MEMS技术在煤矿瓦斯灾害预测中的应用
(中国尤氏大学(华东)地球化学与岩石圈动力学开放实验室
作者简介:李越，女，1979，出生于河北沧州。她于2002年毕业于中国尤氏大学，获学士学位，是一名博士生。她的研究方向是地质资源与地质工程，邮箱是lyysy _ 79 @ 163.com。
在利用MEMS技术监测花岗岩样品破裂过程的基础上，应用破裂监测原理，探讨了MEMS技术在瓦斯爆炸预测中的应用。实验中，用压力机对岩样连续加压，观察到四批微裂纹。主破裂前的三批微破裂是岩样内部裂隙逐渐集中和相互渗透的结果，可视为地震前的前兆。主断裂的出现在宏观上产生裂纹。基于上述原理，应用该技术预测采矿引起的矿震和天然地震引起的矿爆也将产生良好的效果。
MEMS技术；压裂；微裂缝；煤矿灾害
微机电系统在煤矿瓦斯灾害预测中的应用
、周
(中国石油大学地球化学与岩石圈动力学开放实验室，东营257061)
文摘:基于微机电系统对花岗岩试样破裂过程的监测，应用监测原理，探讨了微机电系统在瓦斯爆炸预测中的应用。在本实验中，不断对样品施加压力，我们观察到了四个系列的微断裂。主破裂前的前三组微破裂是由于样品中的裂纹集中和贯通，被认为是地震的前兆。主断裂产生宏观裂纹。基于上述原理，得出结论:利用该技术对采矿和天然地震引起的矿山爆炸进行预测具有良好的效果。
关键词:MEMS压裂；微骨折；煤矿灾难
前言
MEMS(micro-electro-mechanical systems)通常称为微机电系统技术，是指可以批量制造，集成微机械、微传感器、微致动器和信号处理与控制电路的微型器件或系统，包括接口、通信和电源。[1]
近年来矿难在重大伤亡事故中占有相当大的比重，工作诱发的瓦斯爆炸和地震给劳动者带来了极大的威胁。本文主要在实验的基础上探讨了MEMS技术在煤矿灾害预测中的应用。
1实验
实验主要利用MEMS技术的敏感特性，通过监测花岗岩的断裂过程，观察传感器在微断裂发生时的瞬时响应。
1.1取样及观测系统简介
样品采自山东莱州，属于燕山期花岗岩。加工成50×15×7.5 cm3的实验样品。花岗岩具有均匀的颗粒结构，主要由应时、长石、黑云母和少量重矿物组成。长石的最大斑晶可达5mm左右，平均粒度为0.5 ~ 3 mm，黑云母通常沿应时长石颗粒边缘呈线状分布(见图1)。
图1花岗岩微观结构(正交极化× 50)
传感器为东瀛甘薇科技发展公司生产的4个ME MS-1221 L单分量加速度传感器。其灵敏度为2 V/G，分辨率为10-4G，频带范围为0 ~ 0~1000Hz。数据采集与分析系统是东瀛甘薇科技发展公司开发的通用数据监测与分析软件RBH-General。
压裂实验使用中国尤氏大学机电学院矿机实验室的WE-300压机(图2)。观察系统如图2(b)和图3所示。
图2实验压力和观察系统
a为WE-300实验压机，B为岩样观测系统的传感器放置和压紧支撑位置。
图3观察系统平面图
其中，数字1、2、3、4为四个传感器，传感器1、4靠近岩块边缘。四个传感器在一条水平线上。1号传感器和2号传感器之间的中心距离为10cm，3号和4号传感器之间的距离相同。传感器的半径为2.5厘米
1.2实验过程及数据讨论
1.2.1实验过程
首先将岩样平放在压机上，岩样两端与支撑线的距离相等，同时记录两侧的距离，以明确岩样受压时的力臂；然后在岩样上依次放置4个传感器(图3)，记录下各自的位置。同时，传感器与数据采集和分析系统相连，以记录不同部位微裂缝的信号。
时间记录从0秒开始，数据采样频率为4000Hz。压力施加的过程是渐进的，压力从0 kN开始逐渐增大。观察数据的变化，首先记录噪声频谱。当压力增大导致岩样内部结构发生变化时，光谱立即发生变化，下面将讨论光谱的变化过程，其中红色代表传感器1的光谱，黑色代表传感器2的光谱，蓝色代表传感器3的光谱，黄色代表传感器4的光谱。在近360秒的压裂过程中，真实岩样压裂在最后一分钟即302.290~303.826 s完成；分别是；305.599 ~ 307.135s；在316.793 ~ 318.329s和357.923~360.258s期间，岩石样品出现了四批微裂隙。除了最后一批微破裂持续时间超过2s外，最后三批微破裂持续时间不到1.5s..每批微裂缝由一组密集的微裂缝组成，单个微裂缝持续时间一般小于50毫秒。
