基于現(xiàn)場聲波的工作面煤體結(jié)構(gòu)特征提取

基于現(xiàn)場聲波的工作面煤體結(jié)構(gòu)特征提取

煤層磚瓦動(dòng)態(tài)破壞是礦山的三次破壞之一，其預(yù)測和預(yù)防問題尚未得到很好的解決。除了管理因素外，許多因素都是地質(zhì)因素造成的。煤體的結(jié)構(gòu)特征是關(guān)系到煤層瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的一個(gè)重要因素,對(duì)它的研究有著重要的意義。聲波的頻譜分析技術(shù)為煤體結(jié)構(gòu)特征的判別提供了新的途徑。巖體的成因、類型、結(jié)構(gòu)面特征等地質(zhì)因素,直接影響著巖體的力學(xué)性質(zhì),而它又與聲波在巖體中的傳播規(guī)律有密切聯(lián)系。巖體聲波測試中直接收到的是經(jīng)過巖體傳播的波形,波形中包含著被測巖體的物理力學(xué)性質(zhì)。這就是巖體聲波探測技術(shù)能成為巖體工程地質(zhì)分類重要手段的物理前提。在以往的探測工作中,大多通過時(shí)域聲波各波組相位的變化與追蹤進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的解釋與判斷,卻很少利用聲波的頻率、振幅、吸收、衰減等動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行地質(zhì)體結(jié)構(gòu)特征的分析與評(píng)價(jià)。由于從頻率領(lǐng)域分析能獲得更多的有用信息,從而使聲波頻譜分析技術(shù)日益受到重視。聲波頻譜分析技術(shù)在國外發(fā)展較早,20世紀(jì)70年代在檢測技術(shù)、儀器系統(tǒng)方面已較為成熟。國內(nèi)起步較晚,在80年代隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展才在一些領(lǐng)域開始研究和應(yīng)用,自從原地礦部和中國科學(xué)院先后進(jìn)行巖石聲波頻譜檢測試驗(yàn)以來,將聲波頻譜分析技術(shù)嘗試應(yīng)用于巖體結(jié)構(gòu)分析也不過20年的歷史。前人對(duì)巖石聲波頻譜分析的研究結(jié)果表明:巖石的頻譜特性反映了巖石的基本物理力學(xué)特性,巖石頻譜特征值的大小,取決于巖石的結(jié)構(gòu)、礦物成分、膠結(jié)程度、風(fēng)化程度等等,而巖石的完整性決定巖石的頻譜形狀。不同種類堅(jiān)硬、致密、完整巖石的頻譜特征基本相似,主頻高,帶寬大,振幅、功率譜呈單峰,譜線光滑,相位譜隨頻率的增加相位變化有規(guī)律。巖石頻譜特征值主頻與巖石抗壓強(qiáng)度R及彈性模量E有較好的相關(guān)性,較縱波速度Vp與R,E關(guān)系顯著。天然賦存狀態(tài)下的煤體和其他巖體一樣,巖體聲波頻譜特征與巖體結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)性質(zhì)具有較好的相關(guān)性,使得聲波頻譜特征主頻值能夠成為應(yīng)用于煤體結(jié)構(gòu)特征評(píng)價(jià)的又一聲學(xué)指標(biāo)。1信號(hào)在時(shí)間域和頻率域的描述任何一個(gè)地震波可以用波形函數(shù)x(t)來描述,它表示地震波的振幅是隨時(shí)間t變化的函數(shù),稱為信號(hào)在時(shí)間域的表示形式;而x(t)可以看作是由無窮多個(gè)頻率連續(xù)變化的簡諧振動(dòng)相加而成,這些簡諧振動(dòng)的振幅和初相則隨頻率不同而不同,列出組成x(t)的所有簡諧振動(dòng)的頻率、振幅和初相,就是地震波形函數(shù)x(t)的頻譜,把信號(hào)表示為振幅和相位隨頻率變化的函數(shù),稱為信號(hào)在頻率域的表示形式,用x(f)表示,f為信號(hào)頻率。信號(hào)在時(shí)間域和頻率域的表示是2種不同的表示方式,二者是等價(jià)的,并用傅里葉變換相聯(lián)系:x(t)=∫∞?∞x(f)exp(2πift)df(1)x(f)=∫∞?