煤炭作为我国的主体能源在国民经济发展中具有举足轻重的地位.然而我国复杂的煤层地质条件导致与煤岩破裂有关的煤与瓦斯突出、冲击地压、冒顶等煤岩动力灾害严重，制约着我国煤矿的安全生产.煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害机理复杂，对其可靠预测预报是世界性难题.

次声波是频率在0.01~20 Hz的声波(Matoza et al.，2010)，它的来源多.次声波因频率低而衰减小，不易被水和空气吸收，能在空气中传播很远的距离，因此，国内外研究人员将其作为地震、火山喷发、泥石流等灾害预警的重要指标.岩石破裂过程中的声发射实验证实(唐林波等，2003)：随着微破裂的集结和裂纹的扩展，所辐射波的频谱会逐渐向低频移动，而且当频率很低时，可以透射出岩石，被话筒接收到；强地震前破裂集结可能会辐射出超低频波，这种超低频波不能被常规的地震仪记录到，但可以被超低频传感器或次声波接收器记录到.成都理工大学朱星、许强等通过实验证明，岩石破裂产生明显的次声波信号(朱星等，2013；Zhu et al.，2013)，并成功采集到“4.20”芦山地震的次声波特征信息(2013).

目前，次声波已在地震、泥石流、火山、滑坡等灾害预测中得到了广泛的应用.然而，次声波在矿井煤岩灾害监测领域尚未得到尝试，本质上煤岩次声波与声发射为同源辐射，只是检测频率更低(20 Hz以下).根据地震次声波监测结果，如果在煤岩动力灾害前存在一定的异常低频前兆信息，就可以通过煤岩次声波进行灾害监测.因此，研究次声波监测煤岩动力灾害的可行性具有重要的理论和现实意义.

在岩石破裂次声波试验研究方面，国内学者们开展了尝试性试验测试.从1952年到21世纪初，以北京工业大学地震研究室研究者、以及唐林波、李世愚为代表的专家学者等分别验证了岩石破裂过程中有次声波、低频波的产生(李均之等，1982；李世愚等，2002；唐林波等，2003).近几年，朱星、许强、Chai等(2011)对花岗岩、灰岩、红砂岩、砂岩、千枚岩及泥岩6种典型的岩石试样的全部或一种进行了单轴全过程加载试验，既证明了岩石破裂过程中有次声波产生，又研究了岩石破裂次声波信号的主频主要分布在2~6 Hz之间，也表明了硬岩破裂比软岩破裂产生的次声波数量多(Zhu et al.，2011，2013).国外前苏联研究者也通过实验证明了岩石破裂过程中有次声波信号产生，曾用5万吨压力机对尺寸为0.55×0.55×0.65(m³)的混凝土进行单轴压缩实验，在压缩过程中，接收到次声波；后经过多年的反复观测实践，发现了适合临震预测的次声波频段(郑菲，2006).

在地震次声波监测方面，岩石破裂产生的异常次声信号是地震次声波监测的基础.大型岩石破坏性实验证实震源区岩石在应力作用下逐步破坏，产生裂纹，并在岩石破坏过程产生次声波，也就是在破裂成核阶段-微破裂、主破裂时释放次声波.随着应力水平的继续增加，当断裂合并达到其临界长度后，则快速扩展，形成大断裂，强震伴随着更低频的次声波的产生而发生(Ohnaka，1992;王微，2005).

国内外专家学者们在天然地质灾害领域开展了大量的次声波监测研究工作，研究成果已经广泛应用到地震、泥石流、边坡稳定、火山等地质灾害的监测.

美国、日本等西方国家已经把次声波监测技术应用于地震监测(Johnson et al.，2003；Nishida et al.，2005； Mutschlecner and Whitaker，2005； Maruyama and Shinagawa，2014).1964年，Bolt成功收集到美国阿拉斯加大地震的地震次声波信号，并在Nature上进行了相关报道(Bolt et al.，1964).1971年，Cook对1959年8月18日Montana的6.5级地震的地震次声波进行了报道，并阐述了地震次声波的分类：震中次声波、衍射次声波和本地次声波(Cook et al.，1971；Le Pichon et al.，2002).此后很多文献也报道了地震次声波的研究工作，并获得了很多新的进展(Kim et al.，2004； Stump et al.，2009；Burlacu et al.，2011；Arrowsmith et al.，2012).

