肖 鵬，黃曉昇,*，劉瀟瀟，李秉昆，陳麗萍，陳紫溪，張 超，程仁輝，趙亞婕

(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.兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所，陜西 西安 710065)

隨著煤礦開(kāi)采深度增加，瓦斯事故頻發(fā)，防治瓦斯災(zāi)害的根本方法是進(jìn)行煤層瓦斯抽采[1]。然而，受地應(yīng)力及擾動(dòng)等因素影響，鉆孔極易產(chǎn)生變形、坍塌，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效果[2]。全孔段篩管護(hù)孔技術(shù)[3-4]雖可有效解決上述問(wèn)題，但當(dāng)塌孔長(zhǎng)度和頻率較低時(shí)，反而會(huì)浪費(fèi)大量人力物力，如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)支護(hù)成為主要研究方向。其中，鉆孔變形塌孔動(dòng)態(tài)演化規(guī)律和精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究是實(shí)現(xiàn)鉆孔精準(zhǔn)支護(hù)亟待解決的重要前提。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)煤心采取法[5]、超聲波技術(shù)[6]、測(cè)井技術(shù)[7]和鉆屑法[8]等手段間接開(kāi)展鉆孔監(jiān)測(cè)。LI Wei等[9]通過(guò)對(duì)煤心堅(jiān)固性系數(shù)、孔隙體積等參數(shù)的測(cè)定，結(jié)合原位應(yīng)力測(cè)試和數(shù)值模擬，得到了鉆孔經(jīng)過(guò)斷裂帶時(shí)的沿程應(yīng)力分布。WANG Jinchao 等[10]提出了多陣列超聲掃描技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)可獲取不同深度鉆孔形狀數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔壁的三維檢測(cè)。HUANG Dan 等[11]基于隨鉆測(cè)井技術(shù)，通過(guò)多個(gè)定向鉆孔提取礦區(qū)地質(zhì)信息，建立的斷裂帶分段識(shí)別法可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷裂帶的精準(zhǔn)定位。Liu Du 等[12]基于煤心取樣、地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)(Geological Strength Index，GSI)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，構(gòu)建了GSI 預(yù)測(cè)模型，對(duì)煤層氣井壁的煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別判斷，為水力壓裂提供指導(dǎo)。部分學(xué)者[8,13]通過(guò)鉆屑和鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)鉆孔煤體應(yīng)力分布進(jìn)行了研究。岳立新等[14]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與煤體應(yīng)力負(fù)相關(guān)，鉆屑量與煤體應(yīng)力正相關(guān)，并基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)鉆孔應(yīng)力分布狀態(tài)和集中區(qū)域進(jìn)行了判斷。QI Qingjie 等[15]通過(guò)瓦斯抽采鉆孔蠕變模型，結(jié)合實(shí)測(cè)鉆屑量，研究得到了鉆屑量和圍巖應(yīng)力隨鉆孔深度的變化規(guī)律。