1.2.2压裂过程数据记录与分析
下面按时间顺序选取10个代表性时间段记录的频谱特征进行讨论。由于技术原因，目前使用的传感器精度不足以分辨破裂发生时收到信号的准确时间。我们将在今后的工作中逐步解决这个问题。
压缩后(1)0.291 ~ 31.826s的噪声频谱(图4):压缩后不久，虽然各个传感器接收到的噪声不同，但噪声的主频都集中在50 ~ 300 Hz的低频范围和400 ~ 750 Hz的高频范围。因为4号传感器离机油泵较远，且频率分布在较低和较高的两个区域，20 ~ 20~200Hz和600 ~ 750 Hz。不同传感器记录的噪声差异主要与其位置不同有关。
(2)31.990 ~ 33.526s的噪声谱(图5):与压缩后的0.291 ~ 31.826 s的噪声谱相比，噪声的振幅增加了近一倍，但频率仍集中在低频区，高频振幅相对于低频区有所抑制，说明岩样内部结构受到了压力。
图4 0.291 ~ 31.826s压缩后的噪声频谱。
图5 31.990 ~ 33.526s噪声频谱
(3) 300.665 ~ 302.201s噪声谱(图6):微破裂前，噪声水平进一步下降，尤其是2号、1号、4号传感器位置下降明显。位置3处的噪声水平相对较高。
图6 300.665 ~ 302.438+0s噪声频谱
(4)微裂缝在302.290 ~ 303.826 s的频谱(图7):这是岩石样品第一条微裂缝的频谱特征。可以清楚地看到振幅异常，不同传感器得到的数据不同:1、2号传感器的频率范围约为700 ~ 800 Hz，3、4号传感器尤其是3号传感器受噪声影响较大，对微破裂的响应不明显。3号传感器的频率范围约为500 ~ 600 Hz，4号传感器的频率范围约为650 ~ 750 Hz。第一批微裂缝只是改变了岩样的精细结构，宏观上没有任何变化。
图7 302.290 ~ 303.826s微裂纹的频谱。
(5)305.599 ~ 307.135s微裂缝的频谱(图8):与302.290~303.826s微裂缝的频谱相比，明显向低频方向移动，频率范围约为650 ~ 750 Hz。
图8 305.599 ~ 307.135s微裂纹频谱。
(6) 307.612 ~ 309.147s噪声谱(图9):微破裂后继续加压的岩样暂时不会再次破裂，与开始时的噪声谱基本相同，但高频噪声相对高于低频噪声，说明岩样内部结构发生了变化。
图9 307.612 ~ 309.147s噪声频谱
(7)316.793 ~ 318.329s微裂缝频谱(图10):与前两批微裂缝相比，第三批微裂缝强度更大，振幅增强。随着压力的增加，在之前断裂的基础上，当岩样内部裂纹再次发展并穿透时，岩样就会断裂。不同传感器的频谱特性差异较大，其频率范围也不同。其中，1号传感器记录的微破裂频率范围约为350 ~ 500 Hz，2号传感器约为450 ~ 550 Hz，3号传感器约为400 ~ 500 Hz，4号传感器约为650 ~ 750 Hz。
图10316.793 ~ 318.329s微裂缝发生时的频谱。
(8)8)326.534 ~ 328.070s的噪声频谱(图11):第三批微破裂后，岩样已经产生了裂纹，持续加压在短时间内不会对岩样产生很大的影响，所以仍然表现出压噪声的频谱特征。
图11 326.534 ~ 328.070s噪声频谱
(9)主裂隙在358.723 ~ 360.258 s处的频谱(图12):连续加压后，岩样在前期微裂隙即主裂隙的基础上受到更强烈的破裂。从我们收集到的数据来看，这次破裂的振幅比以前的破裂大得多，峰值有明显的向低频区移动的趋势。各传感器的频率范围也明显不同:1号传感器的频率范围在300 ~ 500~700Hz之间，2号传感器在200 ~ 300 ~ 500Hz之间，3号传感器在300 ~ 500Hz之间，4号传感器在500 ~ 700Hz之间。由于最终破裂面位于2号和3号传感器之间，且最终破裂向2号传感器延伸，2号和3号传感器记录的微破裂振幅和频率相对较低，尤其是2号传感器。而距离破裂面相对较远的1和4传感器记录到的微震振幅和频率要高得多。这可能与岩样越小，传感器离破裂面越远位移越大有关。