我国学者李钧之等观测研究日本在1993年7月-1995年1月的5次7级以上的地震前兆信息，发现震前有异常次声波信号产生，并且结合当时虎皮鹦鹉跳动频度异常，地应力异常前兆及引潮力共振迭加(李均之，1995；李志雄和高荣胜，1997；秦飞等，2006； Liu et al.，2011)；曾成功预报了1997年4月6-16日新疆伽师地震；并得出结论：世界范围内7级以上地震在一般情况下震前能收到次声波异常信号，次声波异常信号结束后9天内发震，震级大小由次声波异常幅度大小确定，用它预测发震时间误差在4天以内，预测震级误差小于0.8级.夏雅琴等(2011，2005)研究了2002-2008年世界上发生的92个M≥7.0级地震震前次声波异常信号，得出震前有异常次声波信号产生，并且异常信号与地震的发生有较好的对应关系.(李均之等，1995；2011；2005；Xia et al.，2011).章菲等结合地震观测结果发现了地震波与主次声波之间有很好的震荡一致性，其研究表明大地震发生前15天内会出现次声波异常信号(2013).中国科学院吕君、杨亦春和章书成，成都理工大学许强等都通过次声波仪器设备发现了震前次声波异常信号的存在(章书成和余南阳，2009；吕君等，2012；许强等，2013； 杨亦春等，2014)，这种震前异常次声波信号对研究地震的预报预警意义重大.次声波在地震监测领域的研究成果表明，在大型地震前可以监测异常次声波，次声波已经为由岩石破裂引起的地震灾害的探测和早期预警提供一种新的手段和方法.

在矿井煤岩动力灾害方面，矿井煤岩动力灾害是由于地下采掘活动导致原岩应力发生改变，当应力超过煤岩的强度极限时，聚积在煤岩体中的能量突然释放，动力平衡条件被破坏，从而在短时间内发生的一种具有煤岩体变形破裂的动力效应和灾害后果现象，其孕育、形成、发生始终与煤岩体应力状态及能量的积聚和释放密切相关.而地震的发生普遍认为是一个应力-应变积累及介质特性的变化过程，当积累的应力(应变)超过了岩石破裂强度，发生破裂，即发生地震(汪江田等，2000；秦四清和泮晓华，2011；柳畅等，2014).因此，煤岩动力灾害发生过程与地震发生机理是类似的，矿井煤岩动力灾害和地震均是由岩石破裂引起，这使得我们可以尝试监测地震手段研究煤岩动力灾害.大型岩石破裂过程与地震发生过程是相似的，地震前的次声波异常与岩石破裂、震源岩石受力过程密切相关(李建国等，1984；李正光等，2005；许昭永等，2009； Mckenna et al.，2012).而矿井煤岩动力灾害与煤岩破裂有关，若能检测到煤岩变形破裂过程中有异常次声波信号，并且与应力有较好对应关系，就可以尝试利用地震次声波监测方法监测矿井煤岩动力灾害.从而为利用次声波监测和早期预警矿井煤岩动力灾害提供一种新的手段和方法.

如图 1所示，单轴加载条件下煤岩次声波试验装置主要包括单轴加载系统和次声探测与分析系统两部分.次声波具有穿透力强、衰减小，传播很远距离等特点，因此，试验条件下的次声传感器与加载煤岩试样之间不需要接触耦合.

图 1

Fig. 1

图 1 试验系统结构示意图 1—煤岩压缩系统; 2—试验机压头; 3—试样; 4—压力控制柜; 5—压力控制计算机; 6—次声波监测系统; 7—次声波传感器; 8—次声波监测传输仪; 9—次声波采集分析系统. Fig. 1 The structural diagram of experimental system

受载煤岩次声波信号实验系统主要由煤岩压缩系统、次声波监测与分析系统等组成.

(1)煤岩压缩系统

单轴试验加载设备是RLW-500G型煤岩三轴蠕变-渗流实验机，最大轴向荷载为500 kN，它可以实现恒应力、恒位移、恒变形试验，并且可以测量轴向应力.

(2)次声波监测与分析系统

该系统主要由次声传感器、数字化网络传输监测仪、实时观测系统和文件记录模块、数据分析模块及显示模块.次声波传感器采用CASI-ISM-2013型宽频带次声测量传感器，其可测量频率范围1000 s~100 Hz，动态范围128 dB(0.0001 Pa~250 Pa)，3 dB带宽是310 s~40 Hz，一致性误差1 dB，温度漂移0.01 mv/℃，对振动不敏感，抗电磁干扰，可实现对次声波实时采集测量.