部分學(xué)者通過(guò)鉆孔照相[16]和負(fù)壓監(jiān)測(cè)技術(shù)[17]實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆孔變形塌孔情況的直接判斷。自1958 年鉆孔照相技術(shù)提出后，該技術(shù)數(shù)十年間經(jīng)歷了：鉆孔照相(Borehole Photography Caneras，BPC)[18]、鉆孔攝像(Borehole Televiewer Cameras，BVC)[19]和數(shù)字光學(xué)成 像(Digital Borehole Opyical Televiewer，DBOT)[20]3 個(gè)發(fā)展階段。劉小雄等[21]根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果繪制了定向鉆孔柱狀圖，直觀展示了煤巖巖性和裂隙分布，可為工作面煤層透明化地質(zhì)模型構(gòu)建提供依據(jù)；張玉軍等[22]通過(guò)鉆孔窺視直接捕獲不同深度地質(zhì)構(gòu)造和裂隙發(fā)育特征圖像，為全空間多參量協(xié)同監(jiān)測(cè)提供參考；通過(guò)負(fù)壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，楊宏民等[23]對(duì)鉆孔不同位置的瓦斯和負(fù)壓參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)封孔段裂隙發(fā)育區(qū)、漏風(fēng)地點(diǎn)的準(zhǔn)確定位；張學(xué)博等[24]建立了多因素影響下的負(fù)壓計(jì)算耦合數(shù)學(xué)模型，提出了基于抽采負(fù)壓分布測(cè)試的抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌特性探測(cè)技術(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用確定了鉆孔失穩(wěn)坍塌區(qū)域。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鉆孔監(jiān)測(cè)領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛研究，但仍存在間接技術(shù)工藝繁瑣、影響因素復(fù)雜，直接技術(shù)精度低、準(zhǔn)確性差的缺點(diǎn)。仍需一種全新的鉆孔監(jiān)測(cè)技術(shù)，方便準(zhǔn)確地判斷鉆孔變形塌孔位置及嚴(yán)重程度。分布式光纖傳感技術(shù)，因其靈活高效、高精度和高靈敏的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在煤礦監(jiān)測(cè)各領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可[25-27]。筆者基于分布式光纖監(jiān)測(cè)和布里淵光學(xué)時(shí)域分析技術(shù)(Brillouin Optical Time Domain Analysis Technique,BOTDA 技術(shù))，研制光纖耦合體，結(jié)合堵孔率計(jì)算數(shù)學(xué)模型研究，構(gòu)建了適用于試驗(yàn)礦井的瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鉆孔變形塌孔時(shí)期進(jìn)行了準(zhǔn)確判斷和驗(yàn)證，這對(duì)瓦斯抽采鉆孔變形塌孔精準(zhǔn)防治、推進(jìn)瓦斯高效抽采具有重要意義。

1 技術(shù)原理及現(xiàn)場(chǎng)概況

1.1 基于BOTDA 技術(shù)的分布式光纖監(jiān)測(cè)原理

布里淵光學(xué)時(shí)域分析技術(shù)(BOTDA)是一種利用布里淵散射效應(yīng)來(lái)測(cè)量光纖中溫度和應(yīng)變分布的技術(shù)[28]。在光纖一端輸入泵浦光脈沖，另一端輸入連續(xù)光譜，當(dāng)兩者頻率差與布里淵頻移值相同時(shí)，連續(xù)光將被放大。此時(shí)，基于布里淵散射光頻率變化量vB(頻移)同光纖溫度t和應(yīng)變?chǔ)懦烧?，可確定光纖沿線的溫度和應(yīng)變，原理如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測(cè)技術(shù)原理Fig.1 Principle of monitoring technology

1.2 礦井現(xiàn)場(chǎng)概況

山西某礦埋深500～600 m，地應(yīng)力約8 MPa，開(kāi)采煤層厚5.2～6.7 m，上覆頂板為泥巖平均厚3.5 m，煤層局部夾矸，且存在砂巖和泥巖互層，夾雜粉末狀砂巖、泥巖和塊狀砂巖的陷落柱，取樣工作面煤體密度ρ=1.451 g/cm3，平均瓦斯含量9.52 m3/t，屬高瓦斯礦井。瓦斯抽采順層鉆孔采前預(yù)抽作為該礦采取的瓦斯治理主要手段，設(shè)計(jì)孔深為120 m，成孔直徑12 cm，鉆孔間距2.5 m。但在地應(yīng)力、瓦斯壓力、地質(zhì)構(gòu)造和擾動(dòng)等因素作用下，瓦斯抽采順層鉆孔變形塌孔頻發(fā)，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效果。

為了解該礦瓦斯抽采順層鉆孔變形塌孔情況，精準(zhǔn)判斷塌孔地點(diǎn)，并給鉆孔塌孔精準(zhǔn)防治提供參考?；谏鲜鯞OTBA 技術(shù)和分布式光纖監(jiān)測(cè)原理，構(gòu)建適用于該礦的瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)工藝，并在該礦開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

