基于光纖光柵的煤層瓦斯鉆孔塌孔位置表征試驗研究

張 超 ，程仁輝 ，黃曉昇 ，范富槐 ，段晨燁

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054）

0 引 言

我國煤層賦存條件復(fù)雜多變，礦井瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，以大柳塔、上灣、保德等為代表的千萬噸級高強(qiáng)度開采礦井群相繼出現(xiàn)了深部開采動力現(xiàn)象[1-3]。在瓦斯治理過程中，瓦斯抽采鉆孔的成孔質(zhì)量是決定瓦斯抽采效率的重要因素[4-6]。受地應(yīng)力、采動等影響，瓦斯抽采鉆孔易塌孔變形，常用的“注漿加固技術(shù)”“篩管護(hù)孔技術(shù)”“機(jī)械式疏通技術(shù)”和“水射流疏通技術(shù)”等鉆孔修復(fù)技術(shù)對鉆孔的支護(hù)修復(fù)存在盲目性，造成大量的時間及經(jīng)濟(jì)成本浪費[7-9]。鉆孔監(jiān)測是解決鉆孔塌孔問題的先決條件，對鉆孔進(jìn)行塌孔監(jiān)測可掌握鉆孔的狀態(tài)信息，有效預(yù)防鉆孔塌孔情況的發(fā)生，同時可為鉆孔優(yōu)化布置提供服務(wù)，對加深鉆孔精細(xì)化作業(yè)進(jìn)程，大大提高鉆孔瓦斯抽采效果起到積極作用。為實現(xiàn)鉆孔精準(zhǔn)支護(hù)目標(biāo)，鉆孔孔內(nèi)塌孔情況的精準(zhǔn)監(jiān)測至關(guān)重要。

隨著鉆孔精細(xì)化作業(yè)進(jìn)程的推進(jìn)，傳統(tǒng)的鉆孔塌孔監(jiān)測技術(shù)無法達(dá)到鉆孔精細(xì)化目標(biāo)。目前針對鉆孔監(jiān)測的研究多聚焦于孔周裂隙方面，如鉆孔沖洗液法及聲波法等。鉆孔沖洗液法[10]主要是通過鉆進(jìn)過程中所消耗的鉆進(jìn)沖洗液的量、鉆進(jìn)速度、卡鉆等情況判斷孔內(nèi)裂隙發(fā)育情況。楊榮明等[11]通過鉆孔沖洗液法監(jiān)測了神東礦區(qū)覆巖破壞情況。聲波法是根據(jù)聲波在不同介質(zhì)中傳播情況不同確定介質(zhì)的內(nèi)部情況，常用來通過鉆孔判斷頂?shù)装辶严栋l(fā)育情況。張凱等[12]研究了聲波速度與煤樣孔隙的關(guān)系，為聲波波速預(yù)測煤層孔隙率提供基礎(chǔ)。王云剛等[13]利用次聲波監(jiān)測低圍壓下煤樣破裂失穩(wěn)過程。任敏等[14]通過陣列聲波資料預(yù)測了煤系地層壓裂裂縫高度。對于瓦斯抽采鉆孔孔內(nèi)情況的監(jiān)測研究較少，主要為內(nèi)窺法，如趙洪寶等[15]研發(fā)了一種瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性動態(tài)監(jiān)測裝置，通過采集地應(yīng)力間接判斷鉆孔的穩(wěn)定性情況。崔峰等[16]運用超高清全智能孔內(nèi)電視對孔內(nèi)情況進(jìn)行實時監(jiān)測，分析不同階段孔壁破壞情況，研究孔內(nèi)裂隙發(fā)育演化規(guī)律。內(nèi)窺法監(jiān)測鉆孔情況可以直觀準(zhǔn)確反映孔內(nèi)裂隙的發(fā)育情況，但下放與回收設(shè)備較為困難，且易受孔內(nèi)煤體的干擾，視頻拍攝不清晰，同時鉆孔內(nèi)窺法是在鉆孔鉆進(jìn)完成后對鉆孔進(jìn)行監(jiān)測。上述對鉆孔監(jiān)測的方法均不適合對本煤層瓦斯抽采鉆孔塌孔情況進(jìn)行監(jiān)測。亟需提出一種適用于鉆孔的精準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)，動態(tài)掌握鉆孔信息，采取相應(yīng)措施提前對鉆孔易失穩(wěn)區(qū)域預(yù)支護(hù)，提高瓦斯抽采率。

