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(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054）

0 引 言

我國(guó)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(wàn)噸級(jí)高強(qiáng)度開(kāi)采礦井群相繼出現(xiàn)了深部開(kāi)采動(dòng)力現(xiàn)象[1-3]。在瓦斯治理過(guò)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(dòng)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(duì)鉆孔的支護(hù)修復(fù)存在盲目性，造成大量的時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本浪費(fèi)[7-9]。鉆孔監(jiān)測(cè)是解決鉆孔塌孔問(wèn)題的先決條件，對(duì)鉆孔進(jìn)行塌孔監(jiān)測(cè)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(shí)可為鉆孔優(yōu)化布置提供服務(wù)，對(duì)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(shí)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(cè)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(cè)技術(shù)無(wú)法達(dá)到鉆孔精細(xì)化目標(biāo)。目前針對(duì)鉆孔監(jiān)測(cè)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(guò)鉆進(jìn)過(guò)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(guò)鉆孔沖洗液法監(jiān)測(cè)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(lái)通過(guò)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(cè)煤層孔隙率提供基礎(chǔ)。王云剛等[13]利用次聲波監(jiān)測(cè)低圍壓下煤樣破裂失穩(wěn)過(guò)程。任敏等[14]通過(guò)陣列聲波資料預(yù)測(cè)了煤系地層壓裂裂縫高度。對(duì)于瓦斯抽采鉆孔孔內(nèi)情況的監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)采集地應(yīng)力間接判斷鉆孔的穩(wěn)定性情況。崔峰等[16]運(yùn)用超高清全智能孔內(nèi)電視對(duì)孔內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(cè)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(shí)鉆孔內(nèi)窺法是在鉆孔鉆進(jìn)完成后對(duì)鉆孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)。上述對(duì)鉆孔監(jiān)測(cè)的方法均不適合對(duì)本煤層瓦斯抽采鉆孔塌孔情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。亟需提出一種適用于鉆孔的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，動(dòng)態(tài)掌握鉆孔信息，采取相應(yīng)措施提前對(duì)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(hào)為傳輸載體的高精度監(jiān)測(cè)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(diǎn)，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(cè)了采動(dòng)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(cè)技術(shù)應(yīng)用于煤層頂?shù)装逋凰鹊V壓監(jiān)測(cè)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(cè)。閆文超等[25]采用應(yīng)變光柵傳感器監(jiān)測(cè)鉆孔圍巖壓力。目前對(duì)于光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鉆孔塌孔監(jiān)測(cè)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(duì)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(cè)技術(shù)，闡述了光纖光柵塌孔監(jiān)測(cè)原理，搭建物理模擬試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)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(yàn)，研究了光柵測(cè)量波長(zhǎng)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(jí)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 光纖光柵監(jiān)測(cè)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(hào)的波長(zhǎng)偏移量變化，以這種接收的波長(zhǎng)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(hào)。

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(duì)塌孔情況的監(jiān)測(cè)主要通過(guò)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(hào)的變化，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔孔內(nèi)塌孔情況的監(jiān)測(cè)，確保煤樣塌落會(huì)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(guò)在基體材料上等距離串聯(lián)多個(gè)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(shí)，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(cè)點(diǎn)所反射回的光信號(hào)中心波長(zhǎng)偏移量不同。如圖3 所示，當(dāng)測(cè)點(diǎn)B附近發(fā)生煤體垮落，測(cè)點(diǎn)B反射回的光信號(hào)中心波長(zhǎng)偏移量明顯較大，相鄰測(cè)點(diǎn)A、C的測(cè)量波長(zhǎng)偏移量較小。在鉆孔中通過(guò)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的布置及定位發(fā)生偏移量的測(cè)點(diǎn)位置即可確定鉆孔塌孔位置，同時(shí)根據(jù)測(cè)點(diǎn)反射回的波長(zhǎng)偏移量變化值及應(yīng)變傳遞效率解算公式可以推斷該測(cè)點(diǎn)附近鉆孔塌落煤體質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔塌孔位置的監(jiān)測(cè)。

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(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