∞x(t)exp(?2πift)dt(2)x(t)=∫-∞∞x(f)exp(2πift)df(1)x(f)=∫-∞∞x(t)exp(-2πift)dt(2)式(1)和式(2)是一對(duì)傅里葉變換,任何一個(gè)形狀的地震波都單一地對(duì)應(yīng)它的頻譜,反之任何一個(gè)頻譜唯一地確定一個(gè)地震波形。即地震波的動(dòng)力學(xué)特征可以用隨時(shí)間變化的波形來描述,也可以用其頻譜特性來表述。前者是地震波時(shí)間域表征,后者則是其頻率域表征。由于它們具有單值對(duì)應(yīng)性,因此在任何域內(nèi)討論地震波都是有效的。在實(shí)際應(yīng)用中,首先對(duì)連續(xù)聲波信號(hào)進(jìn)行離散采樣,獲得時(shí)域信號(hào)離散點(diǎn)序列,然后進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),得到離散頻譜序列。FFT變換的計(jì)算公式為Y(m)=Δ∑n=0N?1X(n)exp(?2πimdnΔ)(m=0?1?2???N?1)(3)Y(m)=Δ∑n=0Ν-1X(n)exp(-2πimdnΔ)(m=0?1?2???Ν-1)(3)式中X(n)——時(shí)間域離散信號(hào);Y(m)——離散頻譜序列;Δ——時(shí)間域采樣間隔;d——頻率域的基頻;m——頻率域頻率序號(hào);n——時(shí)間域離散點(diǎn)序號(hào);N——離散點(diǎn)總數(shù)。通過傅里葉變換軟件處理后,計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制頻率域波形圖。2震波數(shù)據(jù)采集煤體聲波數(shù)據(jù)可通過震波單邊排列觀測法和反射共偏移法進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,其中單邊排列法相當(dāng)于獲得地震勘探中的單炮記錄,反射共偏移相當(dāng)于地震勘探中的多炮記錄。檢波器直接插在煤體中,應(yīng)保證耦合良好;錘擊震源應(yīng)保證脈沖式激發(fā)條件。震源、檢波器1和檢波器2組成一個(gè)觀測系統(tǒng),三者保持距離不變,震源激發(fā)一次,檢波器接受一次信號(hào);然后,整個(gè)觀測系統(tǒng)按照一定的步距平移一次,再次激發(fā)震源,使檢波器接收信號(hào);如此進(jìn)行下去。試驗(yàn)中,震波數(shù)據(jù)采集使用本質(zhì)安全型的KDZ1114-3型便攜式礦井地質(zhì)探測儀進(jìn)行,激發(fā)采用錘擊震源,接收采用主頻為30,60或100Hz速度檢波器進(jìn)行接收。聲波數(shù)據(jù)采集完成后,通過頻譜分析軟件把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)并自動(dòng)成圖。數(shù)據(jù)采集裝置如圖1所示。3工程實(shí)例與分析3.1回采煤體類型試驗(yàn)是在淮北祁南煤礦711工作面進(jìn)行,該工作面標(biāo)高-498—-520m,走向長534m,傾向長140m,傾角4~8°,工作面回采71和72兩層煤,其中71煤厚平均為1.1m,72煤厚平均為2.4m,72煤與71煤之間為平均厚度0.8m的泥巖。煤體結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定,一般不含夾矸。根據(jù)勘探資料分析,工作面位于王樓背斜核部,背斜軸向北西,與地層走向基本直交,煤巖層傾向南東,傾角4~8°。根據(jù)711工作面3條巷道實(shí)際揭露的煤體情況分析,切眼揭露有81F15和81F16兩條斷層,預(yù)計(jì)工作面內(nèi)有構(gòu)造煤發(fā)育。3.2數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理采用“一發(fā)雙收”單邊小排列和反射共偏移綜合方式,分5個(gè)小組沿工作面的回風(fēng)巷、中間巷、切眼和運(yùn)輸巷分別對(duì)煤體進(jìn)行探測。采用單邊小排列和反射共偏移綜合法的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)約勞動(dòng)量,同時(shí)保證所獲得的數(shù)據(jù)量大。