光纖光柵應(yīng)變傳感器是一種以光學(xué)信號為傳輸載體的高精度監(jiān)測元件，具有極強(qiáng)的抗電磁干擾、耐腐蝕、防水防潮、傳輸損耗小等優(yōu)點，在巖石及煤礦等地下工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。魏世明等[17]利用光纖光柵有效監(jiān)測了采動下圍巖三維應(yīng)力狀態(tài)及其變化規(guī)律。文獻(xiàn)[18-20]將光纖光柵監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于煤層頂?shù)装逋凰鹊V壓監(jiān)測方面。文獻(xiàn)[21-24]將光柵傳感器應(yīng)用于巷道錨桿受力監(jiān)測。閆文超等[25]采用應(yīng)變光柵傳感器監(jiān)測鉆孔圍巖壓力。目前對于光纖光柵監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于鉆孔塌孔監(jiān)測方面研究較少，上述學(xué)者研究均表明了光纖光柵在煤礦井下乃至鉆孔中應(yīng)用的可行性。

基于上述分析，筆者針對孔內(nèi)塌孔情況不明，提出了一種基于光纖光柵的鉆孔塌孔監(jiān)測技術(shù)，闡述了光纖光柵塌孔監(jiān)測原理，搭建物理模擬試驗平臺開展了不同塌落煤量下3 種光柵布置方式（0°、90°、180°）的鉆孔模擬試驗，研究了光柵測量波長偏移量及抽采流量與塌落煤量的變化規(guī)律，劃分了鉆孔塌孔等級，并在現(xiàn)場進(jìn)行驗證。

1 光纖光柵監(jiān)測塌孔原理

光纖光柵的形成是光使光纖產(chǎn)生軸向的折射率周期性變化，形成永久性空間的相位光柵[26-28]。整體結(jié)構(gòu)主要由纖芯、包層及涂覆層3 層結(jié)構(gòu)組成，如圖1 所示。當(dāng)光纖光柵受到外部環(huán)境的刺激，內(nèi)部纖芯上的光柵柵距發(fā)生變化，致使反射光的傳播途徑發(fā)生變化，引起接收光信號的波長偏移量變化，以這種接收的波長偏移量的變化可以表征影響柵距變化的外部刺激給與的物理信號。

圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of fiber bragg grating structure

光纖光柵傳感器對塌孔情況的監(jiān)測主要通過塌落煤量掉落在傳感器上，使光纖光柵柵距發(fā)生變化，引起光信號的變化，從而達(dá)到監(jiān)測目的。為了實現(xiàn)對鉆孔孔內(nèi)塌孔情況的監(jiān)測，確保煤樣塌落會直接與光纖光柵傳感器進(jìn)行接觸，選取光纖光柵傳感器保護(hù)性封裝中的表貼封裝式結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。通過在基體材料上等距離串聯(lián)多個表貼式光纖光柵傳感器，如圖3 所示，并將串聯(lián)好的傳感器與基體材料一起送入鉆孔中，當(dāng)孔內(nèi)發(fā)生塌孔變形時，塌落煤量引起傳感器基體材料發(fā)生變形，距離該形變不同位置的光柵測點所反射回的光信號中心波長偏移量不同。如圖3 所示，當(dāng)測點B附近發(fā)生煤體垮落，測點B反射回的光信號中心波長偏移量明顯較大，相鄰測點A、C的測量波長偏移量較小。在鉆孔中通過測點點位的布置及定位發(fā)生偏移量的測點位置即可確定鉆孔塌孔位置，同時根據(jù)測點反射回的波長偏移量變化值及應(yīng)變傳遞效率解算公式可以推斷該測點附近鉆孔塌落煤體質(zhì)，從而實現(xiàn)鉆孔塌孔位置的監(jiān)測。

圖2 表貼式光纖光柵結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of surface mounted fiber grating