2 模擬堵孔實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及方案

基于上述技術(shù)原理和試驗(yàn)礦井關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)前期搭建的模擬堵孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[29]進(jìn)行改建，并再次開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由鉆孔模擬及光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。鉆孔模擬系統(tǒng)所用聚氯乙烯(Ployvinyl Chloride，PVC)管長(zhǎng)120 cm，直徑與試驗(yàn)礦井工作面?12 cm 大直徑順層瓦斯抽采鉆孔一致。16 目阻攔網(wǎng)可圍擋形成模擬堵孔段；光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中光纖耦合體[30-32]作為監(jiān)測(cè)主體，由外徑1.5 cm 內(nèi)徑0.9 cm 長(zhǎng)100 cm 的PVC 細(xì)管和0.25 cm 金屬基光纖傳感器，在注入改性環(huán)氧樹(shù)脂48 h后固化形成，可直觀反映煤樣質(zhì)量增加造成的應(yīng)變變化。ForeSight?系列BOTDA 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)空間分辨率可達(dá)到20 cm，應(yīng)變精度為2×10-6，可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)光纖耦合體各位置應(yīng)變大小。平臺(tái)具體構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 模擬堵孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意Fig.2 Schematic diagram illustrating the experimental platform of borehole plugging simulation

根據(jù)取樣現(xiàn)場(chǎng)情況和相關(guān)學(xué)者鉆孔窺視結(jié)果[33-34]，發(fā)現(xiàn)鉆孔堵孔一般以中、小型煤塊為主，煤塊較大時(shí)，難以侵入孔內(nèi)空間，作為一個(gè)整體擠壓鉆孔。故參考GB/T 17608-2022《煤炭產(chǎn)品品種和等級(jí)劃分》標(biāo)準(zhǔn)[35]，將鉆孔塌孔變形可能出現(xiàn)的不同尺寸煤塊分為：中塊煤(2.5～5.0 cm)、小塊煤(＜2.5～1.3 cm)、混粒煤(＜1.3～0.6 cm)三類。采用控制變量法，設(shè)置中、小塊和混粒煤占比按20 %變化梯度均勻變化，具體見(jiàn)表1。

表1 不同粒徑配比模擬煤樣Table 1 Simulated coal samples with different particle size ratios

從試驗(yàn)礦井采集實(shí)驗(yàn)所需煤樣，密度ρ=1.451 g/cm3，將其破碎成大小不一的煤塊，使用1 目、2 目網(wǎng)曬進(jìn)行篩分后，測(cè)量剩余破碎煤塊尺寸，按上述標(biāo)準(zhǔn)分類，制成不同配比煤樣。實(shí)驗(yàn)時(shí)單次稱取150 g 模擬煤樣(如若單塊煤質(zhì)量超過(guò)150 g 或無(wú)法恰好稱取150 g 時(shí)，可一次性稱取300 g)經(jīng)三通管送進(jìn)模擬堵孔孔段，同時(shí)記錄光纖耦合體應(yīng)變隨煤樣質(zhì)量增加的變化過(guò)程，直至煤樣填滿模擬孔段。

2.2 模擬堵孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于試驗(yàn)礦井所采模擬煤樣堵孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析鉆孔變形塌孔過(guò)程中模擬煤樣質(zhì)量與應(yīng)變間的表征關(guān)系。不同配比情況下的模擬煤樣完全堵孔時(shí)的質(zhì)量和應(yīng)變極值，如圖3 所示。

圖3 不同配比模擬煤樣完全堵孔時(shí)的質(zhì)量及應(yīng)變極值Fig.3 Local maxima of the mass and strain of simulated coal samples with different particle size ratios under complete borehole plugging

