基于機器學習的煤巖破裂誘發電磁輻射信號智能辨識研究

摘要：電磁輻射作為一種有效監測技術已應用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害監測預警，但因電磁信號產生機制復雜，易受井下環境干擾（干擾信號）而影響災害危險監測預警準確性。準確辨識煤巖破裂誘發的電磁輻射信號（有效信號）是該技術應用推廣的關鍵。開展了煤巖單軸壓縮電磁輻射監測實驗，分析了電磁輻射有效信號和干擾信號時域、頻域及分形特征差異性，分別利用線性判別法、支持向量機和集成學習法等機器學習算法建立了電磁輻射有效信號和干擾信號智能辨識模型，并對比分析了不同模型的識別精度。結果表明：分形盒維數、平均頻率、計數和峰值頻率特征對電磁輻射有效信號和干擾信號區分較明顯，單一特征識別準確率均在70% 以上；信號特征集和機器學習算法對有效信號和干擾信號識別準確率均有影響，基于全部特征集的集成學習法識別準確率最高，對2 類信號的平均識別準確率為94.5%，能夠滿足電磁輻射監測預警應用需求。

關鍵詞：煤巖動力災害；電磁輻射；機器學習；煤巖破裂；有效信號；智能辨識

中圖分類號：TD32 文獻標志碼：A

0 引言

煤巖電磁輻射是指煤巖受載破裂過程向外輻射電磁能量的現象[1]。在煤巖受載破壞電磁輻射響應規律實驗研究方面，前人開展了煤巖/含瓦斯煤單軸壓縮、循環加載、分級加載、巴西劈裂、霍普金森壓桿沖擊等多種加載條件下的電磁輻射監測實驗[2-5]，發現電磁輻射能夠反映煤巖應力、破裂及瓦斯滲流涌出，可用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害監測預警。基于電磁輻射監測原理，中國礦業大學研發了便攜式電磁輻射監測儀、在線式電磁輻射監測系統等系列裝備，目前已應用于全國80 多個煤礦煤巖動力災害監測預警[6]。但因電磁輻射產生機制復雜（裂紋擴展、摩擦作用及帶電缺陷運移）[7]，容易受井下環境干擾，從而影響災害危險監測預警準確率。對于煤巖破裂誘發電磁輻射信號（有效信號）和環境干擾信號的自動識別至關重要。

目前對于電磁輻射有效信號和干擾信號識別，尚缺乏實驗研究，現場應用主要以人工識別為主。要區分電磁輻射有效信號和干擾信號，首先需要分析、提取2 類信號特征。對于信號特征分析，主要分為時域、頻域和分形3 個方面。在時域特征分析方面，前人主要分析了信號波動幅值大小及信號形態。文獻[8]比較了采石場爆破和實驗室打鉆引起的電磁輻射信號差異性，發現打鉆和爆破引起的電磁信號由很多單獨脈沖組成，而打鉆對應的電磁脈沖持續時間比爆破短。在聲電信號頻域特征分析方面，文獻[9]采用快速傅里葉變換研究發現，煤樣單軸壓縮條件下背景噪聲的主頻帶比煤樣破裂釋放的電磁波頻率高。文獻[10]采用快速傅里葉變換分析了煤巷掘進過程電磁輻射有效信號和干擾信號頻譜，發現有效信號頻譜分布更為分散、主頻更高。文獻[11]采用小波變換分析了打鉆、環境噪聲、耙矸機作業產生的電磁干擾信號與災害發生前對應電磁有效信號的時頻譜差異性，發現不同信號時頻譜存在明顯差異。在電磁信號分形特征分析方面，研究發現煤巖破裂過程引起的電磁信號存在明顯分形特征，且該特征與煤巖破裂程度、破裂方式及應力水平均有關[12-13]。可見電磁輻射有效信號和干擾信號在時域、頻域、分形等特征分布上存在差異，但目前多以單一特征定性分析為主，對2 類信號特征分析不全面，且缺乏基于多特征的電磁輻射有效信號和干擾信號自動辨識模型。

深度學習主要適用于信號樣本數量較大情況下的分類識別[14]，但大量樣本信號獲取使模型訓練過程耗時較長。機器學習訓練過程需要的樣本量相對較少，具有訓練速度快、識別準確率高等優點，線性判別法[15]、支持向量機[16]、集成學習法[17]等機器學習算法已在微震、聲發射信號分類識別領域成功應用。以上研究為建立電磁輻射有效信號和干擾信號自動辨識模型奠定了基礎。基于此，本文開展了煤巖單軸壓縮電磁輻射監測實驗，利用時域、頻域、分形等方法分析煤巖破裂誘發電磁輻射信號和環境干擾信號特征差異性，利用機器學習算法建立2 類信號的自動辨識模型，實現對煤巖破裂誘發電磁輻射信號的自動辨識。研究結果對于準確提取電磁輻射預警指標、提高災害預警準確率具有重要意義。

1 實驗研究

1.1 實驗系統

煤巖加載電磁輻射監測實驗系統主要由Express?8 型24 通道聲發射系統、MTS 控制電液伺服壓力試驗機組成（圖1）。聲發射系統可實現24 通道聲發射、電磁輻射信號同步采集，本實驗共配置了4 個電磁輻射傳感器，采用非接觸監測方式，分別從4 個方向對準煤巖試樣。

1.2 試樣制備

實驗用煤巖試樣通過遼寧某礦大塊煤巖切割加工而成，制備過程采用國際巖石力學學會推薦標準，試樣尺寸為50 mm×50 mm×100 mm（長×寬×高） ，表面不平整度小于0.02 mm，端面垂直軸線，最大偏差不大于0.25°。實驗共制備了20 塊煤巖試樣，試樣加工完成后用塑料薄膜進行密封包裹，便于運輸和儲存。煤巖單軸加載實驗方案：采用位移控制，控制速度為0.2 mm/min，對試樣進行加載，一直到試樣破壞。為全面監測煤巖加載全過程電磁輻射信號，采用低閾值觸發采集方式，設置前置放大器放大倍數為40 dB，電磁輻射信號觸發閾值為30 dB。