圖3 光纖光柵傳感器定位原理Fig.3 Positioning principle of fiber grating sensor

應(yīng)變傳遞效率解算公式：

2 光纖光柵塌孔表征試驗

2.1 試驗系統(tǒng)搭建

根據(jù)上述光纖光柵塌孔監(jiān)測原理，搭建光纖光柵塌孔表征試驗?zāi)M平臺，如圖4 所示。該平臺由鉆孔塌孔模擬系統(tǒng)、抽采模擬系統(tǒng)及光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，如圖5 所示。塌孔模擬系統(tǒng)及抽采模擬系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔塌孔以及抽采過程的模擬試驗，光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測試驗過程中煤樣質(zhì)量引起的光纖光柵測量波長偏移量。

圖4 試驗平臺系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic of experimental platform system

圖5 試驗平臺系統(tǒng)實物Fig.5 Physical diagram of experimental platform system

1）光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)。光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)主要由表貼式光纖光柵傳感器、解調(diào)儀及上位機(jī)構(gòu)成。

使用的光纖光柵測點柵區(qū)長度L為10 mm，中心波長λb介于1 555～1 565 nm，反射率neff為93.69%，邊膜抑制比為15～16 dB（圖6）。在光纖光柵傳感器實際應(yīng)用中，光柵監(jiān)測精度受光柵封裝效果影響極大，表面粘貼封裝式的光柵測量精度主要受基體材料及粘貼層特性影響。表貼式光纖光柵的基體材料選用PVC 管，粘貼層選用雙組分熱固化環(huán)氧樹脂膠（353ND）。固化后膠層長度約為20 mm，寬度約為10 mm，膠層厚度約為1 mm。

圖6 光纖布拉格光柵及連接方式Fig.6 Fiber bragg grating and connection mode

光纖光柵解調(diào)儀可以直接檢測出外界物理量變化引起的波長偏移量變化，從而推算物理量變化情況。選用ZX-FP-C04 便攜式高精度解調(diào)儀，在解調(diào)監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)有溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)具，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償自動校準(zhǔn)，降低溫度對光纖光柵監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。

上位機(jī)主要是通過軟件控制解調(diào)儀，調(diào)節(jié)試驗參數(shù)，實現(xiàn)對壓力、應(yīng)變等參數(shù)的實時監(jiān)測。

2）鉆孔塌孔模擬系統(tǒng)及抽采模擬系統(tǒng)。鉆孔模擬系統(tǒng)由PVC 管、三通及密封堵頭組成。選用直徑為120 mm 的PVC 管模擬鉆孔，在管中間位置加裝三通接頭用于模擬鉆孔的塌孔，管內(nèi)設(shè)有固定夾固定光柵基體，在管的每個接口處均設(shè)有堵頭便于密封鉆孔，避免后期鉆孔抽采試驗漏氣，影響試驗效果。試驗?zāi)康臑槟M塌落煤量對光纖光柵傳感器的影響，因此選取PVC 管1∶1 模擬鉆孔孔徑即可滿足試驗要求，同時PVC 管易加工，便于加裝固定夾等裝置。

抽采模擬系統(tǒng)由流量計及抽氣泵組成。流量計型號為LZB-10WB，量程為5～45 L/min；抽氣泵選用XP-105 系單級油循環(huán)旋片式真空泵，最大抽氣速率達(dá)30 L/min，通過軟管與鉆孔模擬平臺連接，實現(xiàn)對鉆孔實際抽采過程的模擬。筆者僅研究鉆孔塌孔導(dǎo)致的抽采流量變化情況。

2.2 試驗方案

選取的表貼式光纖光柵傳感器與基體材料在不同位置監(jiān)測應(yīng)力變化時，試驗的監(jiān)測結(jié)果不同。試驗為了探究傳感器位于基體材料不同位置對監(jiān)測結(jié)果的影響，選取3 種典型角度設(shè)計光纖光柵偏轉(zhuǎn)0°、90°、180° 三組試驗，如圖7 所示。

