竇林名,韓澤鵬,鞏思園,白金正,陳 帥
(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
隨著我國煤礦采深逐年增加,沖擊地壓及煤與瓦斯等動力災(zāi)害愈發(fā)頻繁[1]。微震監(jiān)測系統(tǒng)是一種區(qū)域、實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)測裝備,可對各類震動信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集分析,已廣泛應(yīng)用在沖擊礦壓監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域。除此之外,微震監(jiān)測系統(tǒng)也成功應(yīng)用于覆巖運(yùn)移分析[2]、裂隙帶發(fā)育高度評估[3]及礦井防治水[4]方面,已成為礦井安全生產(chǎn)保障的重要基礎(chǔ)裝備。礦震傳感器是微震監(jiān)測系統(tǒng)的核心元件,用于震動信號的拾取,其頻率監(jiān)測范圍一般為0.1~200Hz[5,6],礦震傳感器的優(yōu)劣直接決定了微震監(jiān)測系統(tǒng)震源定位及能量計(jì)算的精度。國內(nèi)的144座沖擊地壓礦井均裝備了微震監(jiān)測系統(tǒng),每套微震監(jiān)測系統(tǒng)需配備數(shù)十個(gè)礦震傳感器,井下長期使用后的礦震傳感器是否能保持準(zhǔn)確計(jì)量對微震監(jiān)測系統(tǒng)的正常使用十分關(guān)鍵。
關(guān)于微震監(jiān)測系統(tǒng),國內(nèi)在20世紀(jì)50年代就開展了相關(guān)研究[7],最早可追溯到1959年中科院地球物理研究所研制的581微震儀,其傳感器由地震領(lǐng)域的傳感器改裝而來,對礦山震動監(jiān)測有一定局限性。1995年華豐煤礦與中國地球物理學(xué)會合作設(shè)計(jì)了一套微震監(jiān)測系統(tǒng),并連續(xù)監(jiān)測10余年。2002年后,隨著國內(nèi)煤炭市場行情的好轉(zhuǎn),在謝和平、姜耀東、何滿潮、竇林名[8],姜福興[9,10]、齊慶新、唐春安、潘一山[11]、李鐵[12]等學(xué)者堅(jiān)持不懈的科研和推廣下,我國在各礦山企業(yè)相繼建立了20余套微震監(jiān)測系統(tǒng)。2004年后,國內(nèi)煤炭企業(yè)開始從波蘭引進(jìn)SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)和ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng),推動了我國沖擊地壓礦井監(jiān)測技術(shù)和裝備水平的提升[13]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國內(nèi)煤炭領(lǐng)域已裝備SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)約100套,ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)約60套,其他型號微震監(jiān)測系統(tǒng)40余套。
早期國內(nèi)專注于整套微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的制造,針對底層礦震傳感器的研究較少,大多是直接引用地震領(lǐng)域現(xiàn)有的加速度計(jì)或速度傳感器,這直接影響了國產(chǎn)微震監(jiān)測系統(tǒng)的分辨力、靈敏度及可靠性[14]。根據(jù)煤礦領(lǐng)域各型微震監(jiān)測系統(tǒng)的保有量估計(jì),目前煤礦使用最多的礦震傳感器是SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)的DLM型礦震傳感器,其次是ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)的G系列礦震傳感器,剩下較小部分為國產(chǎn)傳感器。DLM型礦震傳感器及G系列均為垂直型單分量速度傳感器,DLM2001型要求安裝在巷道底板,G系列按照安裝方式有GVu、GVd、GH三種,分別安裝在巷道頂板、底板及幫部?,F(xiàn)階段煤礦主要采用的是垂直型單分量速度傳感器,三分量傳感器應(yīng)用較少,所稱的礦震傳感器特指垂直型單分量速度傳感器。
