1、第43卷第3期2023年6 月文章编号：10 0 0-130 1(2 0 2 3)0 3-0 2 39-10地震工程与工程振动EARTHQUAKE ENGINEERING ANDENGINEERING DYNAMICSVol.43 No.3Jun.2023D0I:10.13197/j.eeed.2023.0324加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征影响研究陈浩,贾宝新1,刘丰溥,周琳力1（1.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新12 30 0 0；2.辽宁省矿山沉陷灾害防治重点实验室，辽宁阜新12 30 0 0）摘要：为研究加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征的影响，应用高频微震监测
2、设备，开展不同瓦斯压力条件下煤体不同加载速率加载破坏全过程高频微震监测试验。由试验可得：随着加载速率的提高，煤体试件抗压强度增大、破坏时间减少、弹性模量与软化模量也随之增加，煤体冲击倾向性增大；与之相较，瓦斯压力的提高，煤体试件抗压强度降低、破坏时间增加、弹性模量与软化模量降低，冲击倾向性减小。HHT变换得到不同瓦斯压力和不同加载速率下煤体试样破坏微震信号边际谱。通过频谱分析得到：随着加载速率的提高，微震信号的中心频率和优势频率降低；随着瓦斯压力的提高，微震信号的中心频率和优势频率增大。煤岩破裂信号的频率与强度无关，与试样破坏方式和裂隙的发育有关。冲击地压和瓦斯突出发生时,均可以改变煤岩裂隙的
3、发育形式，因此，煤岩破裂信号频率特征可以作为矿井动力灾害特征差异的研究。关键词：动力灾害；微震信号差异；HHT变换；瓦斯压力；加载速率中图分类号：TD712文献标识码：AStudy on the influence of loading rate and gas pressure on thecharacteristics of microseismic signal of coal body damageCHEN Hao,JIA Baoxin-2,LIU Fengpu,ZHOU Linli(1.School of Civil Engineering,Liaoning Technical Un
4、iversity,Fuxin 123000,China;2.Liaoning Key Laboratoryof Mine Subsidence Disaster Prevention and Control,Fuxin 123000,China)Abstract:In order to study the characteristics of microseismic signals of coal failure,the self-developed high-frequency microseismic full-waveform real-time monitoring system w
5、as used to carry out the coal deformation andfailure tests under load in the laboratory to monitor the deformation and failure mechanical behaviors and microseismicsignals of coal samples under different gas pressures and loading rates.The experimental results show that with theincrease of loading r
6、ate,the failure time of coal is shortened,the compressive strength is increased,the elasticmodulus and softening modulus are also increased,and the impact liability of coal is increased.In contrast,withthe increase of gas pressure,the failure time of coal increases,the compressive strength decreases
7、,the elasticmodulus and softening modulus decrease,and the impact liability decreases.The marginal spectrum of failuremicroseismic signals of media samples under different gas pressures and loading rates was obtained by HHT收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 9；修回日期：2 0 2 2-0 6-14基金项目：国家自然科学基金面上项目（517 7 417 3）；辽宁省“兴辽
8、英才计划”项目（XLYC2007163）；辽宁工程技术大学学科创新团队资助项目（LNTU20TD08）；辽宁省“百千万人才工程”资助项目（2 0 2 192 10 2 3）Supported by:National Natural Science Foundation of China(51774173);Liaoning Province“Xingliao Talent Program(XLYC2007163);Project of Academic Innovation Team of Liaoning Technical University（LNT U 2 O T D 0 8);Pr