图12 358.723 ~ 360.258s主破裂频谱。
(10)361.335 ~ 362.871s主破裂后的噪声谱(图13):主破裂后施加的压力对岩样没有影响，因为岩样已经完全破裂，此时我们可以清楚地看到岩样外观上有一条裂缝。继续加压。但与施加压力开始时的噪声频谱相比，由于岩样已经开裂，油泵的噪声通过岩样传递到传感器，裂纹对噪声的传递产生影响，导致高频噪声大大减弱，低频噪声相对增强。
图1336438+0.335 ~ 3238+0s主破裂后噪声谱。
1.2.3微破裂谱变化特征
通过分析压机加压岩样的实验过程，可以看出，产生四批微裂纹时，频谱的频率范围和幅度是不同的(见表1)。
表1四批微裂纹发生时不同传感器接收到的频率范围和频谱峰值。
当发生四批破裂时，频率范围不仅集中在表1所列的范围内，而且在相对集中的区域内。但由于其他地区峰值频率较低或范围较窄，没有一一列出，表中只列出了主要频率范围。从表中数据可以看出，对于一个传感器来说，随着压力的增加，四次破裂的频率范围依次减小，即随着破裂次数的增加，频率逐渐减小；对于同一个微裂缝，前两批靠近压力施加点的两个传感器得到的数据都小于远离压力施加点的传感器得到的数据，而主裂缝发生时只有4号传感器的频率范围明显大于其他三个传感器，说明越靠近裂缝频率值越低。从这一现象可以总结出以下规律:随着压力的增大，频率值减小；裂缝越大，频率值越小。而且由于岩样本身体积比较小，放置时位置不够准确，稍有差异就会导致岩样在压缩过程中出现轻微倾斜，从而导致对称位置的1和4号、2号和3号地震检波器数据差异很大。从每次破裂的光谱峰值来看，前两次破裂时压力作用点附近的传感器发出的光谱峰值较大，而后两次破裂时情况正好相反。这可能是由于前两次破裂时微破裂规模很小，但内部结构变化不大，后两次破裂时微破裂规模相对增大，第四批微破裂甚至造成岩样宏观破裂。
1.3实验结果的讨论
近年来，地震学家认识到地震是一种带有裂纹的地球物质的断裂行为，并在研究包括岩石在内的一般固体物质微裂纹的形成过程中，探索了这种断裂的孕育和发生。现在所有关于地震孕育的基本假说都把地球破裂演化作为寻找和解决地震前兆、解决地震预报的关键[2-10]。主破裂的发生是由于岩样在前方和恒压条件下破裂，使内部裂纹不断积累和增大，最终达到相互贯通的结果，岩样在宏观上产生一条近似平行于压力方向的裂纹。下面详细讨论从四批微裂缝中选出的一条主要微裂缝的数据记录:
(1)第一批主要断裂产生的微震记录(图14):四个传感器发出的信号分别反映在图中。第一批微裂纹发生在花岗岩试样抗压强度最先达到极限时，内部积累了足够的裂纹，并首先向主压应力方向渗透，从而发生开裂。
图14第一批微裂缝中主要裂缝产生的微震记录。
(2)第二批微裂缝发生主破裂时产生的微震记录(图15):第二批微裂缝是在第一批微裂缝的基础上发展起来的，破裂的频率主要集中在低频区。并且红色和黄色光谱的频率高于黑色和蓝色光谱的频率，可见放置在裂缝附近的传感器频率较低。也就是越靠近声源，频率越低。
图15主破裂发生在第二批微破裂时产生的微震记录。
(3)第三批微破裂中主破裂产生的微震记录(图16):第三批微破裂是由于岩石样品内部裂隙在持续压力下不断发展，强度比第二批强得多，频率范围也趋于向低频区偏移，可视为震前重要的微破裂。
图16第三批微破裂中主破裂产生的微震记录。
(4)第四批微裂缝中主裂缝产生的微震记录(图17):第四批微裂缝是岩样在受压状态下的主裂缝，也是最终裂缝。这种断裂是由于岩样内部裂纹随着压力的增大(最终压力达到10.4 kN)而不断发展，并且高度集中，导致岩样出现宏观裂纹和应力集中。如果将此应用于地震预测，此时裂缝的出现可以定义为地震的发生。靠近震源的传感器获得的频谱较低。
图17第四批微破裂中主破裂产生的微震记录。