鑒于礦震傳感器的基礎(chǔ)地位及其在微震監(jiān)測系統(tǒng)中的重要性,國家標(biāo)準(zhǔn)《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法,第4部分:微震監(jiān)測方法》[15]提出了對礦震傳感器的檢驗(yàn)要求,要求每兩年對礦震傳感器進(jìn)行一次校準(zhǔn),以保證礦震傳感器的可靠性。闡述了礦震傳感器檢驗(yàn)原理,提出了礦震傳感器檢驗(yàn)指標(biāo),應(yīng)用CS18VLF低頻振動系統(tǒng)開展了DLM型礦震傳感器的檢驗(yàn)試驗(yàn),初步得到了判定DLM型礦震傳感器有效的臨界指標(biāo),可為沖擊地壓礦井及相關(guān)科研單位開展礦震傳感器檢驗(yàn)提供借鑒。
礦震傳感器由永久磁鋼產(chǎn)生恒定的直流磁場,軟彈簧一端與測量線圈連接,另一端與外殼連接,礦震傳感器的傳感裝置如圖1所示。礦震傳感器固定在巷道壁上,當(dāng)振動傳至傳感器位置時(shí),永久磁鋼和外殼隨被測物體同時(shí)上下振動,由于測量線圈有軟彈簧支撐,在慣性力的作用下保持相對靜止,這樣測量線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在傳感器量程內(nèi),電動勢與巷道壁的振動速度成正比,電信號傳輸至采集儀,通過換能公式可以計(jì)算出振動參數(shù)。
圖1 礦震傳感器的傳感裝置
微震監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖2所示,首先通過速度傳感器感應(yīng)測量對象的振動信號,經(jīng)過轉(zhuǎn)換放大、微分、積分等處理,得到振動的加速度、速度、位移和頻率等量值。微震監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器、放大器、帶通濾波、微積分電路和數(shù)據(jù)顯示分析或記錄裝置組成。
圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)原理
礦震傳感器的檢驗(yàn)可分為絕對法檢驗(yàn)和比較法檢驗(yàn)[16]。絕對檢驗(yàn)測量的是運(yùn)動量的基本單位,如時(shí)間、長度等,絕對法檢驗(yàn)一般需要激光干涉儀,成本較高。比較法檢驗(yàn)通過一支標(biāo)準(zhǔn)傳感器(參考傳感器)來測量振動系統(tǒng)的運(yùn)動。標(biāo)準(zhǔn)傳感器一般要用激光干涉法進(jìn)行絕對校準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)傳感器是可溯源的并具有相應(yīng)的不確定度證明文件,通常情況下是加速度計(jì)。
比較法檢驗(yàn)的系統(tǒng)連接如圖3所示。信號發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率和振動速度的電信號,經(jīng)過功率放大器放大后,輸入振動激勵(lì)系統(tǒng)使其產(chǎn)生振動;標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)檢測振動激勵(lì)系統(tǒng)的振動狀態(tài),然后反饋給信號發(fā)生器,利用負(fù)反饋機(jī)制調(diào)節(jié)振動信號;標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)將電信號經(jīng)電荷放大器放大后傳輸?shù)綌?shù)字萬用表,經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理可顯示標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的振動速度及振動頻率;被檢礦震傳感器安裝在振動激勵(lì)系統(tǒng)上,采集振動激勵(lì)系統(tǒng)的振動參數(shù),測振儀與被檢礦震傳感器連接后顯示其測得的振動頻率、速度等參數(shù);最后對比信號發(fā)生器與被檢礦震傳感器的振動頻率及振動速度,檢驗(yàn)被檢礦震傳感器是否正常。
1—信號發(fā)生器;2—功率放大器;3—振動激勵(lì)系統(tǒng);4—標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì);5—電荷放大器;6—被檢礦震傳感器;7、8—數(shù)字萬用表;9—測振儀圖3 比較法檢驗(yàn)系統(tǒng)
傳感器屬于精密儀器,對測試環(huán)境要求較高,按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土振動臺技術(shù)要求》[17]制作混凝土振動臺基座,同時(shí)保障測試環(huán)境及附近無振動和沖擊源,無強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場、強(qiáng)聲場的干擾,為傳感器檢驗(yàn)盡可能提供無干擾的試驗(yàn)環(huán)境[18]。
