一种利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法，包括：采集煤岩体样本失稳破坏过程中的全波形信号；对采集的全波形信号进行加窗处理，将其分割为长度相等的短时帧信号；对分割出的短时帧信号进行小波阈值去噪；计算去噪后的各短时帧信号的过零率，并将计算出的过零率按时序排列；确定过零率与煤岩应力状态的响应规律，得到煤岩失稳前兆特征判识准则；根据所述煤岩失稳前兆特征判识准则，识别待识别煤岩体的失稳状态。本发明专利技术可以为声发射监测技术在煤岩动力灾害预警、高陡边坡监测、结构健康监测中提供新的分析方法和指标，对提升声发射监测技术的应用效果起到积极作用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法


[0001]本专利技术涉及煤岩破裂震动波信号分析和煤岩失稳前兆特征分析
，特别涉及一种利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法。

技术介绍

[0002]煤岩动力灾害严重威胁着井下相关人员的生命和财产安全，而煤岩失稳作为动力灾害发生的前兆之一，提取有效的煤岩失稳特征可以识别并避免其发生以保障井下的安全生产。目前井下常用微震或声发射技术监测煤岩体裂隙产生过程中释放的震动波信号，其能直接反映煤岩失稳过程，已在多个矿井中取得良好的应用效果。然而，针对声发射、微震等系统采集的震动波信号，其分析手段和分析指标大都较为单一，仅简单使用事件数、振铃计数、振幅等时域指标，缺乏对原始震动波形的深入挖掘分析；除此之外，已有研究发现煤岩体在不同破坏阶段的震动波形存在显著差别，在弹性阶段通过门槛值就能区分单个微震/声发射事件，而在屈服破坏阶段由于微震/声发射事件产生速度增加，造成多个事件的波形叠加，已有的参数难以实现对煤岩稳定性的准确评价和动力灾害的准确预警，已影响到矿井安全生产。因此，有必要对微震/声发射等监测系统采集的信号进行深入挖掘分析，从原始震动波信号中提取出能准确表征煤岩体稳定性的参量，以达到提高煤岩动力灾害监测预警准确率的目的。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法，以解决现有技术所存在的分析手段和分析指标单一，在屈服破坏阶段难以实现对煤岩稳定性的准确评价和动力灾害的准确预警，已影响到矿井安全生产的技术问题。/>[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0005]一种利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法，包括：
[0006]采集煤岩体样本失稳破坏过程中的全波形信号；
[0007]对采集的全波形信号进行加窗处理，将其分割为长度相等的短时帧信号；
[0008]对分割出的短时帧信号进行小波阈值去噪；
[0009]计算去噪后的各短时帧信号的过零率，并将计算出的过零率按时序排列；
[0010]确定过零率与煤岩应力状态的响应规律，得到煤岩失稳前兆特征判识准则；
[0011]根据所述煤岩失稳前兆特征判识准则，识别待识别煤岩体的失稳状态。
[0012]进一步地，所述采集煤岩体样本失稳破坏过程中的全波形信号，包括：
[0013]利用微震或声发射传感器，采集煤岩体样本失稳破坏过程中所产生的连续震动波全波形信号或一系列独立的震动波信号。
[0014]进一步地，在对采集的全波形信号进行加窗处理，将其分割为长度相等的短时帧信号时，采用的分帧窗口的长度取值标准为：可使各独立帧信号通过平稳性检验的最大时间窗；其中，平稳性检验的方法包括图检法和单位根检验法。
[0015]进一步地，所述对分割出的短时帧信号进行小波阈值去噪，包括：
[0016]选用小波基函数对各帧信号进行小波分解，得到信号在不同层的小波系数；
[0017]对于各尺度的小波系数，比较其与阈值λ的大小，当第j层的第k个系数d
jk
小于阈值λ时，认为系数d
jk
主要是由噪声引起的，此时将d
jk
置为零；当d
jk
不小于阈值λ时，认为系数d
jk
主要是由信号引起的，此时保留d
jk
；
[0018]其中，阈值λ的计算方法为：
[0019][0020]式中，n为小波系数的总个数，σ为信号的标准差；
[0021]利用小波逆变换对处理后的小波系数进行重构，得到去噪后的帧信号。
[0022]进一步地，所述计算去噪后的各短时帧信号的过零率，并将计算出的过零率按时序排列，包括：
[0023]按照下式计算去噪后的各短时帧信号的过零率Z
n
：
[0024][0025]其中，x[n]是短时帧信号，N是短时帧信号长度，sgn|
·
|是符号函数，即：
[0026][0027]将计算出的各短时帧信号的过零率按照煤岩体样本失稳破坏过程中所产生信号的先后顺序进行排列。