由圖3 可知，隨著模擬煤樣配比變化，質(zhì)量和應(yīng)變整體呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是由于模擬堵孔過(guò)程中，中煤塊體積較大，形狀也不規(guī)則，高占比時(shí)煤塊間的間隙、空間體積較大，可容納模擬煤樣質(zhì)量較小，應(yīng)變極值也較低。整體上隨著模擬煤樣配比變化，模擬堵孔質(zhì)量和應(yīng)變極值同步變化，這表明試驗(yàn)礦井模擬煤樣質(zhì)量與監(jiān)測(cè)應(yīng)變間存在顯著相關(guān)性，兩者呈比例變化。

3 鉆孔變形塌孔數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及誤差分析

取所有實(shí)驗(yàn)不同配比和質(zhì)量下的應(yīng)變均值，繪制隨質(zhì)量增長(zhǎng)的光纖應(yīng)變趨勢(shì)如圖4 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同配比模擬煤樣堵孔過(guò)程中，隨質(zhì)量增加應(yīng)變變化趨勢(shì)相近，呈3 個(gè)階段。第一階段隨質(zhì)量增加光纖耦合體應(yīng)變迅速增長(zhǎng)，第二階段應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)隨質(zhì)量變化較為平緩，第三階段應(yīng)變?cè)俅味冈?。試?yàn)礦井模擬煤樣質(zhì)量、監(jiān)測(cè)應(yīng)變和鉆孔變形塌孔間存在明顯線性關(guān)系。結(jié)合前期模型研究工作[29]，分析光纖耦合體應(yīng)變?chǔ)拧⒛M煤樣堆積質(zhì)量m與鉆孔變形塌孔間的表征關(guān)系，并構(gòu)建適用于試驗(yàn)礦井的數(shù)學(xué)模型，可基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)變結(jié)果確定塌孔煤樣質(zhì)量，判斷塌孔嚴(yán)重程度，形成適用于試驗(yàn)礦井的瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)新技術(shù)。

圖4 分布式光纖應(yīng)變隨質(zhì)量變化的趨勢(shì)Fig.4 Strain measured by distributed optical fiber varying with the mass of simulated coal samples

根據(jù)質(zhì)量-應(yīng)變3 個(gè)階段的變化趨勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行分段擬合，可得：

根據(jù)前人研究，由于質(zhì)量m大小取決于物質(zhì)的堆積密度ρb和體積V，而煤樣堆積密度ρb與組分塊度級(jí)配相關(guān)，ρb與取樣點(diǎn)煤體密度ρ之間存在倍率關(guān)系，具體為m=ρbV=αρV，其中α為填充率，可表示兩密度間的倍率關(guān)系[36-37]。代入式(1)可得：

ρb可由完全堵孔狀態(tài)下的質(zhì)量極值mmax與體積極值Vmax確定(Vmax為模擬堵孔孔段圓柱體體積，Vmax=2 260.8 cm3)，不同配比模擬煤樣的堆積密度ρb如圖5所示。

圖5 不同配比模擬煤樣的堆積密度Fig.5 Bulk density of simulated coal samples with different particle size ratios

本文開(kāi)展了覆蓋全面、不同配比模擬煤樣的堵孔實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際鉆孔變形塌孔過(guò)程中，無(wú)法判斷剝落煤體的尺寸、粒徑，同時(shí)部分學(xué)者認(rèn)為填充率在一定范圍內(nèi)變化時(shí)造成的影響較小或趨同[38-39]，故忽略填充率變化造成的ρb變化。假設(shè)：α為定值，取不同配比模擬煤樣完全堵孔時(shí)的mmax均值為標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)計(jì)算ρb=1.034 g/cm3，α=0.71。為滿足在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)鉆孔沿程應(yīng)變大小，即可判斷塌孔地點(diǎn)堵孔嚴(yán)重程度的目的。因此，首先將式(2)轉(zhuǎn)化為用ε表示V的函數(shù)，隨后通過(guò)計(jì)算實(shí)際堵孔體積Vactual與理論單位體積Vtheory的比值，確定鉆孔單位長(zhǎng)度(20 cm)內(nèi)的堵孔率ω(即：ω=Vactual/Vtheory，其中，Vtheory=πr2·d=π·r2·20 cm)，以直觀反映鉆孔堵孔程度。轉(zhuǎn)化、計(jì)算后可得：

