煤体失稳破坏过程中的低频磁场变化特征研究

付玉凯，李成武，段昌瑞，杨 威

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013； 3.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；4.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232000)

煤体失稳破坏过程中的低频磁场变化特征研究

付玉凯1,2，李成武3，段昌瑞4，杨 威3

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013； 3.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；4.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232000)

为研究不同加载速率下煤岩体失稳破坏过程中的低频磁场变化特征，以单轴加载试验为基础建立了煤岩失稳破坏低频磁场监测系统，分别以不同加载速率对煤岩体试样进行了加载破坏试验。试验结果表明：接收到的原始低频磁场信号包含有大量的背景噪声，采用HHT时频分析方法中的EMD功能，对信号进行了分解重构，有效地过滤掉了背景噪声，对重构后的信号进行FFT分析，发现低频磁场信号的频率为0～20Hz；煤岩体失稳过程中产生的低频磁场信号对应于煤岩体的时程压力曲线，并且失稳破坏时，磁场信号最为丰富；不同加载速率下，煤岩体产生的低频磁场信号有明显的不同，随着试样加载速率的增大，低频磁场信号的幅值和能量整体有增大的趋势。

煤岩体；低频磁场；HHT时频分析法；煤岩动力灾害

随着开采深度和生产规模的扩大，冲击地压以及煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故日益增多，严重制约了煤炭工业的发展，所以要想既能保证安全，又要尽可能地提高矿山企业的效益，准确、经济、可靠的预测预报方法是关键，目前对煤岩动力灾害的预测预报方法很多，但是电磁辐射预测法具有简单、高效等独特的特点，受到了很多学者的重视[1]。

许多学者对电磁辐射进行了大量研究，何学秋等[2-4]主要研究了煤岩体一维受载破坏和三维受载破坏下电磁辐射信号的产生机理；万国香等[5-6]运用一维模型对煤岩的压电效应进行了研究。钱书清等[7-8]研究发现，大块岩石破裂过程中会产生电磁波；孙正江[9]、徐为民[10-11]、李均之[12]等研究发现，岩石破坏时不但可以产生光，还可以产生电磁波；郭自强等[13]对岩石破裂时产生的电子发射、光声、电声效应进行了大量的实验研究。何学秋、王恩元、刘明举等[14-16]学者第一次赋存瓦斯煤岩体破裂过程中电磁辐射效应进行了研究，认为：煤岩体产生的电磁辐射频谱很不稳定，随着受载增加，电磁辐射会进行规律性变化，并且电磁辐射频谱很快。此外，撒占友、聂百胜等[17]在前期研究的基础上，进行了更深层次的研究，认为煤岩在剪切、摩擦、拉伸等受载方式下均会产生电磁辐射信号，并且产生的电磁信号和煤岩体受力成正比。这些理论研究为电磁辐射的应用提供了理论依据。

目前的研究一般基于中高频电磁辐射信号，中高频电磁辐射信号波长较短，其在煤岩体中的传播距离大约在20m，而且容易受到采掘空间内电器设备的开关和电缆周围产生的高频电磁干扰。低频或超低频电磁波在煤岩体中的衰减小，传播距离比高频大(可达3.5km)，而且由于现有井下设备干扰信号频率多在5kHz以上，所以低频电磁信号具有干扰较少，抗干扰能力强的特点，所以研究煤岩体低频电磁频谱特征具有重要意义。本文采用中国矿业大学(北京)的煤岩单轴加载系统和自制的煤岩低频电磁接收天线，探究煤岩体失稳破坏过程中的低频电磁场变化特征。

1 实验简介

1.1 实验系统

1.1.1 加载系统

本实验是在中国矿业大学(北京)国家重点实验室完成的。加载系统采用由日本生产的全数字

液压系统，系统结构图如图1所示。

1—试验机机头；2，4—应变-应变采集系统；3—电磁传感器；5—绝缘纸；6—主传感器；7—屏蔽系统；图1 实验系统示意

1.1.2 电磁信号采集系统

采用WAE2002采集系统对电磁信号进行实时监测，监测系统主要包括信号采集系统、A/D转换模块系统、前置放大器、计算机等部分组成。全波形声电信号检测仪的实物图及采集系统的软件界面示意如图2和图3所示。

