J中国安全科学学报，2 0 0 3，13（6)：41-43.9刘勇，刘建磊，温志辉，等多级破煤水力冲孔强化松软低透煤层瓦斯抽采技术研究J中国安全生产科学技术，2015,11(4):27-32.10李伟深部煤炭资源智能化开采技术现状与发展方向J煤炭科学技术，2 0 2 1，49(1)：13 9-145.11Li J G,Hu Q T,Yu M G,et al.Acoustic emission monitoringtechnology for coal and gas outburst J.Energy 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