基于式(3)可通過(guò)鉆孔應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算試驗(yàn)礦井(ρ=1.451 g/cm3、r=6 cm)瓦斯抽采鉆孔沿程各位置的堵孔率，并以應(yīng)變臨界值為依據(jù)對(duì)鉆孔沿程變形塌孔情況進(jìn)行判斷。根據(jù)上式將鉆孔變形塌孔分為塌孔前、塌孔中、塌孔后共3 個(gè)時(shí)期，即：0≤ε≤45.95×10-6為塌孔前期，45.95×10-6＜ε≤72.19×10-6為塌孔中期，72.19×10-6＜ε≤121.52×10-6為塌孔后期。

將應(yīng)變臨界值45.95×10-6、72.19×10-6和121.52×10-6代入式(3)可得理論堵孔率臨界值：26.64%、76.34%和107.76%。理論堵孔率極值超過(guò)100%，這是因?yàn)棣裝和α由單位空間不同配比煤樣模擬堵孔實(shí)驗(yàn)的mmax均值確定，導(dǎo)致不同配比情況下的實(shí)際堵孔率與理論值存在必然誤差。為驗(yàn)證式(3)的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)際和理論堵孔率間的必然誤差進(jìn)行分析。通過(guò)不同配比煤樣模擬堵孔過(guò)程m與mmax的比值確定實(shí)際堵孔率ωactual，即ωactual=m/mmax，根據(jù)式(3)繪制理論堵孔率ω，實(shí)際、理論堵孔率和最大絕對(duì)誤差變化如圖6 所示。

圖6 實(shí)際、理論堵孔率對(duì)比和最大絕對(duì)誤差Fig.6 Comparison and the maximum absolute error between actual and theoretical borehole plugging rates

通過(guò)圖6 也可發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變的增加，實(shí)際與理論堵孔率間最大絕對(duì)誤差先變大后變小再變大。這是由于鉆孔底部“凹”中部“擴(kuò)展”頂部“凸”的結(jié)構(gòu)組成，導(dǎo)致鉆孔堵孔過(guò)程中，煤樣首先在底部集中堆積，達(dá)一定角度后滑向孔壁兩側(cè)，最后隨著空間變小又在頂部聚集，故最大絕對(duì)誤差先變大后變小。在誤差-1 處(塌孔中期)達(dá)到最大，通過(guò)計(jì)算可得最大絕對(duì)誤差為：19.48%。雖與理論結(jié)果差距較大，但此處實(shí)際堵孔率仍處塌孔中期界限內(nèi)(26.64%＜ωactual≤76.34%)，對(duì)判斷鉆孔發(fā)育時(shí)期和塌孔程度實(shí)際并無(wú)影響。在誤差-2 處，堵孔率誤差呈“V”型變化，這是由于表征公式建立過(guò)程中理論100%堵孔時(shí)的mmax、ρb和α由不同配比煤樣模擬堵孔實(shí)驗(yàn)的mmax均值確定，這就導(dǎo)致實(shí)際情況下，不同配比煤樣完全堵孔時(shí)，mmax越接近mmax均值誤差越小。誤差-2 處理論和實(shí)際堵孔率均超過(guò)塌孔后期下限(76.34%)，同樣對(duì)判斷鉆孔塌孔發(fā)展階段和塌孔程度并無(wú)影響。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