9、o j e c t o f Li a o n i n g Pr o v i n c e “H u n d r e dMillion Talents Project(2021921023)作者简介：陈浩（1992），男，博士研究生，主要从事矿山灾害力学的研究。E-mail：10 41336 8 8 2 q q.c o m通讯作者：贾宝新（197 8），男，教授，博士，主要从事矿山灾害力学与地下工程防灾减灾方面的研究。E-mail:jbx_240transformation.The frequency spectrum analysis shows that the center frequenc
10、y and dominant frequency ofmicroseismic signal decreases with the increase of loading rate.With the increase of gas pressure,the centralfrequency and dominant frequency of microseismic signal increase.The frequency of coal fracture signal is not relatedto the strength,but is related to the failure m
11、ode and the development of fracture.When rock burst and gas outburstoccur,the development form of coal and rock fissure can be changed.Therefore,the frequency characteristics ofcoal and rock fracture signal can be used to study the difference of dynamic disaster characteristics of rock burst andcoal
12、 and gas outburst.Key words:dynamic hazard;microseismic signal difference;HHT transformation;gas pressure;loading rate地震工程与工程振动第43卷0引言当前，由于煤层开采和回采的速度提高，每秒钟的顶板下沉量也会相应增加，这种情况下，顶板煤岩层承受的荷载也在不断上升,从而成为冲击地压的重要原因。随着加载速率的变化,姜耀东等1通过试验研究了煤岩力学性质和破裂规律,发现岩石内部能量的积累和消耗有着明显的变化规律；谢广祥等2 和王金安等3深人探究了综合采矿速率如何影响围岩应力环境；尹光志
13、等4-5深入探讨了不同卸压速率和负荷条件下含瓦斯煤岩的力学行为以及其渗流特征；李海涛等6-7 通过试验探讨了不同荷载水平下煤样的力学行为。当煤层发生破坏时，它将产生微震信号和电荷感应信号，这2 种信号的特性对于理解煤层破坏的机制至关重要8-10。陆菜平等1通过对煤矿组合煤样的微震信号分析,揭示了煤冲击前兆频谱的演化规律。通过微震监测和声发射试验,王晓南等12 研究了不同类型的煤岩结构的破坏特性,并揭示了其中的微震效应规律。杨永杰13通过对煤的强度、变形和微震特征的研究,发现了煤体破坏的微震规律。刘玉春等14，赵扬锋15利用微震设备与电荷设备对含水煤岩进行单轴压缩试验，得到电荷感应与微震规律。潘
14、一山,罗浩等16-17 利用声-电设备对含瓦斯煤岩加载破坏，得到瓦斯渗流规律及电荷感应特征。综上所述，微震监测在煤岩试样加载试验中已经得到了广泛的应用，在原煤试样以及在含瓦斯情况下的煤岩试样加载破坏的微震信号分析中也做了大量工作，然而在不同加载速率和瓦斯压力下煤岩破裂信号的对比分析还鲜有人做，因此，文中通过对研究现状的解读,采用室内试验和信号处理的方法,来展开以下研究工作：不同瓦斯煤体破坏特征研究；不同加载速率下煤体破坏特征研究；不同加载速率和瓦斯压力下煤体破裂过程的微震信号特征研究。通过煤体不同加载速率和不同瓦斯压力加载破坏微震信号特征差异研究，对矿井动力灾害的产生提供一定的判别方法。1试验
15、设备试验设备由图1所示。单轴加载设备中轴压由电液伺服压力试验机竖向加载提供，高频微震监测设备由采集器，信号放大器和微震传感器组成，瓦斯压力调控设备由氮气瓶和压力表组成，示意图见图2。压力机无分量振动速度传感器加载装置P三轴加载系统围压及瓦斯压压力表瓦斯入孔压力调控系统力调控系统高频微震监测系统图1试验设备Fig.1 Test equipment压力控制系统煤体试样凤斯罐试验台图2 试验设备示意图Fig.2Schematic diagram of test equipment前置放大器微震数据采集器第3期1.1高频微震监测设备高频微震监测设备由采样频率0 10 0 kHz数据采集器、增益32 倍
16、、10 0 倍双增益前置放大器、无分量振动速度传感器组成。具体设备参数见表1、图3。Table 1High-frequency microseismic full waveform real-time monitoring equipment parameters主机硬件配置CPU内存Core i7-2620MDDDR-III 4GB2.7GHz陈浩，等：加载速率与瓦斯压力对煤体破坏微震信号特征影响研究表1高频微震全波形实时监测设备参数检波器参数硬盘采样频率/kHz量程/(10 4 m/ms)SATA-III 2TB100241支持检波器/个灵敏度V/(m/s)-32 768 32 76848100COMEZ1Z3Z2B2B2B2B2B1L1L2L3POWERNO.4NO.3NO.2NO.10注：Z1为压力感应式触摸显示屏；Z2为外部IV/O接口；Z3为主机运行及硬盘工作指示灯；L1为主机启动开关（触点型）；L2为主机总电源开关（自锁型）；L3为直流12 V电源接口；B1为接人电源说明要求；B2为散热片安装螺丝孔。图3高频微震全波形实时监测仪Fig.3High frequency mi