图2 电磁辐射测试系统实物

图3 WAE2002全波形声电监测数据采集系统实物及软件界面

1.1.3 电磁辐射信号接收天线

选用的电磁辐射接收天线为ZDKT-1型磁振测试仪(图4)，使用时，电磁采集天线必须正对试样，距试样20mm左右。

图4 煤岩低频电磁接收天线及接收机理

1.2 煤试件的制备

煤样选自平煤十矿24080工作面，煤层埋深为700 ～ 800m，煤岩为无烟煤，加工成立方体形状，尺寸为100mm×100mm×100mm，抗压强度3～5MPa，为了保证试样表面的整洁度，试样加工的平行度在0.02mm误差范围内。本次实验共选择12个试件，分为3组(A1-A4；B1-B4；C1-C4)，对每一组的4个试样进行加载速率分别为10m/s，20m/s，30m/s，40m/s的加载实验，进行相同速率下的加载试验，同速率下试件的实验结果重复性较好。

1.3 实验步骤

试验加载设备为电液万能试验机，可自动采集力与时间数据，为了即能得到试样在不同加载速率下的低频电磁信号，又能使试样基本保持静载加载方式，并且鉴于以前实验经验的基础上，本次实验选择低速加载方式，加载速率分别为10N/s，20N/s，30N/s，40N/s，匀速单向加载；磁场传感器为自行研制，非接触方式，距离试样表面5～8mm。探头接收到的信号经过前置放大器放大后由采集仪接收，采样频率设为2962Hz，试验步骤如下：

(1)放置试样至试验台中央，将低频电磁辐射信号接收天线布置在样品一侧，距试样5～8mm。

(2)连接电磁天线和采集系统，设置实验参数，并检查系统状态。

(3)启动加载系统，当机头距试样10～20mm时，启动采集系统，试样完全破坏，实验结束。

2 低频磁场变化特征分析

2.1 电磁信号的HHT去噪分析

前人研究发现，电磁信号通常具有3个特征：高噪声、脉冲状、持续时间短，是一种非平稳脉冲信号[18]。

根据所接收到的磁场信号的特征以及HHT法(希尔伯特黄变换)的去噪原理，本文拟采用HHT 法来对磁场信号进行去噪处理，采用EMD(经验模态分解的方法)方法对原始信号进行分解重构，分析其频谱特征。

试样失稳破坏过程中，ZDKT-1型磁场采集系统采集到了试样从单轴压缩开始到破坏的全过程的磁场信号。以A2试样的磁场信号为例，对其进行HHT去噪分析，分析结果如下所示：为了获取低频磁场的有效信号，需首先对原始信号进行EMD分解，按照不同的频率进行分解，然后滤掉噪声信号，再对有效IMF信号(某一频率尺度上的模态信号)进行重构，即得到低频电磁信号的有效信号 (见图5)。

图5 原始信号EMD分解IMF分量和试样压力曲线

由图5可以看出，原始磁场信号经过分解后，IMF1-IMF6分量表现为信号平稳，这说明该频段信号为背景噪声信号，噪声信号通常一直比较平稳，在试样破裂时其没有明显的波动；IMF7-IMF10为信号的优势频率分量，其信号与单轴加载系统的时程压力曲线相关性较好，在试样破裂峰值处，电磁信号幅值发生明显的突变；MF11分量代表的是信号整体的波动趋势，从图中可以看出，随着时程压力的增大，磁场信号在试样波动明显，尤其在破裂峰值处，信号幅值发生突变现象。