次声测量网络传输仪采用中国科学院声学研究所研制的CASI-MDT-2011型数字化网络传输仪，该传输仪可实时采集信号和存储数据(容量8 GB)，网络传输仪采用16位量化，采样率可在0.1 Hz~250 kHz范围内任意设置，量化误差为±0.003%.

实时观测系统可对采集过程中的煤岩次声波信号波形进行实时显示，采样结束后可对煤岩试样受载过程产生的次声波数据以独立文件的形式保存，供后续对数字次声波信号的处理和分析研究.

试验所用典型煤样分别采自耿村煤矿和苇町煤矿，这两种试样分别具有不同的成因环境及物理力学性质；所用岩样是砂岩，按照试验要求将煤岩样取芯后分别制成Ф 50×100 mm的圆柱体试件，并将试样的两端磨平.

在封闭的实验室，搭建受载煤体次声波实验平台.首先，将试验样品放入试验压轴位置.然后根据试验方案设置采样频率为100 Hz，设置增益均为4，加载位移10 mm/min和15 mm/min(煤样10 mm/min，岩样15 mm/min).最后，以位移控制模式施加轴向载荷直至煤岩试样破坏，记录保存数据.

在次声波信号的处理过程中，外界大气中超低频次声波与噪声对信号分析处理结果有着重要的影响.因此，为了滤除超低频次声与噪声部分，根据需要设计FIR滤波器对原始数字信号进行了滤波处理，从而提高了数据分析结果的性能.同时根据编制的MATLAB程序对次声信号进行时域分析，结合加载应力，分析次声信号与应力的对应关系.

本文分别对耿村煤矿和苇町煤矿的原煤以及岩样进行了加载试验，并对其信号分别处理与分析.试验煤样共6组，岩样3组，仅对3组具有代表性的煤岩样进行分析，其单轴抗压强度为7.3~82.3 MPa.这3组煤岩样品的实验结果具有一定的代表性，试样M₁、M₂、Y₁(M₁、M₂分别为耿村矿和苇町矿煤样，Y₁为砂岩样)的单轴抗压强度分别为7.3 MPa、14.3 MPa、82.3MPa.所分析煤岩试样的试验力学和几何数据见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 煤岩样的几何力学参数 Table 1 Geometric and mechanical parameters of coal and rock samples 煤岩样编号 煤岩样尺寸/mm 单轴抗压强度/MPa M1 Φ49.8×99.0 7.3 MPa M2 Φ50.2×99.5 14.3 MPa Y1 Φ49.0×99.6 82.3 MPa

表 1 煤岩样的几何力学参数 Table 1 Geometric and mechanical parameters of coal and rock samples

滤波后的实验室环境本底次声波信号如图 2所示，由图可知，实验室环境本底次声信号分布均匀，随着时间变化平缓，没有明显的异常次声波信号产生，幅值一般在40 mV以下.

图 2

Fig. 2

图 2 滤波后实验室本底信号全波形 Fig. 2 After filtering the signal waveform of laboratory

图 3a和图 4a分别表示滤波后的耿村煤矿和苇町煤矿2块煤样的时域波形图，横坐标为时间，纵坐标为信号的幅度值.图 3b和图 4b分别表示单轴压缩耿村煤矿和苇町煤矿煤样的时间-应力曲线.从图 3a和图 4a中可以清晰看到，煤样在加载过程中多次产生大幅度次声脉冲信号.

图 3

Fig. 3

图 3 (a)滤波后煤样M1信号全波形; (b)单轴加载煤样M1的应力曲线 Fig. 3 (a)After filtering the signal waveform of M1 coal sample; (b) The stress curve of M1 coal sample under uniaxial loading

图 4

Fig. 4

图 4 (a)滤波后煤样M2信号全波形; (b)单轴加载煤样M2的应力曲线 Fig. 4 (a)After filtering the signal waveform of M2 coal sample; (b)The stress curve of M2 coal sample under uniaxial loading

耿村煤矿煤质较软，抗压强度较小，从图 3b中可以看出，单轴压缩加载至7 MPa左右发生轴向劈裂破坏，主裂纹与垂直方向夹角约10°左右.在整个加载过程中次声波脉冲表现为上升趋势，随着加载应力的升高而变大，与载荷曲线有较好的正相关性.忽略时间误差，当该煤样载荷达到最大，试样失稳破坏即将发生或发生时刻，次声波信号出现较高幅度值.试样破坏后，试样M₁次声波信号迅速减少.