為保證試驗(yàn)條件的一致性,便于數(shù)據(jù)處理,各組采用相同的震源參數(shù)、檢波器參數(shù)和儀器技術(shù)參數(shù)設(shè)置;錘擊震源采用自制的便攜式機(jī)械震源槍,接收采用ZBS系列主頻為30Hz的速度傳感器,數(shù)據(jù)采集器采用KDZ1114-3型便攜式礦井地質(zhì)探測儀,探測參數(shù)為:震源距第一通道檢波器4m,震源距第二通道檢波器5m,采樣時(shí)間間隔100μs,采樣頻帶2000Hz,采樣長度1024點(diǎn),移動(dòng)步距1m。各巷道探測路線如圖2所示。3.3波速、頻率特征現(xiàn)場探測的資料,數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)分別保存在5臺(tái)儀器和5個(gè)可移動(dòng)存儲(chǔ)卡內(nèi);在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),打開震波自動(dòng)解析系統(tǒng)軟件,通過計(jì)算機(jī)COM串口通信,分別讀取儀器數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)卡數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)讀取完成后,首先對(duì)各波形文件進(jìn)行預(yù)處理,包括文件拼接,用戶抽道,壞道剔除,用戶插道,修改頭參,一維濾波,零漂校正等;然后利用軟件中的譜分析模塊對(duì)時(shí)域波形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),得出頻率域振幅譜。這里簡要列出了回風(fēng)巷和切眼內(nèi)具有代表性的2道時(shí)域波形及頻譜圖進(jìn)行波速分析和頻譜特征值提取。根據(jù)圖3的時(shí)域波形,風(fēng)巷內(nèi)該點(diǎn)縱波初至?xí)r間容易識(shí)別,從而求得縱波速度Vp為1.67m/ms;由于橫波初至與縱波后續(xù)波形疊加,橫波初至?xí)r間難以識(shí)別,橫波速度Vs不容易求出;而對(duì)應(yīng)的頻譜圖顯示,回風(fēng)巷內(nèi)相鄰兩點(diǎn)的頻率域振幅譜差異較小,且其主頻特征值在130Hz左右,說明該段煤體介質(zhì)均勻,強(qiáng)度較高。從圖4可知,切眼內(nèi)該點(diǎn)縱波的傳播速度為0.9m/ms;切眼內(nèi)某相鄰2點(diǎn)的頻率振幅譜差異較大,其聲波特征主頻值偏差較大,低值為100Hz左右,說明該段煤體介質(zhì)不均勻,且較為疏松,強(qiáng)度較低。圖3和圖4進(jìn)行比較可知:回風(fēng)巷該段煤體縱波速度比切眼該段煤體縱波速度高;回風(fēng)巷該段煤體聲波特征主頻值分布比較集中,且值較大,而切眼該段主頻值離散性比較大。根據(jù)探測資料綜合分析,除了切眼外,整個(gè)711工作面大部分巷道(包括運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和中間巷)煤體的主頻分布比較穩(wěn)定,平均值在130Hz左右,運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷間頻譜差異較小;開切眼段則比較復(fù)雜,切眼段極其附近煤體相應(yīng)的聲波特征主頻值分布范圍較寬,呈多峰排列,低值小于100Hz;根據(jù)現(xiàn)場開切眼段揭露的斷層資料分析,由于受到斷層影響,煤體受力狀態(tài)復(fù)雜,造成煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻,表現(xiàn)為頻譜特征值分布的不均勻,探測分析資料與實(shí)際地質(zhì)資料吻合較好。4開切眼周邊煤體分析1)從圍繞整個(gè)工作面巷道探測的情況看,運(yùn)輸巷、中間巷和回風(fēng)巷無斷層揭露,與頻譜圖分析的煤體結(jié)構(gòu)基本完整、強(qiáng)度較高等吻合。2)從開切眼的斷層