2.2 低频磁场信号频谱特征分析

对IMF7-IMF10分量的信号进行重构，重构信号如图6(a)所示，并对重构后的有效信号进行了FFT变换，变换后的频谱图见图6(b)。

图6 频域图

由图6可以看出，重构以后的信号最大限度地表现出了磁场信号的变化特征，也表现了整体信号的变化趋势(IMF11)。低频磁场信号与压力曲线有很好的相关性，在整个压裂阶段，均有磁场信号的产生，但是在煤试样破坏时(130s时)，磁场信号发生了突变现象，信号幅值明显增大，达到0.7mv；从图6(b)可以看出，试样加载过程中磁场信号的优势频率较低，为0～20 Hz，采用上述分析方法分析另外11个试样，分析结果相同。

2.3 低频磁场信号能量特征分析

低频磁场信号能量(另称功率)可以用低频磁场信号幅值的平方在单位时间内(1s)的积分表示，对A2试样的低频磁场信号曲线进行积分计算，低频磁场信号与压力曲线见图7所示。

图7 低频磁场能量与时程压力曲线关系

从图7可以看出，低频磁场信号能量与压力曲线也有很好的相关性，在试样受载初期的0～30s，由于裂隙闭合过程中，壁面附近部分煤体发生变形和微破裂，则产生较多的低频磁场信号，随之进入线弹性阶段，低频磁场信号强度减弱；从30～100s，煤试样属于线弹性阶段，虽然也阵发性地产生低频磁场信号，但是该阶段煤体裂纹尖端附近能量不足以破裂煤体，裂纹扩展终止，煤体积累能量，所以低频磁场信号能量较低，处于平静期；100～120s，煤试样处于屈服阶段，内部出现扩容现象，裂纹开始破裂，但是还没形成大量裂纹的破裂，这个阶段的低频磁场信号也较弱，120～150s之间，煤试样完全破裂，这时的大量裂纹的贯通产生了强烈的低频电磁信号，该阶段低频磁场信号能量最强。

2.4 低频磁场幅值、能量与加载速率关系

由上述分析结果可看出，试样所产生的低频磁场信号与试样的受载载荷有着一定的内在关系，因此对12个试样从受载到失稳破坏的最大幅值和能量(功率)与加载速率之间的关系的实验结果进行统计分析，并对同一种加载速率下的最大幅值和能量数据进行平均值计算，分析结果见图8。

从图8中可以看出，随着加载速率的增大，试样产生的低频磁场信号的最大幅值和能量整体也呈现增大的趋势，但离散性较大，有部分幅值和能量不增大反而减小。对同一种加载速率的最大幅值和能量进行平均，并对平均值进行对比分析，发现平均值呈现出与加载速率正相关的规律，由于数据量较少，所以呈现线性还是弱指数关系还不确定。但总体可知，随着煤试样加载速率的增加，煤试样破坏的磁场信号幅值和能量均呈递增趋势，呈现正相关性。

图8 低频磁场幅值、能量与加载速率关系

3 煤体失稳过程中裂纹扩展产生低频磁场讨论

煤岩体失稳破裂过程中产生的磁场信号是有多种机制综合作用下的结果。钱书清等[7-8]对岩石试样进行剪切和摩擦滑动实验，发现剪切和滑动过程中会产生电磁辐射，认为由于压电效应，岩石裂纹表面会产生净电荷，电荷电离空气，最终会产生磁场信号的变化。后来钱书清等[19]又对4 类岩石、28 块样品破裂发生全过程中所产生的ULF和LF电磁前兆信号进行了研究，发现电磁信号的变化与岩石的强度有关，强度高的岩石其电磁信号也较强。郝锦绮等[20]在零磁空间中对超低频的磁场信号进行了研究，发现岩石破裂过程中，裂纹尖端会产生电荷分离，并且局部区域还会有静电荷的积累和转移，而在岩石主破裂时，产生的电荷会加速运动从而形成瞬时电流，最终会引起磁场的脉冲式波动。