苇町煤矿煤质较硬，抗压强度较大，从图 4b中可以看出，单轴压缩加载至14 MPa以上发生轴向劈裂破坏，主裂纹与垂直方向夹角约12°左右.在整个加载过程中次声波脉冲表现为上升趋势，随着加载应力的升高而变大，与载荷曲线有较好的正相关性.忽略时间误差，试样M₂在180 s最大载荷前后有2个连续脉冲信号发生，在200 s失稳破坏即将发生或发生时刻出现最大幅度的次声脉冲信号；试样破坏后，次声波信号迅速减少.

图 5a和图 5b分别表示滤波后的岩样Y₁的时域波形图和单轴压缩时间-应力曲线.从图 5a可以看出，岩样在加载过程中产生连续次声脉冲信号.由于岩样岩质较硬，抗压强度较大，从图 5b中可以看出，单轴压缩加载至80 MPa左右发生轴向劈裂破坏，主裂纹与垂直方向夹角约10°左右.在整个加载过程中次声波脉冲表现为上升趋势，随着加载应力的升高而变大，与载荷曲线有较好的正相关性.忽略时间误差，试样Y₁在240 s最大载荷前有多个连续脉冲信号产生，在大约240 s失稳破坏即将发生或发生时出现最大幅度的次声脉冲信号；试样破坏后，次声波信号迅速减少.

图 5

Fig. 5

图 5 (a)滤波后岩样Y1信号全波形; (b)单轴加载岩样Y1的应力曲线 Fig. 5 (a)After filtering the signal waveform of Y1 rock sample; (b)The stress curve of Y1 rock sample under uniaxial loading

研究表明，受载岩石在变形破裂过程中存在异常次声波信号，尤其是在岩石临近发生破坏前的这一阶段能产生显著的异常次声波信号，如图 6所示(朱星，2014)，该图是花岗岩试样单轴加载全过程的时域次声波形数据，该岩样从加载到破坏历时80 s左右，产生较多突出次声波信号.该成果为大型工程岩体失稳、地震的预测预报提供了新的监测和预警技术手段.

图 6

Fig. 6

图 6 单轴加载花岗岩样全波形(朱星，2014) Fig. 6 The signal waveform of A granite sample under uniaxial loading

次声波监测数据表明(杨亦春等，2014)，2008 年5 月12 日汶川8级地震、2010年4月14日玉树7.1级地震(如图 7)、2011年3月11日日本9级地震、2013年4月20日芦山7级地震、2013年9月25日巴基斯坦7.7级地震前均出现了异常次声波，其幅值、频谱、持续时间、时间提前量等都具有共同规律.

图 7

Fig. 7

图 7 2010年4月12日检测的玉树7.1级地震2天前异常次声波(杨亦春等，2014) Fig. 7 The abnormal wave detected in April 12, 2010 before 2 days Yushu MS 7.1 earthquake

结合以上煤岩试样实验结果，受载煤岩体在变形破裂过程中能产生次声波信号，且在临近发生主破坏前也能产生显著的次声波信号，并且从煤岩试样实验中得出加载煤岩破裂之前信号强度弱于破裂即将发生时或发生时的信号强度.煤岩动力灾害本身是煤岩积聚能量、释放和破坏的力学过程，其孕育、形成、发生始终与煤岩体应力状态紧密联系.这一过程与孕震过程(地震的孕育和发生是岩体应力集中、应变能积累和断层位移的力学过程)相类似.因此，从受载煤岩试样产生的次声波信号与加载应力的对应关系可以探索次声波技术监测预警煤岩动力灾害.

通过分析岩石破裂次声波实验和次声波成功监测地震发生的研究成果，结合本文煤岩试样单轴加载试验，对采集的煤岩试样变形破裂过程中的次声波全波形信号进行分析，得到以下结论：

(1)次声波技术已成功应用于地震、滑坡等由岩石破裂引起的地质灾害监测和预警.而矿井煤岩动力灾害和地震的孕育均是一个应力集中及应变能积累进而引起岩石破裂的力学过程.因此，次声波技术有望为实现矿井煤岩动力灾害的远距离、非接触性监测和预警提供一种新手段和方法.

(2)受载煤岩在其变形破裂过程中能产生异常次声波信号.煤岩在单轴压缩条件下，次声波信号与应力存在较好的对应关系.煤岩在失稳破坏前，产生显著的次声波信号；在失稳破坏即将发生或发生时，次声波信号达到较大幅度值；破坏后，次声波信号迅速减少.

(3)次声波具有衰减小、传播距离远、穿透能力强的特点，该技术在实验室和工程应用测试过程中不需要接触耦合，可以实现非接触监测.这对于实现次声波监测和预警煤岩动力灾害的发生具有重要的研究价值和应用前景.