根據(jù)上述光纖光柵塌孔監(jiān)測(cè)原理，搭建光纖光柵塌孔表征試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)，如圖4 所示。該平臺(tái)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(cè)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(guò)程的模擬試驗(yàn)，光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中煤樣質(zhì)量引起的光纖光柵測(cè)量波長(zhǎng)偏移量。

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

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)物Fig.5 Physical diagram of experimental platform system

1）光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。光纖光柵監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)柵區(qū)長(zhǎng)度L為10 mm，中心波長(zhǎng)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(shí)際應(yīng)用中，光柵監(jiān)測(cè)精度受光柵封裝效果影響極大，表面粘貼封裝式的光柵測(cè)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(shù)脂膠（353ND）。固化后膠層長(zhǎng)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(cè)出外界物理量變化引起的波長(zhǎng)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(cè)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(dòng)校準(zhǔn)，降低溫度對(duì)光纖光柵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

上位機(jī)主要是通過(guò)軟件控制解調(diào)儀，調(diào)節(jié)試驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、應(yīng)變等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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(gè)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(yàn)漏氣，影響試驗(yàn)效果。試驗(yàn)?zāi)康臑槟M塌落煤量對(duì)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(yàn)要求，同時(shí)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(jì)及抽氣泵組成。流量計(jì)型號(hào)為L(zhǎng)ZB-10WB，量程為5～45 L/min；抽氣泵選用XP-105 系單級(jí)油循環(huán)旋片式真空泵，最大抽氣速率達(dá)30 L/min，通過(guò)軟管與鉆孔模擬平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔實(shí)際抽采過(guò)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(yàn)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(cè)應(yīng)力變化時(shí)，試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果不同。試驗(yàn)為了探究傳感器位于基體材料不同位置對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，選取3 種典型角度設(shè)計(jì)光纖光柵偏轉(zhuǎn)0°、90°、180° 三組試驗(yàn)，如圖7 所示。

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

在試驗(yàn)開(kāi)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(shí)打開(kāi)上位機(jī)設(shè)置通道檢測(cè)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(dòng)校正；最后以光纖光柵應(yīng)變與應(yīng)變傳遞效率方程計(jì)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(cè)原理，試驗(yàn)以波長(zhǎng)偏移量表征塌落煤量的質(zhì)量。解調(diào)儀調(diào)試完成后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纖光柵波長(zhǎng)的曲線變化情況，曲線變化前后光柵測(cè)量波長(zhǎng)的差值即為光纖光柵測(cè)量波長(zhǎng)偏移量。在試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，塌落煤量的不同所監(jiān)測(cè)得到的波長(zhǎng)偏移量有正負(fù)之分，為了便于后期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，文中波長(zhǎng)偏移量的值均取其絕對(duì)值。

在上述試驗(yàn)方案及設(shè)備調(diào)試工作完成后，進(jìn)行塌孔表征試驗(yàn)，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(tái)中，光柵封裝區(qū)域位于直接落煤點(diǎn)一側(cè)，光纖通過(guò)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(tái)兩端，檢查試驗(yàn)系統(tǒng)整體氣密性。

2）模擬鉆孔煤塊塌落。從鉆孔模擬平臺(tái)上方開(kāi)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(duì)抽采數(shù)據(jù)的影響；開(kāi)啟抽氣泵，抽氣速率為30 L/min。

3）記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到光纖光柵返回光信號(hào)中心波長(zhǎng)穩(wěn)定以后，記錄此時(shí)的光柵中心波長(zhǎng)，同時(shí)記錄本次試驗(yàn)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(yàn)。

2.3 煤樣制備

煤樣取樣地點(diǎn)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(shí)際塌孔情況。

將煤樣按照表1 設(shè)計(jì)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(yàn)，分為A、B、C 3 組。同時(shí)，為研究煤樣粒徑差距導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異，將相同重量級(jí)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(yàn)結(jié)果分析