煤岩体在失稳破坏过程中，其内部的力学性质非常复杂，所以内部产生的裂纹也是离散多样的，那么产生的自由电荷也是离散随机分布的[21]。随着煤岩体失稳破坏，试样内部大量裂纹扩展、汇合、积聚，这时就会在裂纹表面产生大量的自由电荷，应力集中区会汇集更多的自由电荷，这些自由电荷在裂纹处形成偶电层，由于不同大小的裂纹所形成的偶电层是不同的，这就导致产生了不同频率的磁场信号，磁场信号的频率大小主要是由裂纹的大小决定的，微破裂会产生大量的低频磁场信号。由图7可以看出，在120～150s，试样发生失稳破坏，失稳破坏过程中伴随着大量微破裂的发生，磁感应天线接收到的信号发生了突变，这次信号的突变与试样失稳破坏过程中的裂纹扩展相对应，随着加载速率的增大，磁场信号的幅值和能量也进一步增强，这主要是因为随着加载速率的增大，试样内部发生微破裂的范围就会增大，所以就会产生更丰富的低频磁场信号。由此可以得出，煤岩体试件在失稳破坏过程中会产生低频磁场信号，并且低频磁场信号的强度跟试件的加载速率正相关，实质上是跟微破裂的多少正相关。

4 结论

基于煤岩体单轴加载实验，以低频磁场信号监测为手段，运用HHT时频分析方法，研究了无烟煤试样在不同加载速率下的低频磁场信号变化特征，并对低频磁场信号产生的机理进行了初探，主要结论如下：

(1)基于HHT时频分析方法，用EMD分解实测的煤试样失稳破坏的原始低频磁场信号，可以得到各个IMF分量，对有效分量进行重构，可以把原始信号的噪声信号进行有效地分离。

(2)对低频电磁信号的频谱特征进行了分析，发现低频磁场信号幅值和能量均与压力曲线有很好的相关性，在煤试样破坏时(130s时)，磁场信号幅值和能量发生了突变现象；随着煤试样加载速率的增加，煤试样破坏的磁场信号幅值和能量均呈现递增趋势。

(3)对煤岩体失稳破坏产生低频磁场的机理进行了初探，发现低频磁场信号的变化主要集中在试样内部微裂纹扩展。破裂峰值时，低频磁场信号最丰富，这说明煤岩体在失稳破坏过程中造成大量微裂纹扩展，进而导致电子发射是低频磁场信号异常的重要原因之一。

本文只是初步对煤岩体失稳破坏过程中低频磁场信号变化特征进行了研究，对于如何进行现场应用，低频磁场信号的阈值如何确定，低频磁场信号强度随加载速率、煤岩强度的关系等都有待进一步的研究。

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[责任编辑：施红霞]

Low-frequencyMagneticFieldVariationCharacteristicofCoal-bodyinInstabilityFailureProcess

FU Yu-kai1,2, LI Cheng-wu4,DUAN Chang-rui4,YANG Wei3

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China; 2.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 3.Resources & Safety Engineering School, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China; 4.Huainan Mining Group Co., Ltd., Huainan 232000, China)

In order to research low-frequency magnetic field variation characteristic in coal and rock body instability failure process under different loading velocity, loading failure test of coal and rock body was finished.Result showed that

original low-frequency magnetic field signals included much background noise.Applying EMD function of HHT time-frequency analysis to decomposing and restructuring these signals, background noise was effectively removed.The FFT analysis of restructured signals showed that the frequency of low-frequency magnetic field was 0～20Hz.Low-frequency magnetic field signal from coal and rock body instability was corresponding to time-pressure curve, and magnetic field signal was most abundant in instability failure process.Under different loading velocities, low-frequency magnetic field signal was obviously different.With loading velocity increasing, amplitude of low-frequency magnetic field signal and energy took on wholly rising tendency.

coal and rock body; low-frequency magnetic field; HHT time-frequency analysis; dynamic disaster

2014-01-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.004

国家科技支撑计划课题(2012BAB13B02)；国家自然科学基金项目(U1261211)；淮南矿业集团科研项目计划(HWKY-JT-TS-(2011))

付玉凯(1985-)，男，河南安阳人，在读博士研究生，主要从事冲击矿压巷道围岩控制方面的研究。

付玉凯，李成武，段昌瑞，等.煤体失稳破坏过程中的低频磁场变化特征研究[J].煤矿开采，2014，19(4)：13-17.

TD326

A

1006-6225(2014)04-0013-05