圖7 表貼式光纖光柵Fig.7 Surface mounted fiber grating

在試驗開始前需要先調(diào)試光纖光柵解調(diào)儀，首先將準(zhǔn)備好的光纖光柵傳感器與解調(diào)儀進(jìn)行連接，同時打開上位機(jī)設(shè)置通道檢測閾值為9 000；其次根據(jù)設(shè)備自帶的溫度補(bǔ)償設(shè)置相關(guān)參數(shù)完成溫度補(bǔ)償自動校正；最后以光纖光柵應(yīng)變與應(yīng)變傳遞效率方程計算光纖光柵應(yīng)變參數(shù)，進(jìn)行應(yīng)變參數(shù)設(shè)置。

基于上述光纖光柵塌孔監(jiān)測原理，試驗以波長偏移量表征塌落煤量的質(zhì)量。解調(diào)儀調(diào)試完成后，實時監(jiān)測光纖光柵波長的曲線變化情況，曲線變化前后光柵測量波長的差值即為光纖光柵測量波長偏移量。在試驗開展過程中，塌落煤量的不同所監(jiān)測得到的波長偏移量有正負(fù)之分，為了便于后期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，文中波長偏移量的值均取其絕對值。

在上述試驗方案及設(shè)備調(diào)試工作完成后，進(jìn)行塌孔表征試驗，具體步驟如下：

1）設(shè)備連接。將附有光纖光柵傳感器的PVC管固定在鉆孔模擬平臺中，光柵封裝區(qū)域位于直接落煤點一側(cè)，光纖通過堵頭上的FC 接口與調(diào)試好的光纖光柵解調(diào)儀相連；用堵頭封堵鉆孔模擬平臺兩端，檢查試驗系統(tǒng)整體氣密性。

2）模擬鉆孔煤塊塌落。從鉆孔模擬平臺上方開口投放煤樣，用密封管堵住煤樣投放管道，用堵頭密封，盡可能避免在投放管道下緣產(chǎn)生渦流，減少對抽采數(shù)據(jù)的影響；開啟抽氣泵，抽氣速率為30 L/min。

3）記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到光纖光柵返回光信號中心波長穩(wěn)定以后，記錄此時的光柵中心波長，同時記錄本次試驗抽氣流量變化。

4）設(shè)備整理。暫停抽采模擬系統(tǒng)，從另一側(cè)倒出煤樣，清理細(xì)碎煤屑，準(zhǔn)備進(jìn)行下一組試驗。

2.3 煤樣制備

煤樣取樣地點位于山西潞安集團(tuán)漳村煤礦2802工作面。將煤樣進(jìn)行隨機(jī)破碎，粒徑大小不一，與鉆孔垮落煤塊相仿，以此模擬鉆孔實際塌孔情況。

將煤樣按照表1 設(shè)計塌落煤量，用于3 種不同光纖光柵偏轉(zhuǎn)角度的塌孔表征試驗，分為A、B、C 3 組。同時，為研究煤樣粒徑差距導(dǎo)致的監(jiān)測數(shù)據(jù)差異，將相同重量級的煤樣分為粒徑較大組和粒徑較小組。

表1 各組煤樣質(zhì)量分組Table 1 Classification of quality of coal samples in each group

3 試驗結(jié)果分析

3.1 塌孔表征試驗結(jié)果

A 組試驗（光纖光柵偏轉(zhuǎn)0°）所使用光纖光柵封裝后的反射率為93.69%，初始中心波長為1 555.077 nm。各煤樣的測量波長與初始波長的差值即為中心波長偏移量Δλ。B 組試驗（光纖光柵偏轉(zhuǎn)90°）所使用光纖光柵封裝后的反射率為94.36%，初始中心波長為1 555.198 nm。C 組試驗（光纖光柵偏轉(zhuǎn)180°）所使用光纖光柵封裝后的反射率為92.78%，初始中心波長為1 555.207 nm。試驗過程中，將3 組煤樣實際質(zhì)量與測量波長偏移量繪制成散點圖，如圖8 所示。

圖8 3 組煤樣試驗數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.8 Fitting curve of experimental data of three groups of coal samples