3.1 塌孔表征試驗(yàn)結(jié)果

A 組試驗(yàn)（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(zhǎng)為1 555.077 nm。各煤樣的測(cè)量波長(zhǎng)與初始波長(zhǎng)的差值即為中心波長(zhǎng)偏移量Δλ。B 組試驗(yàn)（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(zhǎng)為1 555.198 nm。C 組試驗(yàn)（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(zhǎng)為1 555.207 nm。試驗(yàn)過(guò)程中，將3 組煤樣實(shí)際質(zhì)量與測(cè)量波長(zhǎng)偏移量繪制成散點(diǎn)圖，如圖8 所示。

圖8 3 組煤樣試驗(yàn)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(shí)，光柵測(cè)量中心波長(zhǎng)偏移量與監(jiān)測(cè)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(cè)量波長(zhǎng)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(duì)各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合分析。

A 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)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(zhǎng)偏移量Δλ有著較好的線性關(guān)系，用波長(zhǎng)偏移量Δλ表征試樣質(zhì)量m的方程為：m=4.353Δλ。A 組試驗(yàn)中，在煤樣質(zhì)量位于100～200 g 時(shí)，監(jiān)測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)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(zhǎng)偏移量Δλ有著一定的線性關(guān)系，用波長(zhǎng)偏移量Δλ表征試樣質(zhì)量m的方程為：m=11.001Δλ。在B 組試驗(yàn)中，煤樣質(zhì)量低于100 g 時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果有極大的不確定性，即使進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)也無(wú)法消除這種影響。由圖8b可以看出，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，與擬合曲線之間較為離散，擬合度不高。

C 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)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(zhǎng)偏移量Δλ有著良好的線性關(guān)系，用波長(zhǎng)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(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際單孔瓦斯抽采流量往往受多種因素影響，試驗(yàn)僅考慮塌孔對(duì)鉆孔瓦斯抽采流量的影響。用各組煤樣波長(zhǎng)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(diǎn)圖進(jìn)行擬合，得到A、B、C 組抽采流量與波長(zhǎng)偏移量的擬合關(guān)系如圖9 所示。

圖9 模擬抽采試驗(yàn)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(guò)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(shí)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(cè)結(jié)果受落煤影響較小，監(jiān)測(cè)結(jié)果較其他2 組更為準(zhǔn)確。

綜合分析A、B、C 3 組試驗(yàn)過(guò)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(shí)，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(cè)量波長(zhǎng)偏移量所表征的塌落煤體質(zhì)量?jī)H能反映實(shí)際塌落煤量的一部分。A 組光柵測(cè)點(diǎn)朝上布置，當(dāng)有較大質(zhì)量煤塊垮落時(shí)，光柵測(cè)點(diǎn)易受損破壞；B 組光柵測(cè)點(diǎn)布置方式在另一側(cè)會(huì)有“監(jiān)測(cè)盲區(qū)”，這也是導(dǎo)致B 組試樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)線性關(guān)系較差的主要原因；C 組測(cè)點(diǎn)布置方式能有效避免煤塊垮落時(shí)破壞光柵測(cè)點(diǎn)，同時(shí)，從各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，C 組試樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)線性關(guān)系最好，即當(dāng)光柵偏轉(zhuǎn)角度為180°時(shí)，中心波長(zhǎng)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(cè)技術(shù)的采用C 組光柵測(cè)點(diǎn)布置方式，即將光柵測(cè)點(diǎn)均布置在基體材料下方。

3.3 塌孔嚴(yán)重程度分級(jí)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，中心波長(zhǎng)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(guò)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)偏移量變化值來(lái)表征塌落煤量及抽采流量。以檢測(cè)到的波長(zhǎng)偏移量為橫坐標(biāo)，將C 組試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)及塌孔情況Fig.10 Group C experimental data and hole collapse

C 組中心波長(zhǎng)偏移量Δλ與試樣質(zhì)量m試驗(yàn)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(píng)判指標(biāo)，用波長(zhǎng)偏移量表征塌落煤量，可將實(shí)際鉆孔塌孔情況劃分為以下3 個(gè)等級(jí)：

Ⅰ級(jí)塌孔：當(dāng)模擬抽采流量降為27 L/min 時(shí)，監(jiān)測(cè)光柵波長(zhǎng)偏移量為19.6×10-12m，對(duì)應(yīng)落煤質(zhì)量至少為59.2 g。此時(shí)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(duì)瓦斯抽采效果影響較小，無(wú)需進(jìn)行處理。