試驗(yàn)采用德國SPEKTRA公司的CS18VLF低頻振動系統(tǒng)用于礦震傳感器校準(zhǔn)。CS18VLF低頻振動系統(tǒng)的組成見表1,系統(tǒng)裝備如圖4所示。
表1 振動激勵(lì)系統(tǒng)組成
圖4 CS18VLF低頻振動系統(tǒng)
檢驗(yàn)試驗(yàn)主要流程包括:①在CS18軟件中設(shè)置頻率和振動值,控制信號發(fā)生器及功率放大器使振動臺SE-04產(chǎn)生特定頻率和速度的振動;②采集并記錄被檢驗(yàn)礦震傳感器產(chǎn)生的輸出值;③根據(jù)指標(biāo)計(jì)算公式處理采集的數(shù)據(jù)。礦震傳感器檢驗(yàn)流程如圖5所示。
圖5 礦震傳感器檢驗(yàn)流程
APS113-AB是德國SPEKTRA公司生產(chǎn)的力浮長行程振動發(fā)生器,滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《振動和沖擊傳感器的校準(zhǔn)方法》[19]要求,可用于檢驗(yàn)和評估加速度計(jì)和其他運(yùn)動傳感器。APS113-AB具有質(zhì)量較輕的鋁外殼,磨砂鋼制臺面,具體性能參數(shù)見表2。
表2 APS113-AB性能指標(biāo)
2.2.1 頻率誤差
在礦震傳感器的頻率測量范圍內(nèi),選取包含上限值和下限值頻率在內(nèi)的不少于7個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。由振動激勵(lì)系統(tǒng)給出標(biāo)準(zhǔn)頻率fr,記錄不同測試頻率下被檢礦震傳感器的頻率示值fi,按式(1)計(jì)算頻率誤差:
式中,δf為頻率誤差,%;fi為被檢礦震傳感器頻率測量示值,Hz;fr為振動激勵(lì)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率,Hz。
2.2.2 幅值誤差
在礦震傳感器的工作頻率范圍內(nèi)選一個(gè)頻率點(diǎn),在此頻率下,由振動激勵(lì)系統(tǒng)給出6個(gè)均勻分布的標(biāo)準(zhǔn)幅值xr,記錄被檢礦震傳感器在不同幅值下的測量示值xi。按式(2)計(jì)算幅值誤差:
式中,δa為幅值誤差,%;xi為被檢礦震傳感器幅值測量示值,mm/s;xr為振動激勵(lì)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)幅值,mm/s。
2.2.3 幅值線性度
幅值線性度的數(shù)據(jù)采集方式與幅值誤差相同。記錄每組振動測試時(shí)被檢礦震傳感器幅值測量示值xii與振動激勵(lì)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)幅值xri,計(jì)算二者的相關(guān)系數(shù),即為幅值線性度Rv。按式(3)計(jì)算Rv:
式中,Ra為幅值線性度;xii為被檢礦震傳感器幅值測量示值,m/s;xri為振動激勵(lì)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)幅值,m/s;n為檢驗(yàn)試驗(yàn)組數(shù),取6。
從大強(qiáng)煤礦和東峽煤礦收集5個(gè)井下長期使用的DLM型礦震傳感器與5個(gè)全新未使用的DLM型礦震傳感器開展檢驗(yàn)試驗(yàn)。礦震傳感器列表見表3。
頻率誤差檢驗(yàn)方案:①設(shè)置振動激勵(lì)系統(tǒng)生成頻率分別為2、5、10、50、100、150Hz,振動速度為0.6mm/s的正弦振動;②振動穩(wěn)定后,記錄被檢礦震傳感器采集到的振動圖;③處理振動圖得到被檢礦震傳感器的頻率;④運(yùn)用式(1)計(jì)算被檢礦震傳感器的頻率誤差。頻率檢驗(yàn)振動激勵(lì)系統(tǒng)的幅頻曲線如圖6所示。
表3 礦震傳感器列表
圖6 頻率檢驗(yàn)幅頻曲線
幅值誤差及幅值線性度檢驗(yàn)方案:①設(shè)置振動激勵(lì)系統(tǒng)生成頻率為50Hz,振動幅值分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mm/s的正弦振動;②振動穩(wěn)定后,記錄被檢礦震傳感器采集到的振動圖;③處理數(shù)據(jù)得到被檢礦震傳感器的幅值;④運(yùn)用式(2)計(jì)算被檢礦震傳感器的幅值誤差;⑤運(yùn)用式(3)計(jì)算被檢礦震傳感器的幅值線性度。幅值檢驗(yàn)振動激勵(lì)系統(tǒng)的幅頻曲線如圖7所示。