由文獻(xiàn)[29]可知，當(dāng)光纖光柵材質(zhì)一定時，光柵測量中心波長偏移量與監(jiān)測到的應(yīng)變具有良好的線性關(guān)系，而煤樣質(zhì)量與引起的應(yīng)變之間也具有良好的線性關(guān)系，可以得出光柵測量波長偏移量與煤樣質(zhì)量之間線性相關(guān)，故選用線性函數(shù)對各組試驗數(shù)據(jù)的散點圖進(jìn)行擬合分析。

A 組試驗數(shù)據(jù)散點圖擬合曲線的擬合度R2=0.940 02，顯然，試樣質(zhì)量m與中心波長偏移量Δλ有著較好的線性關(guān)系，用波長偏移量Δλ表征試樣質(zhì)量m的方程為：m=4.353Δλ。A 組試驗中，在煤樣質(zhì)量位于100～200 g 時，監(jiān)測結(jié)果變化幅度較大，這是由于煤樣直接敲擊傳感器導(dǎo)致數(shù)據(jù)變化明顯。

B 組試驗數(shù)據(jù)散點圖擬合曲線的擬合度R2=0.868 39，顯然，試樣質(zhì)量m與中心波長偏移量Δλ有著一定的線性關(guān)系，用波長偏移量Δλ表征試樣質(zhì)量m的方程為：m=11.001Δλ。在B 組試驗中，煤樣質(zhì)量低于100 g 時，監(jiān)測結(jié)果有極大的不確定性，即使進(jìn)行重復(fù)試驗也無法消除這種影響。由圖8b可以看出，監(jiān)測數(shù)據(jù)波動較大，與擬合曲線之間較為離散，擬合度不高。

C 組試驗數(shù)據(jù)散點圖擬合曲線的擬合度R2=0.989 43，顯然，試樣質(zhì)量m與中心波長偏移量Δλ有著良好的線性關(guān)系，用波長偏移量Δλ表征試樣質(zhì)量m的方程為：m=3.017Δλ。

3.2 抽采模擬試驗結(jié)果

現(xiàn)場實際單孔瓦斯抽采流量往往受多種因素影響，試驗僅考慮塌孔對鉆孔瓦斯抽采流量的影響。用各組煤樣波長偏移量表征抽采流量變化，將所得的抽采模擬數(shù)據(jù)散點圖進(jìn)行擬合，得到A、B、C 組抽采流量與波長偏移量的擬合關(guān)系如圖9 所示。

圖9 模擬抽采試驗數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.9 Fitting curve of simulated pumping test data

由圖9 可知，3 組的擬合效果均較好，通過觀察三組的擬合曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著偏轉(zhuǎn)角度的變化，擬合曲線的斜率也在改變，圖中斜率變化為A>B>C。同時由圖9 可以明顯看到，C 組的數(shù)據(jù)基本與擬合曲線重合。表明C 組受監(jiān)測結(jié)果受落煤影響較小，監(jiān)測結(jié)果較其他2 組更為準(zhǔn)確。

綜合分析A、B、C 3 組試驗過程中塌落煤量的分布情況，可知，當(dāng)光柵附在PVC 管上布置在鉆孔中時，鉆孔頂部及側(cè)孔壁所塌落的煤塊往往傾向于填充PVC 管兩側(cè)空間，因此，光柵測量波長偏移量所表征的塌落煤體質(zhì)量僅能反映實際塌落煤量的一部分。A 組光柵測點朝上布置，當(dāng)有較大質(zhì)量煤塊垮落時，光柵測點易受損破壞；B 組光柵測點布置方式在另一側(cè)會有“監(jiān)測盲區(qū)”，這也是導(dǎo)致B 組試樣監(jiān)測數(shù)據(jù)線性關(guān)系較差的主要原因；C 組測點布置方式能有效避免煤塊垮落時破壞光柵測點，同時，從各組試驗數(shù)據(jù)可知，C 組試樣監(jiān)測數(shù)據(jù)線性關(guān)系最好，即當(dāng)光柵偏轉(zhuǎn)角度為180°時，中心波長偏移量Δλ與試樣質(zhì)量m以及抽采流量Q之間函數(shù)關(guān)系最為明顯，因此鉆孔塌孔監(jiān)測技術(shù)的采用C 組光柵測點布置方式，即將光柵測點均布置在基體材料下方。

