摘要:微震监测技术是一种保证矿山安全、高效、可持续发展的重要地压监测手段。矿山传感器获取的微震数据容易受到宽频带非平稳噪声的影响,导致微震监测缺乏可用的高质量数据。本文介绍了一种新的频谱分析方法——同步挤压小波变换,它提供了一种将数据同时分解到时域和频域的方法,且比小波变换等方法的时频分辨率更高,可以在时频谱上更为清晰地展示微震信号。同时,本文还比较了Morlet小波基和Bump小波基对微震波形的影响程度,并通过现场微震监测波形验证了Morlet小波基的相对可靠性。采用基于噪声水平的硬阈值滤波方法对其进行分别处理,结果表明,基于Morlet小波基的同步挤压小波变换在从原始数据中提取微震信号方面具有更大的实用价值,能够有效地提高信号的信噪比。
冒顶、坍塌、岩爆等地压灾害的存在是矿山安全高效生产的主要威胁之一,尤其是在地下矿山[1,2]。这些灾害通常是由采矿过程中的应力集中引起的。微震是一种由岩石破坏引起的小振幅地震,微震监测技术可用于获取和分析岩石的微震信号以进行矿山稳定性分析及安全评估[3,4,5]。尽管这项技术近年来发展迅速,但由于微震信号很容易被环境噪声干扰,矿山采集的原始数据并不能满足微震监测分析的需求[6]。因此,我们需要一种更为有效的方法来分析和获得更纯净的微震信号。
传统的方法是通过傅立叶变换(Fourier Transformation, 简称FT)在频域中分析信号,但不可用于非平稳信号,如微震信号。小波变换(Wavelet Transformation, 简称WT)不仅可以弥补这一缺陷,而且可以提供一种在时频域而不仅仅在频域分析信号的方法。连续小波变换虽然具有较高的时频分辨率,但存在信息冗余的严重缺陷[7]。同步挤压小波变换(Synchrosqueezed Continuous Wavelet Transformation, 简称SS-CWT)[8]是一种基于连续小波变换(Continuous Wavelet Transformation, 简称CWT)的再分配算法,其中使用频率变量来代替尺度变量以提高频谱分辨率[9,10,11]。与之前提到的方法相比,SS-CWT获得的时频谱更具可读性,并提供了更多的信号和噪声信息[12,13,14]。
本文利用SS-CWT时频变换方法对微震信号进行了深入研究,并将其应用于矿山实际微震的滤波分析中,来比较不同小波基对SS-CWT在微震监测中应用的影响。本文先介绍了SS-CWT算法,再将SS-CWT与CWT进行对比和分析,验证SS-CWT的有效性,接着采用Morlet和Bump两种典型的小波基对微震信号的匹配程度。在第3节中,采用广西某金属矿山停产期间的微震信号作为研究对象,分别对两种小波基变换的视频谱做噪声水平估计及硬阈值滤波,对比其对滤后波形的影响,进而验证了Morlet小波基在微震波形分析中的相对可靠性。
1、同步挤压小波变换
通常情况下传统时变信号可以表示成多个谐波信号的叠加形式,即信号
为第k个谐波分量的瞬时振幅,
为噪声或误差,K为可分解分量的个数。
对矿用微震信号
进行连续小波变换(CWT),得到小波系数
式中:a为尺度因子,b为平移因子;ψ*为共轭小波函数。其在频率域可等价变换为:
式中:ξ代表频率;
分别表示的傅里叶变换。
在传统小波变换基础上加入主频带能量压缩算法能够使能量更加集中。假设原信号
的长度为n=2L+1,采样时间间隔为Δt,令nv=64,取na=Lnv,
令ωl=2lΔωω0,l=0,1,…,na-1将原始信号所处的范围划分为不同的频率区间,
对小波变换的系数做变换,其中阈值定义为:
其中median为中值函数,则在中心频率 ωl上变换值
其中,(Δa)i=ai-ai-1。
2、小波基对比
小波基的选择是SS-CWT中的一个关键问题。测试了在地震中广泛使用的Morlet小波[9]和Bump小波[12]两个小波基来匹配微震信号。
Morlet小波没有尺度函数,它是非正交分解,定义如下:
在频谱中,Bump小波带有参数μ和σ,其定义为:
的指示函数,σ越小,频率定位越好,相应地时间定位会变差,反之亦然。我们从广西的某一个金属矿获得了微震信号,如图1所示。
图1 广西某金属矿的微震信号
基于Morlet小波的CWT时频谱如图2所示,在CWT中使用Bump小波的时频谱如图3所示。从图中可以看出,Bump小波基比Morlet小波基转换的频谱在频域上信号更为集中,而在时域上信号幅值泄露范围较宽。