圖7 幅值檢驗(yàn)幅頻曲線
X1傳感器頻率檢驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,由圖8可知,X1傳感器在輸入頻率為2、5、10、20Hz的振動時(shí),其頻率誤差在2.3~2.5%范圍內(nèi)波動,輸入頻率為2Hz時(shí)頻率誤差為2.5%;輸入頻率為50、100、150Hz時(shí),頻率誤差在0.2%~0.4%范圍內(nèi)波動,誤差較小。
J1傳感器頻率檢驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,由圖9可知,J1傳感器在輸入頻率為2Hz的振動時(shí),其頻率誤差最大,為4.5%;在100、150Hz時(shí)頻率誤差較小,分別為0.47%、0.55%。X1傳感器與J1傳感器頻率誤差對比可知,在100、150Hz的測試中,X1與J1傳感器的誤差相對較?。徽w而言,在不同頻率的試驗(yàn)中,J1傳感器的頻率誤差均要高于X1傳感器。
圖8 X1頻率檢驗(yàn)結(jié)果
圖9 J1頻率檢驗(yàn)結(jié)果
X1傳感器幅值檢驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,由圖10可知,在輸入振動速度為0.1mm/s的振動時(shí),幅值誤差最大,為6.01%;在輸入振動速度為0.6mm/s的振動時(shí),幅值誤差最小,為1.17%;在輸入不同的振動速度時(shí),X1傳感器幅值誤差在1%~7%范圍內(nèi)波動,波動幅度較大。
圖10 X1幅值檢驗(yàn)結(jié)果
J1傳感器幅值檢驗(yàn)結(jié)果如圖11所示,由圖11可知,在輸入振動速度為0.1mm/s的振動時(shí),幅值誤差最大,為11.1%;在輸入振動速度為0.6mm/s的振動時(shí),幅值誤差最小,為2.5%;在輸入不同的振動速度時(shí),J1傳感器幅值誤差在2%~13%的范圍內(nèi)波動。X1傳感器與J1傳感器的幅值誤差對比可知,在不同幅值的試驗(yàn)中,J1傳感器的幅值誤差均有一定程度增加。
圖11 J1幅值檢驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)式(3)計(jì)算X1與J1傳感器的幅值線性度Ra,求得:
Ra(X2)=0.998
統(tǒng)計(jì)X1~X5、J1~J5礦震傳感器的最大頻率誤差、最大幅值誤差及幅值線性度,見表4。由表4可知,與舊傳感器相比,新傳感器頻率誤差十分穩(wěn)定,在2Hz時(shí)為2.5%,不同新傳感器的最大幅值誤差不同,且對應(yīng)的幅值不同,可能與測試環(huán)境及傳感器自身出廠性能等因素有關(guān);舊傳感器的最大頻率誤差高于新傳感器,在2Hz時(shí)頻率誤差最大;舊傳感器的幅值誤差普遍高于新傳感器,其中J2傳感器的幅值誤差達(dá)-23.2%,可能是長時(shí)間使用后電路或彈簧振子嚴(yán)重老化導(dǎo)致。
表4 被檢傳感器最大頻率誤差及幅值誤差、幅值線性度
由表4數(shù)據(jù)可得,無論新舊礦震傳感器,均在頻率為2Hz時(shí)誤差最大,新礦震傳感器的δf(max)平均值為2.5%,舊的δf(max)為3.1%;新礦震傳感器的δa(max)平均值為5.35%,舊的δa(max)的平均值為14.3%;新礦震傳感器Ra的平均值為0.991,舊礦震傳感器Ra的平均值為0.961。從新舊礦震傳感器檢驗(yàn)試驗(yàn)可知,礦震傳感器在長時(shí)間使用后會導(dǎo)致頻率和幅值的測量結(jié)果偏離正常的誤差范圍,長期使用后的礦震傳感器其幅值線性度也會下降。
根據(jù)此次試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合礦震傳感器的使用精度要求,初步確定將頻率誤差低于3.5%,幅值誤差低于10%,幅值線性度高于0.97作為判斷礦震傳感器是否正常的臨界值,三指標(biāo)同時(shí)滿足要求時(shí)判定礦震傳感器正常有效,否則礦震傳感器需及時(shí)維修或更換。需要注意的是,本次試驗(yàn)僅使用了DLM型礦震傳感器。
1)介紹了目前我國煤礦領(lǐng)域各型微震監(jiān)測系統(tǒng)的保有量,闡述了礦震監(jiān)測及比較法檢驗(yàn)礦震傳感器的原理,提出了頻率誤差、幅值誤差及幅值線性度檢驗(yàn)指標(biāo)。
2)使用CS18VLF低頻振動系統(tǒng),采用比較法開展了新舊DLM型礦震傳感器檢驗(yàn)試驗(yàn),對比了新舊傳感器的頻率誤差、幅值誤差及幅值線性度,驗(yàn)證了檢驗(yàn)方法可行性。
3)初步確定了判定DLM型礦震傳感器有效的臨界值:頻率誤差低于3.5%,幅值誤差低于10%,幅值線性度高于0.97。