3.3 塌孔嚴(yán)重程度分級

由上述試驗結(jié)果可知，中心波長偏移量Δλ與試樣質(zhì)量m以及抽采流量Q之間關(guān)系較為明顯，故可通過監(jiān)測波長偏移量變化值來表征塌落煤量及抽采流量。以檢測到的波長偏移量為橫坐標(biāo)，將C 組試驗所得的質(zhì)量及流量數(shù)據(jù)匯總，如圖10 所示。

圖10 C 組試驗數(shù)據(jù)及塌孔情況Fig.10 Group C experimental data and hole collapse

C 組中心波長偏移量Δλ與試樣質(zhì)量m試驗數(shù)據(jù)擬合曲線方程為m=3.017Δλ，將鉆孔抽采流量衰減比率作為評判指標(biāo)，用波長偏移量表征塌落煤量，可將實際鉆孔塌孔情況劃分為以下3 個等級：

Ⅰ級塌孔：當(dāng)模擬抽采流量降為27 L/min 時，監(jiān)測光柵波長偏移量為19.6×10-12m，對應(yīng)落煤質(zhì)量至少為59.2 g。此時鉆孔抽采效率降至90%，鉆孔內(nèi)垮落煤量較少，屬于輕微塌孔，對瓦斯抽采效果影響較小，無需進(jìn)行處理。

Ⅱ級塌孔：當(dāng)模擬抽采流量降為15 L/min 時，監(jiān)測光柵波長偏移量為99.8×10-12m，對應(yīng)落煤質(zhì)量至少為301.4 g。此時鉆孔抽采效率降至50%，屬于較嚴(yán)重塌孔，對瓦斯抽采效果影響較大。

Ⅲ級塌孔：當(dāng)模擬抽采流量低于15 L/min 時，監(jiān)測光柵波長偏移量大于99.8×10-12m，對應(yīng)落煤質(zhì)量遠(yuǎn)大于301.4 g。此時鉆孔抽采效率降至50%以下，屬于嚴(yán)重塌孔，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效果。

4 現(xiàn)場試驗

為了更好地驗證光纖光柵塌孔監(jiān)測技術(shù)，選取山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司漳村煤礦2802工作面開展現(xiàn)場試驗。漳村煤礦隸屬于高瓦斯礦井，煤層埋深465～585 m，其中2802 工作面巷道長度2 050 m，開切眼長度300 m，煤層平均厚度 5.85 m。鉆孔布置方式為三花布置，鉆孔高位孔為2.0 m、低位孔為1.5 m；鉆孔長度為160 m，鉆孔直徑113 mm，鉆孔間距為2.5 m。

現(xiàn)場共監(jiān)測鉆孔數(shù)5 個，從鉆孔孔口20 m 后（跳過鉆孔密封段）開始監(jiān)測，監(jiān)測長度為140 m，平均1 m 設(shè)置1 個監(jiān)測測點。監(jiān)測的5 個鉆孔中，2 號、5 號鉆孔塌孔程度較輕，僅有小段區(qū)域塌孔且最高塌孔等級達(dá)到Ⅱ級；1、3、4 號鉆孔塌孔情況較為嚴(yán)重，均達(dá)到Ⅲ級塌孔，其中1、3 號鉆孔嚴(yán)重塌孔段位于鉆孔孔口段，4 號鉆孔位于鉆孔中后段。文中以4 號鉆孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，統(tǒng)計鉆孔密封完成第1、7、30 天的監(jiān)測的鉆孔波長偏移量結(jié)果如圖11所示，其中光柵布置位置即相對鉆孔孔深位置，與孔深相同。

圖11 鉆孔在封孔后1、7、30 d 后波長偏移量的變化Fig.11 Change of wavelength offset of boreholes 1, 7 and 30 days after hole sealing