图2 基于Morlet小波的CWT频谱
图3 基于Bump小波的CWT频谱
基于CWT、SS-CWT中的时频谱也在图4和图5中显示出相应的特性,但经过进一步的同步压缩操作,无论在时间轴还是频率轴上,SS-CWT的频谱都比CWT的频谱更清晰,Morlet小波基对时域信号压缩的特征比Bump小波基更为明显。能量的变化趋势反映了微震的位置。
图4 基于Morlet小波的SS-CWT频谱
图5 基于Bump小波的SS-CWT频谱
另一个重要参数是小波阈值γ,决定了CWT谱的最低幅度。硬阈值在理想的无噪声条件下被设置为10-8。而在场噪声未知的实际情况下,使用小波分解的最细尺度的中值绝对偏差来估计噪声方差δ
为最佳尺度上的小波系数,此时阈值为
3、矿山应用对比
为实际对比Morlet小波基及Bump小波基对时频域滤波造成的影响,我们选择了2020年广西某金属矿在停产期间BSN微震监测系统[15]提取到的微震信号进行了基于噪声水平的硬阈值时频域滤波对比测试,来对比其实际应用效果。
图6所示的现场数据是广西某金属矿山停产期间获取到的一个微震信号,其FT频谱如图7所示。图8和图9分别基于Morlet小波和bump小波绘制了SS-CWT频谱。为保证针对微震信号的频带部分来进行分析,我们采用50~800 Hz的频带间信号进行分析,其它频带信号默认为噪声信号,从而进行基于噪声水平的硬阈值滤波。
首先,从时域来看,采样点0~900之间的信号为该矿山微震震动波形的底噪。将波形通过同步挤压小波变换转为时频谱,采用累积分布函数对采样点0~900之间的小波系数进行分析,估计其经验值δ,即可基于噪声水平δ
对整个矿山微震震动波形进行硬阈值滤波处理,最后通过SSWT的反变换对过滤后的时频谱波形进行重建,即得到如图10所示的滤波后矿山震动波形,其对应频谱如图11所示。重复上述步骤,再次采用Bump小波基变换的时频谱进行硬阈值滤波,其结果如图12所示,其对应频谱如图13所示。
图6 广西某金属矿的原始微震信号
图7 微震信号频谱(FT)
图8 基于Morlet小波的SS-CWT频谱
图9 基于Bump小波的SS-CWT频谱
图10 SS-CWT时频域滤波(Morlet小波基)信号
图11 基于Morlet小波的滤后波形频谱
从时域滤波对比图来看,Morlet小波和Bump小波对相位都没有影响,能够有效反映出信号特征,但由于对其在频率角度和时域角度的压缩力度不同,导致Bump小波转换的频谱在基于噪声水平的硬阈值滤波后,对原始波形压制更大,其估计的噪声水平大于Morlet小波估计的噪声水平,甚至在部分区域将S波区域最大波速压制为低于P波最大波速的情况。从时频谱对比图看,Morlet小波频谱的能量压缩强度更大,能量泄露较小,对滤后的波形保留准确度也较大。因此,在实际应用中,为减少对后续微震信号分析的影响,Morlet小波更适用于进行微震波形的分析。
图12 SS-CWT时频域滤波(Bump小波基)信号
图13 基于Bump小波的滤后波形频谱
4、结论
本文介绍了SS-CWT分析在矿山微震监测中的应用。与传统方法相比,SS-CWT可以同时将信号分解为时域和频域,基于时频域的分析提供了信号更多的信息和细节。与CWT不同,SS-CWT具有更高的分辨率,能够防止能量泄露,使能量更加集中在其频率标度上,频谱更为清晰。此外,从经过基于噪声水平的时频域硬阈值滤波后的滤后波形来看,Morlet小波比Bump小波更适合进行微震信号的分析及实际应用。
参考文献:
[2]郑欣,许开立,魏勇.尾矿坝溃坝致灾机理研究[J].中国安全生产科学技术,2008,4(5):8-12.Z
[6]蔡永顺,关孝忠,王海文,等.基于微震监测的千米井采场地压监测与预警技术研究[J].矿冶,2021,30(5):1-5.
[14]秦晅,宋维琪.基于同步压缩变换微地震弱信号提取方法研究[J].石油物探,2016,55(1):60-66,90.
[15]娄琪,蔡永顺.BSN矿用微震监测系统在金属矿山的工程应用[J].矿冶,2021,30(4):7-12.
基金资助:国家重点研发计划青年科学家项目(2021YFC2900600);
文章来源:石雅倩,张达,冀虎,等.同步挤压小波变换在矿山微震监测系统中的应用[J].有色金属(矿山部分),2024,76(03):95-100.
