第 1 章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
近几年，随着我国对能源需求的不断增加以及煤矿装备快速发展，我国煤炭开采的速度、深度、规模等不断扩大，所面临的矿山动力灾害，如顶板灾害、冲击地压、突水等各类事故形势更加严峻。根据国家煤矿安全局的统计，在 2000-2016 年，我国共发生煤矿重特大事故 58 起，其中重大事故 4542 起，特大事故 80 起。2017年我国已经定性的冲击地压矿井达到 177 座。
矿山动力灾害是由于在矿山开采过程中，煤、岩石或断层在受到外界干扰导致应力场发生破坏，从而释放出蕴含巨大能量的应力波，破坏工作面及巷道的失稳现象。为减少事故灾害造成的人员伤亡，及时组织救援，国内学者在矿山安全方面做了大量的研究工作，发现了在煤岩破裂过程中会伴随着微震信号的产生，而这些微震信号中包含了煤岩破裂的时刻、位置及破坏程度等信息，因此提出了一种通过采集和分析微震信号进行煤矿动力灾害预警的微震监测技术，有效的预防煤矿动力灾害，并得到了广泛的应用，但是由于井下复杂的工作环境，如爆破、采掘、运输及其它背景噪声等都会产生大量的噪声，导致检波器采集的信号信噪比很低，严重影响到微震信号 P 波初至拾取的准确度及震源定位精度，干扰了对煤矿动力灾害的预测预报。因此，如何提高采集信号的信噪比，准确的拾取微震信号，从而提高震源定位精度及预测预报动力灾害已成为亟待解决的问题。
本课题研究依托河北工程大学申请的河北省自然科学基金项目《矸石精准密实充填机理与开采方法研究》及河北省重点研发计划项目《用于矿井水害防治的微震监测专用检波器研发》，开展了煤矿复杂环境下微震信号降噪与初至拾取方法研究。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 微震监测系统组成及原理
（1）微震监测系统组成
微震监测技术是由美国矿业局最早提出应用于井下的监测技术，但用于当时硬件设备不理想，导致监测效果差，且成本较高，并没有得到应用和推广[1-3]。随着科研人员的不断努力，微震监测技术也获得了巨大进步，微震监测系统已成为当前煤矿安全预警的一种重要手段，并成功应用到了众多煤矿中。它主要是利用声发射学与地震学等学科的原理知识，通过计算机实现微震事件的初至拾取、定位及解释等功能。微震监测系统是由采集硬件和控制及显示软件组成的预警系统，主要包括：微震检波器、数据采集系统、通讯设备及信号处理和解释软件，其结构示意图如图 1-1 所示。
微震是指煤岩在受外力干扰的情况下，其内部结构发生破坏，释放出蕴含能量的应力波的现象。
微震监测技术作为一种监测岩石稳定的方法，其关键技术包括微震监测采集技术、微震资料降噪技术、微震事件识别技术、微震事件初至拾取技术、微震震源定位技术、微震事件解释技术等。
图 1-1 微震监测系统示意图
第 2 章 微震信号降噪算法研究
2.1 煤矿复杂噪声分析
近年来，随着煤矿机械及开采技术的快速发展，煤矿开采的机械化、系统化和自动化的程度越来越高，矿山的规模也向大型现代化发展。与此同时，由于煤矿自身的特殊性，煤矿的环境较为复杂，微震监测系统接收到的信号中包含大量的噪声，主要体现在以下几个方面。
（1）机械噪声：主要指各种煤矿机械设备，如综采机、钻井、风机等工作时产生的噪声；
（2）电气噪声：主要是指煤矿井下电气设备，如风机、综采掘进机等大功率机械设备产生的电磁干扰及电缆、传感器和主机接头连接等自身产生的电气噪音；
（3）人的活动噪声：主要是指井下工作人员作业时产生的噪声，如巷道修复、支护、人工装卸设备等产生的噪声；
（4）随机噪声：主要指煤壁坍塌、剥落时的撞击等引起的噪声。
这些噪声与微震信号混叠在一起，导致微震信号淹没在噪声之中，如图 2-1 所示，从图中很难分辨微震发生时刻，无法准确的拾取到微震信号的初至时刻。因此，本章提出了一种基于 NAEEMD 与频率约束 SVD 的降噪方法，提高了采集信号的信噪比，为准确的拾取微震信号的初至点奠定基础。
图 2-1 煤矿复杂环境下微震信号
2.2EMD 算法
2.2.1EMD 算法降噪原理
EMD 分解是将信号分解为不同 IMF 分量的一种分解方法，且每一个 IMF 分量都是一个单分量信号，可以反映出原始信号在不同时间尺度下的频率信息[49]，但是每个 IMF 分量必须满足两个条件：
（1）信号的极值点个数总和减去过零点的个数总和的绝对值不能大于 1；
（2）在信号的任意一处，其上包络值与下包络值的和为 0。
由于现实环境的复杂，所采集的信号不能满足上述条件。因此，做如下假设：