圖11 中，灰色、藍(lán)色及白色分別代表鉆孔的塌孔等級為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級塌孔。由圖11 可知，鉆孔密封完成第1 天，達(dá)到Ⅱ級塌孔的主要有2 處，分別位于32～34、100～110 m 處，其中102～105 m 測點處達(dá)到Ⅲ級塌孔，垮落煤體質(zhì)量至少為1 220.1 g。封孔7 d 后達(dá)到Ⅱ級塌孔的主要有2 處，分別位于30～36、96～112 m 測點處，其中96～112 m 測點處達(dá)到Ⅲ級塌孔，垮落煤體質(zhì)量至少為8 214.4 g。封孔30 d 后塌孔情況基本穩(wěn)定，鉆孔全段基本達(dá)到Ⅱ級塌孔，分別在30～36、55～64、133～135 m 處塌孔變形較大，在96～112 m 測點處達(dá)到Ⅲ級塌孔，垮落煤體質(zhì)量至少為11 098.5 g。綜上所述，該鉆孔封孔后1 個月內(nèi)，在深孔段96～112 m 處發(fā)生嚴(yán)重塌孔現(xiàn)象。

整體觀察圖11 可知，鉆孔在密封完成發(fā)生塌孔后，隨著瓦斯的抽采該段附近發(fā)生塌孔的情況會逐漸加重，同時塌孔區(qū)域會適當(dāng)加大，由此可知第1 天監(jiān)測的塌孔數(shù)據(jù)可為后期鉆孔塌孔區(qū)域提供參考。因此，在實際礦井工程作業(yè)中，可在鉆孔作業(yè)完成時對鉆孔開展監(jiān)測工作，提前確定鉆孔塌孔區(qū)域，并采取支護(hù)手段減少塌孔情況的發(fā)生。

通過對監(jiān)測得到的塌孔情況進(jìn)行鉆孔支護(hù)處理，如下放篩管，水力沖孔等方法，統(tǒng)計5 個鉆孔支護(hù)前后各30 d 的抽采數(shù)據(jù)，如圖12 所示。

圖12 鉆孔修復(fù)前后抽采數(shù)據(jù)對比Fig.12 Comparison of extraction data before and after borehole repair

圖12 中，黃線為鉆孔支護(hù)后抽采數(shù)據(jù)的擬合曲線，藍(lán)線為支護(hù)前抽采數(shù)據(jù)的擬合曲線。2 號、5 號鉆孔塌孔情況較輕未進(jìn)行修復(fù)，故抽采數(shù)據(jù)無明顯變化； 1 號、3 號、4 號鉆孔修復(fù)后抽采純量有明顯提升。綜合統(tǒng)計監(jiān)測鉆孔修復(fù)前后的抽采數(shù)據(jù)，修復(fù)后的鉆孔30 d 抽采純量均值為0.231 5 m3/min，相較于修復(fù)前的0.168 0 m3/min，采用合適鉆孔修復(fù)工藝后鉆孔抽采純量提升37.79%。

5 結(jié) 論

1）提出了煤層瓦斯抽采鉆孔塌孔精準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)，闡述了光纖光柵塌孔監(jiān)測原理，基于表貼式光纖光柵傳感器基體材料變形引起光柵柵距變化原理，以光柵測量波長偏移量表征鉆孔塌落煤量，通過在鉆孔內(nèi)布置光柵測點監(jiān)測孔內(nèi)煤體塌落量，監(jiān)測鉆孔塌孔情況。

2）搭建了鉆孔塌孔表征試驗平臺模擬塌孔過程及抽采過程，試驗設(shè)計偏轉(zhuǎn)0°、90°、180° 3 種光柵布置方式，得到了光柵測量波長偏移量與塌落煤量的線性關(guān)系，抽采流量與塌落煤量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明了波長偏移量變化值可以表征塌落煤量及抽采流量。

3）得到了光柵測點位于基體材料下方的布置方式（C 組），塌孔監(jiān)測準(zhǔn)確度最高，此時中心波長偏移量Δλ與試樣質(zhì)量m試驗數(shù)據(jù)擬合曲線方程為m=3.017Δλ。并以抽采流量衰減比率作為塌孔評判標(biāo)準(zhǔn)，按照原有抽采流量閾值90%、50%將鉆孔塌孔情況分為3 個等級。

4）在潞安集團(tuán)漳村煤礦2802 工作面開展現(xiàn)場監(jiān)測試驗，得到了鉆孔后期塌孔位置分布與打鉆完成后初期相近，且試驗的5 個鉆孔在修復(fù)后抽采純量較未修復(fù)提升37.79%。