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

Ⅲ級(jí)塌孔：當(dāng)模擬抽采流量低于15 L/min 時(shí)，監(jiān)測(cè)光柵波長(zhǎng)偏移量大于99.8×10-12m，對(duì)應(yīng)落煤質(zhì)量遠(yuǎn)大于301.4 g。此時(shí)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(chǎng)試驗(yàn)

為了更好地驗(yàn)證光纖光柵塌孔監(jiān)測(cè)技術(shù)，選取山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司漳村煤礦2802工作面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。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(zhǎng)度2 050 m，開(kāi)切眼長(zhǎng)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(zhǎng)度為160 m，鉆孔直徑113 mm，鉆孔間距為2.5 m。

現(xiàn)場(chǎng)共監(jiān)測(cè)鉆孔數(shù)5 個(gè)，從鉆孔孔口20 m 后（跳過(guò)鉆孔密封段）開(kāi)始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度為140 m，平均1 m 設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)的5 個(gè)鉆孔中，2 號(hào)、5 號(hào)鉆孔塌孔程度較輕，僅有小段區(qū)域塌孔且最高塌孔等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)；1、3、4 號(hào)鉆孔塌孔情況較為嚴(yán)重，均達(dá)到Ⅲ級(jí)塌孔，其中1、3 號(hào)鉆孔嚴(yán)重塌孔段位于鉆孔孔口段，4 號(hào)鉆孔位于鉆孔中后段。文中以4 號(hào)鉆孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)鉆孔密封完成第1、7、30 天的監(jiān)測(cè)的鉆孔波長(zhǎng)偏移量結(jié)果如圖11所示，其中光柵布置位置即相對(duì)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(zhǎng)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(jí)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)塌孔。由圖11 可知，鉆孔密封完成第1 天，達(dá)到Ⅱ級(jí)塌孔的主要有2 處，分別位于32～34、100～110 m 處，其中102～105 m 測(cè)點(diǎn)處達(dá)到Ⅲ級(jí)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(jí)塌孔的主要有2 處，分別位于30～36、96～112 m 測(cè)點(diǎn)處，其中96～112 m 測(cè)點(diǎn)處達(dá)到Ⅲ級(jí)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(jí)塌孔，分別在30～36、55～64、133～135 m 處塌孔變形較大，在96～112 m 測(cè)點(diǎn)處達(dá)到Ⅲ級(jí)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(gè)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(huì)逐漸加重，同時(shí)塌孔區(qū)域會(huì)適當(dāng)加大，由此可知第1 天監(jiān)測(cè)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(shí)際礦井工程作業(yè)中，可在鉆孔作業(yè)完成時(shí)對(duì)鉆孔開(kāi)展監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)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(jì)5 個(gè)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(duì)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(hào)、5 號(hào)鉆孔塌孔情況較輕未進(jìn)行修復(fù)，故抽采數(shù)據(jù)無(wú)明顯變化； 1 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)鉆孔修復(fù)后抽采純量有明顯提升。綜合統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)，闡述了光纖光柵塌孔監(jiān)測(cè)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(cè)量波長(zhǎng)偏移量表征鉆孔塌落煤量，通過(guò)在鉆孔內(nèi)布置光柵測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)煤體塌落量，監(jiān)測(cè)鉆孔塌孔情況。

2）搭建了鉆孔塌孔表征試驗(yàn)平臺(tái)模擬塌孔過(guò)程及抽采過(guò)程，試驗(yàn)設(shè)計(jì)偏轉(zhuǎn)0°、90°、180° 3 種光柵布置方式，得到了光柵測(cè)量波長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)點(diǎn)位于基體材料下方的布置方式（C 組），塌孔監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度最高，此時(shí)中心波長(zhǎng)偏移量Δλ與試樣質(zhì)量m試驗(yàn)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(píng)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(gè)等級(jí)。

4）在潞安集團(tuán)漳村煤礦2802 工作面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，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(yàn)的5 個(gè)鉆孔在修復(fù)后抽采純量較未修復(fù)提升37.79%。