岩石大多有节理、解理等裂隙，有的还存在裂缝等较大的软弱结构。压力增加到一定程度后，这些裂纹会集中破裂。花岗岩的破裂模式可以概括为雪崩不稳定破裂形成模式，也称苏联科学院地球物理研究所模式。该模型基于两种现象:断裂应力场的相互作用和裂缝形成的局部集中。在缓变载荷的长期作用下，任何材料，包括岩石，在破坏前都不可避免地会产生这两种现象。长期强度理论是基于在“亚临界”(小于材料的瞬时强度)应力的缓慢作用下，裂纹的数量和尺寸逐渐发展。当断裂密度达到临界密度状态值时，材料将过渡到快速宏观断裂阶段。如果从统计学的角度来看，介质中的裂纹分布是均匀的，那么在缓慢增加的荷载作用下或者在活性介质的影响下，裂纹的数量和尺寸会逐渐增加，一些更有利的裂纹会相互连接形成更大的裂纹。如果将Griffith的理论以及由此导出的一些理论应用于地震震源，认为雪崩裂缝形成过程中逐渐产生少量长裂缝，这些长裂缝相互勾结、汇聚，导致岩石宏观破裂(地震)[11]。
2在煤矿瓦斯灾害预测中的应用
煤矿开采诱发的地震(采矿业称之为岩爆)是采矿诱发的动力地质灾害之一。在采矿活动和区域应力场的影响下，矿震使矿区内及周边的应力不稳定，矿区局部积累的部分能量通过冲击或重力释放，导致岩体振动。据不完全统计，20世纪80年代以来，辽宁北票、吉林辽源、黑龙江鹤岗、双鸭山旱鸟溪、七台河等东北地区矿震水平逐渐升高，部分矿震造成的损失相当严重。引起了地震、煤炭系统和各级科研人员的关注。矿震的发生除了采矿因素外，还与构造环境和区域构造应力场密切相关[12]。
煤炭开采使地下应力分布随开采深度的增加而变化，在区域构造活动的影响下，构造应力使新旧构造进行不同程度的继承和再生活动。部分地下断层构造从稳定状态逐渐移动或蠕动，这是矿震的内部动力环境[13]。
地震是地下岩体在应力作用下发生变形，引起岩体破裂、相对位移、滑动、断层和地震波辐射。矿震发生的地点是矿区地下岩体的振动，地震记录在很多地方与天然地震记录相似。矿震震源深度较浅，可近似为地表震源在较大范围内的随机波动。
在区域构造力的作用下，煤层气会在某些特定的方向上产生和聚集。当产生的煤层气溢出并积聚在矿井局部区域时，如果矿井局部温度达到煤层气的燃点，就可能引起爆炸。煤矿瓦斯爆炸与地震活动在时间上是同步的[14-15]。因此，准确预测地震活动对预防煤矿瓦斯爆炸具有重要作用。
基于上述实验的结论和地震活动与煤矿瓦斯爆炸的关系，MEMS1221 L单分量加速度传感器可用于预测矿山地震和采矿及天然地震引起的裂缝。从而减少煤矿瓦斯爆炸造成的灾害。
我们把传感器放在煤矿的不同位置，同时把传感器连接到计算机观察分析系统，记录传感器在不同时间发出的信号。根据我们上述的实验过程，在连续开采过程中，机器会对矿体产生很大的作用力。当矿体内部的岩石结构发生变化时，传感器会发生明显的变化，我们会看到记录的频谱信号会发生突变。经过两三次这样的突变，矿体极有可能坍塌。因此，在第一次突变时，我们应该加强预防，并采取相应的措施，以防止骨折的发生。
同样，当地下发生地震时，我们也可以根据这个原理进行防范。大多数地震学家认为，地震前震源区有一个应力集中的过程，称为地震孕育过程或地震孕育过程。当这一过程发展到一定阶段，发震区的岩石可能出现微破裂或塑性，从而导致地震波频谱的变化。此外，发震区小震震源动力学参数的变化也可能引起地震波频谱的一些变化。这些是基于地震波频谱异常进行预测研究的物理基础。在主破裂前，往往会出现一系列振幅小、频率低的地震波，这些地震波可视为前兆地震波。本实验中，主破裂前三次微破裂产生的地震波可视为前兆地震波。这些地震波的发生是主地震波的能量积累，当能量积累到一定程度，必然会发生地震。
3结论
在单轴压力下，(1)花岗岩产生四条相对集中的脆性断裂，这四条断裂的强度随着压力的增加而有增大的趋势。发生微断裂时，频率有向低频区偏移的趋势，裂纹越大，频率越低。
(2)主破裂前的三批微破裂是岩样内部裂隙逐渐集中并相互连通的结果，可视为地震前的前兆。主破裂的发生在宏观上产生裂缝，可视为地震的发生；
(3)压裂实验的近源观测记录表明，MEMS技术在监测裂缝方面具有较高的灵敏度，因此在煤矿灾害预测方面将取得较好的效果，从而减少采矿和自然地震造成的矿难。
鸣谢:感谢东瀛甘薇科技发展有限公司提供的技术支持和中国尤氏大学(华东)机电学院实验室提供的压机设备。在完成论文的过程中，得到了师兄弟的帮助，在此表示感谢。
参考
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