分享:
21世纪以来,随着煤矿机械化程度的提高,采掘效率提升的同时,矿井工作区域粉尘质量浓度也显著增加[1,2]。高浓度粉尘不仅会给井下作业人员带来尘肺病风险,还会加速设备老化,产生粉尘爆炸隐患,对煤矿安全生产构成严重威胁。目前,国内综合采掘工作面治理粉尘的主要方法有综合采掘机内外喷雾、混合通风抽压除尘、泡沫抑尘等[3,4]。
2024-06-12目前,上隅角瓦斯的治理方法主要为高抽巷、采空区埋管抽采等,虽能在一定程度上降低瓦斯体积分数,但局限性较大。而大直径钻孔瓦斯抽采技术可利用相邻巷道,通过向回风巷施工大直径钻孔,低负压抽采上隅角积聚的瓦斯,进而降低上隅角瓦斯体积分数[3,4]。
2024-06-12为探究陷落柱构造对矿压显现规律的影响,许进鹏等[7,8]通过理论分析,数值模拟等方法总结了陷落柱的地质成因,以及陷落柱区域的应力分布状态。张村等[9]根据陷落柱赋存状态,依据厚壁筒理论建立了陷落柱力学模型。郝兵元等[10]运用数值模拟方法,探究了工作面推进过程中采动应力与陷落柱应力区的应力耦合关系。
2024-06-12过陷落柱的开采不仅涉及到矿体的资源回收,也直接影响矿山压力的重新分布和地下工程的稳定,并可能引起人员安全危险、设备损失、冲击地压现象、地面环境破坏、水害风险增加、资源浪费、开采难度增加等采矿问题[4,5,6]。正确评估和处理这些区域的风险,是矿山工程与安全管理的核心议题。
2024-06-12文章以挖金湾矿5106辅助运输巷应用窄煤柱沿空掘巷为背景,借助数值模拟手段进行巷道应力场和位移场的研究分析,结果表明,距离邻近采空区0~8 m范围内为应力降低区,5106辅助运输巷设计留设6 m小煤柱较合理,在矿井传统煤巷锚网索支护条件下,巷道服务期间底板底鼓变形严重。
2024-06-12在矿井生产过程中,工作面的接替是一个必要的过程,综采工作面的搬家倒面是矿井实现高产高效的重要环节,综采面设备回撤速度的快慢在一定程度上影响了矿井生产效率。综采工作面的安全、快速回撤对矿井提高煤炭产量和经济效益具有重要意义[1]。
2024-06-12由于不同矿井巷道所在区域地质条件存在有明显差异,在制定巷道围岩变形控制措施时,应结合现场实际条件设计。为此,文中以山西某矿15203运输巷掘进工程为背景,对巷道原支护条件下围岩变形情况进行分析,并结合围岩变形特征及现场地质条件,提出采用“长锚杆+钢筋网+混凝土+钢管混凝土支架”组合方式支护围岩,使软岩巷道围岩变形得到了有效控制。
2024-06-12巷道围岩条件不同、支护设计不合理是造成巷道变形严重的主要原因之一[1,2,3,4,5,6],小回沟煤矿2204工作面运输巷在掘进过程中针对巷道变形严重这个问题,从现场观测、巷道变形监测数据分析以及支护原理分析等方面入手,最终认为2号煤层及其顶底板裂隙发育,巷道支护范围较小。
2024-06-12受煤层、顶底板松软影响,三软煤层巷道围岩变形控制难度较高,特别是掘进过断层等地质构造时,围岩破碎、构造应力发育会进一步增大围岩变形量[1,2]。三软煤层巷道过构造影响区时容易出现顶板冒落、围岩大变形、支护体系失效等问题。
2024-06-12提升钢丝绳自开始使用之日起,就持续不断地承受着正反交变载荷,由于钢丝绳螺旋结构的特性,钢丝绳受到竖向载荷产生拉伸变形外,还会产生扭转变形。由于提升钢丝绳的两端均固结于提升容器上,其工作过程中产生的扭转应力无法得到释放。
2024-06-12我要评论
期刊名称:矿业研究与开发
期刊人气:5044
主管单位:长江矿山研究院有限责任公司
主办单位:中国有色金属学会,长沙矿山研究院
出版地方:湖南
专业分类:煤矿
国际刊号:1005-2763
国内刊号:43-1215/TD
邮发代号:42-176
创刊时间:1981年
发行周期:月刊
期刊开本:大16开
见刊时间:1年以上
影响因子:0.463
影响因子:0.673
影响因子:0.642
影响因子:1.307
影响因子:0.480
400-069-1609
您的论文已提交,我们会尽快联系您,请耐心等待!
你的密码已发送到您的邮箱,请查看!