煤礦礦震傳感器檢驗方法試驗研究

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實驗室，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、實時、連續(xù)的監(jiān)測裝備，可對各類震動信號進行實時采集分析，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，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，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要求，要求每兩年對礦震傳感器進行一次校準(zhǔn)，以保證礦震傳感器的可靠性。闡述了礦震傳感器檢驗原理，提出了礦震傳感器檢驗指標(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試驗，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提供借鑒。

1 礦震傳感器檢驗原理

1.1 礦震監(jiān)測原理

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，永久磁鋼和外殼隨被測物體同時上下振動，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

1.2 礦震傳感器檢驗方法

礦震傳感器的檢驗可分為絕對法檢驗和比較法檢驗[16]。絕對檢驗測量的是運動量的基本單位，如時間、長度等，絕對法檢驗一般需要激光干涉儀，成本較高。比較法檢驗通過一支標(biāo)準(zhǔn)傳感器(參考傳感器)來測量振動系統(tǒng)的運動。標(biāo)準(zhǔn)傳感器一般要用激光干涉法進行絕對校準(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。

比較法檢驗的系統(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，輸入振動激勵系統(tǒng)使其產(chǎn)生振動；標(biāo)準(zhǔn)加速度計檢測振動激勵系統(tǒng)的振動狀態(tài)，然后反饋給信號發(fā)生器，利用負(fù)反饋機制調(diào)節(jié)振動信號；標(biāo)準(zhǔn)加速度計將電信號經(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)加速度計的振動速度及振動頻率；被檢礦震傳感器安裝在振動激勵系統(tǒng)上，采集振動激勵系統(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—振動激勵系統(tǒng)；4—標(biāo)準(zhǔn)加速度計；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 比較法檢驗系統(tǒng)

2 礦震傳感器檢驗設(shè)備及方法

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，同時保障測試環(huán)境及附近無振動和沖擊源，無強電場、強磁場、強聲場的干擾，為傳感器檢驗盡可能提供無干擾的試驗環(huán)境[18]。

2.1 振動激勵系統(tǒng)

試驗采用德國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 振動激勵系統(tǒng)組成

圖4 CS18VLF低頻振動系統(tǒng)

檢驗試驗主要流程包括：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采集并記錄被檢驗礦震傳感器產(chǎn)生的輸出值；③根據(jù)指標(biāo)計算公式處理采集的數(shù)據(jù)。礦震傳感器檢驗流程如圖5所示。

圖5 礦震傳感器檢驗流程

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，可用于檢驗和評估加速度計和其他運動傳感器。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 檢驗指標(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個頻率點進行檢驗。由振動激勵系統(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)選一個頻率點，在此頻率下，由振動激勵系統(tǒng)給出6個均勻分布的標(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被檢礦震傳感器幅值測量示值xii與振動激勵系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)幅值xri，計算二者的相關(guān)系數(shù)，即為幅值線性度Rv。按式(3)計算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為振動激勵系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)幅值，m/s；n為檢驗試驗組數(shù)，取6。

3 礦震傳感器檢驗試驗

從大強煤礦和東峽煤礦收集5個井下長期使用的DLM型礦震傳感器與5個全新未使用的DLM型礦震傳感器開展檢驗試驗。礦震傳感器列表見表3。

3.1 試驗方案

頻率誤差檢驗方案：①設(shè)置振動激勵系統(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運用式(1)計算被檢礦震傳感器的頻率誤差。頻率檢驗振動激勵系統(tǒng)的幅頻曲線如圖6所示。

表3 礦震傳感器列表

圖6 頻率檢驗幅頻曲線

幅值誤差及幅值線性度檢驗方案：①設(shè)置振動激勵系統(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運用式(2)計算被檢礦震傳感器的幅值誤差；⑤運用式(3)計算被檢礦震傳感器的幅值線性度。幅值檢驗振動激勵系統(tǒng)的幅頻曲線如圖7所示。

圖7 幅值檢驗幅頻曲線

3.1 試驗結(jié)果分析

X1傳感器頻率檢驗結(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，其頻率誤差在2.3～2.5%范圍內(nèi)波動，輸入頻率為2Hz時頻率誤差為2.5%；輸入頻率為50、100、150Hz時，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，其頻率誤差最大，為4.5%；在100、150Hz時頻率誤差較小，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??；整體而言，在不同頻率的試驗中，J1傳感器的頻率誤差均要高于X1傳感器。

圖8 X1頻率檢驗結(jié)果

圖9 J1頻率檢驗結(jié)果

X1傳感器幅值檢驗結(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，幅值誤差最大，為6.01%；在輸入振動速度為0.6mm/s的振動時，幅值誤差最小，為1.17%；在輸入不同的振動速度時，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幅值檢驗結(jié)果

J1傳感器幅值檢驗結(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，幅值誤差最大，為11.1%；在輸入振動速度為0.6mm/s的振動時，幅值誤差最小，為2.5%；在輸入不同的振動速度時，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幅值檢驗結(jié)果

根據(jù)式(3)計算X1與J1傳感器的幅值線性度Ra，求得：

Ra(X2)=0.998

統(tǒng)計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試驗可知，礦震傳感器在長時間使用后會導(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)同時滿足要求時判定礦震傳感器正常有效，否則礦震傳感器需及時維修或更換。需要注意的是，本次試驗僅使用了DLM型礦震傳感器。

4 結(jié) 論

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型礦震傳感器檢驗試驗，對比了新舊傳感器的頻率誤差、幅值誤差及幅值線性度，驗證了檢驗方法可行性。

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。