（1）任何信号可以通过若干个本征模态函数组成的；
（2）IMF 分量的上包络线与下包络线在任意点处相加都为 0，且局部极值点数和过零点数相同；
（3）在分解过程中，信号总能由分解出的各本征模态函数与剩余分量叠加复原。
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第 3 章 微震信号 P 波初至拾取方法研究...........................37
3.1 常用初至拾取方法......................37
3.1.1 STA/LTA 法...............37
3.1.2AIC 法 .......................42
第 4 章 微震信号采集与处理系统..........................51
4.1 系统总体方案设计....................................51
4.2 系统硬件设计..........................52
总结...................................65
第 4 章 微震信号采集与处理系统
4.1 系统总体方案设计
微震信号采集与处理系统主要由 STM32F107 主控芯片、信号调理模块、通讯模块、电源模块及人机交互软件等组成，如图 4-1 所示。该系统主要对煤矿煤层岩体破坏产生的微小震动信号的采集，实时、快速的为微震事件的分析、定位提供实时数据，为实现煤矿突水事件的超前预测奠定基础，确保煤矿安全生产。
图 4-1 系统总体结构
信号调理模块由 3 种可编程、低功耗的 CS3301、CS5372、CS5376 芯片组成，实现对信号的放大、A/D 转换、数字滤波处理；通讯模块设计有 RS485 总线接口，用于 STM32F1 主控芯片和人机交互平台的信息传递；同时考虑到采集平台外接传感器较多、存在一定的功耗、煤矿井下对电气设备的安全性要求高等因素，本文采用了防爆安全型矿用电源，并设计了电压转换电路；人机交互软件是在 LabVIEW软件中开发，实现了信号的通讯、解析、显示、储存与回放以及信号处理的功能。
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总结
本文主要针对煤矿微震信号的采集与处理关键技术展开研究，对处理和分析低信噪比下的微震信号效果不理想的问题，提出了一种基于 NAEEMD 与频率约束SVD 的降噪方法，由于 P 波到时拾取是微震震源定位的关键，传统的微震信号 P波到时拾取算法地震信号时效果不理想，提出一种改进的 STA/LTA 算法与 AIC 算法联合的初至拾取方法，并在两种算法的基础上设计了微震信号采集与处理系统。本文的主要内容和工作如下：
（1）首先对微震信号的几种降噪方法基本原理进行了详细分析，并对各方法的主要性质及存在的问题进行了研究，提出了一种基于 NAEEMD 与频率约束 SVD的降噪方法，通过将高斯白噪声分解为 IMF 分量分别加入采集信号中进行 EEMD分解，降低了信号的分解误差，再用相关系数法区分出噪声主导的 IMF 分量和信号主导的 IMF 分量，将信号主导的 IMF 分量添加到噪声主导的 IMF 分量中，利用Hankel 的 SVD 分解性质提取出噪声主导 IMF 分量中的有用信号，降低了有用信号的损失，实验表明，该算法能够有效的去除信号中的噪声。
（2）微震信号初至点的准确性对微震震源定位有很大影响，为提高初至点的拾取精度，详细分析了 STA/LTA 法、AIC 法和能量法等常用初至拾取算法，提出了一种改进的 STA/LTA 算法与 AIC 算法联合的初至拾取方法。通过改进 STA/LTA法的特征函数，使初至点的位置大致与 STA/LTA 的最大值点对应，避免了触发阈值选取不当拾取错误的问题，同时再确定初至点大致位置后，为 AIC 算法提供了一个包含微震信号的大致时窗，避免了 AIC 算法全时窗下在非初至点出现最小值的问题，实验表明，该方法较其他方法能更准确的拾取到微震信号的初至点。
（3）搭建微震信号采集与处理系统，主要包括采集硬件模块和人机交软件；以 STM32F107 为控制核心，实现对传感器信号的放大、转换、储存和传输，通过RS485 总线与主控计算机相连；而主控计算机安装有 LabVIEW 平台搭建的人机交互软件，可以实现对采集的微震信号的接收、显示、储存、回放及信号的降噪与初至点拾取功能，具有一定的使用价值。
参考文献（略）