[0028]进一步地，所述煤岩应力状态为煤岩体载荷与峰值载荷的比值；所述煤岩应力状态的取值范围为0～1，其值越接近于1，表示煤岩体失稳破坏程度越大。
[0029]进一步地，确定过零率与煤岩应力状态的响应规律，得到煤岩失稳前兆特征判识准则，包括：
[0030]将煤岩体状态划分为稳定、中等稳定、弱稳定和失稳破坏四个等级；
[0031]确定不同等级的煤岩体状态对应的煤岩应力状态；
[0032]确定煤岩体样本在不同应力状态下的过零率的取值范围，以得到过零率在煤岩体稳定、中等稳定、弱稳定和失稳破坏四个等级下对应的量化分级阈值。
[0033]进一步地，根据所述煤岩失稳前兆特征判识准则，识别待识别煤岩体的失稳状态，包括：
[0034]根据过零率与煤岩应力状态的响应规律，以煤岩体对应的过零率的大小作为煤岩失稳状态前兆信息特征，最终判定待识别煤岩体所处的稳定性等级。
[0035]本专利技术提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0036]本专利技术提供的利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法，将煤岩体失稳破坏过程中采集到的全波形信号作为原始数据，利用小波阈值去噪和过零率计算对采集的全波形信号进行挖掘得到煤岩失稳的前兆信息特征。该方法可对煤岩失稳破坏不同阶段的前兆信息进行定量化描述，有助于提升微震/声发射监测技术在煤岩动力灾害预警、高陡边坡监测、结构健康监测等方面的应用效果。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1是本专利技术实施例提供的利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法的执行流程示意图；
[0039]图2是本专利技术实施例提供的小波阈值去噪过零率计算流程示意图；
[0040]图3是本专利技术实施例提供的实验装置的结构示意图；
[0041]图4是本专利技术实施例提供的岩样破坏过程中应力及声发射信号的时序变化曲线示意图；其中，(a)为编号为ZX8
‑
1的试样的时序变化曲线示意图，(b)为编号为DX8
‑
1的试样的时序变化曲线示意图，(c)为编号为DC8
‑
1的试样的时序变化曲线示意图，(d)为编号为DC8
‑
2的试样的时序变化曲线示意图；
[0042]图5是本专利技术实施例提供的岩样过零率随应力状态的时序变化曲线。
具体实施方式
[0043]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。
[0044]本实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法，其特征在于，包括：采集煤岩体样本失稳破坏过程中的全波形信号；对采集的全波形信号进行加窗处理，将其分割为长度相等的短时帧信号；对分割出的短时帧信号进行小波阈值去噪；计算去噪后的各短时帧信号的过零率，并将计算出的过零率按时序排列；确定过零率与煤岩应力状态的响应规律，得到煤岩失稳前兆特征判识准则；根据所述煤岩失稳前兆特征判识准则，识别待识别煤岩体的失稳状态。2.如权利要求1所述的利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法，其特征在于，所述采集煤岩体样本失稳破坏过程中的全波形信号，包括：利用微震或声发射传感器，采集煤岩体样本失稳破坏过程中所产生的连续震动波全波形信号或一系列独立的震动波信号。3.如权利要求1所述的利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法，其特征在于，在对采集的全波形信号进行加窗处理，将其分割为长度相等的短时帧信号时，采用的分帧窗口的长度取值标准为：可使各独立帧信号通过平稳性检验的最大时间窗；其中，所述平稳性检验的方法包括图检法和单位根检验法。4.如权利要求1所述的利用短时过零率识别煤岩失稳前兆特征的方法，其特征在于，所述对分割出的短时帧信号进行小波阈值去噪，包括：选用小波基函数对各帧信号进行小波分解，得到信号在不同层的小波系数；对于各尺度的小波系数，比较其与阈值λ的大小，当第j层的第k个系数d
jk
小于阈值λ时，认为系数d
jk
主要是由噪声引起的，此时将d
jk
置为零；当d
jk
不小于阈值λ时，认为系数d
jk
主要是由信号引起的，此时保留d
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振雷，薛雅荣，宋大钊，何学秋，王洪磊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：