基于研制的光纖耦合體和BOTDA 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合上述模型，形成了適用于試驗(yàn)礦井的瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)(煤體密度ρ=1.451 g/cm3，鉆孔半徑r=6 cm)。為對(duì)該技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，采用該技術(shù)在礦井開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)施工工藝和設(shè)備連接如圖7所示。

圖7 瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工藝Fig.7 In-situ precise monitoring technology for gas drainage boreholes

瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工具體試驗(yàn)步驟包括：

(1)現(xiàn)場(chǎng)打鉆完成后參考下篩管技術(shù)，將1.5 cm 含光纖PVC 細(xì)管隨空心鉆桿送入120 m 鉆孔，PVC 細(xì)管間通過(guò)速凝膠水和快插接頭連接，孔底PVC 細(xì)管端頭加裝透水不透漿的纖維布，內(nèi)部需注漿約6 452.7 cm3。

(2)為防止注漿不到位、過(guò)程材料損耗，稱取所需120%的材料，將5.4 kg 環(huán)氧樹(shù)脂和2.7 kg 固化劑按2∶1 比例倒進(jìn)氣動(dòng)注漿泵，攪拌5 min，通過(guò)變徑接頭-注漿管-軟橡膠錐頭將氣動(dòng)注漿泵與PVC 細(xì)管連接后注漿，全過(guò)程需在45 min 內(nèi)完成。

(3)待改性環(huán)氧樹(shù)脂漿液全部注進(jìn)PVC 細(xì)管后，用軟橡膠塞封堵端口，等待48 h 環(huán)氧樹(shù)脂完全凝固，連接BOTDA 系統(tǒng)記錄初始應(yīng)變。

(4)隨后開(kāi)展退鉆作業(yè)將空心鉆桿撤出鉆孔，再次連接BOTDA 系統(tǒng)，開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間鉆孔應(yīng)變監(jiān)測(cè)工作。

(5)根據(jù)鉆孔沿程應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合適用于試驗(yàn)礦井的堵孔率計(jì)算數(shù)學(xué)模型式(3)，計(jì)算鉆孔沿程堵孔率，判斷鉆孔沿程變形塌孔情況，為后續(xù)鉆孔塌孔精準(zhǔn)防治提供參考。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用上述瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)120 m順層瓦斯抽采鉆孔變形塌孔情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，第1、第7、第30 天鉆孔沿程應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 第1、第7、第30 天鉆孔沿程應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.8 Monitoring results of strain along boreholes on the 1st,7th,and 30th days

由圖8 可知，第1 天空心鉆桿退出鉆孔后，A、B、C三處均有明顯應(yīng)變產(chǎn)生，C處信號(hào)最強(qiáng)，應(yīng)變峰值為43×10-6，遠(yuǎn)超A、B的14×10-6和12×10-6，但均處塌孔前期，并且A處應(yīng)變出現(xiàn)負(fù)值，表示有壓應(yīng)變產(chǎn)生；第7 天A、B、C三處垮落長(zhǎng)度分別增長(zhǎng)2.2、0.6 和1.2 m，應(yīng)變峰值增長(zhǎng)到58×10-6、23×10-6、85×10-6，A處孔周破壞惡化最為顯著，C處破壞最為嚴(yán)重，均進(jìn)入塌孔中期。同時(shí)D、E孔段監(jiān)測(cè)到明顯應(yīng)變，表明7 天內(nèi)兩位置孔周煤體從穩(wěn)定狀態(tài)逐漸到開(kāi)始失穩(wěn)塌孔，但尚處塌孔前期。

第30 天B和C兩處塌孔范圍和應(yīng)變激增，應(yīng)變峰值(481×10-6、912×10-6)遠(yuǎn)超塌孔后期理論上限121.52×10-6。表明鉆孔完全塌孔后在地應(yīng)力作用下仍被進(jìn)一步擠壓，煤塊間隙壓縮消失，此時(shí)鉆孔處完全堵孔狀態(tài)，仍可將其視為塌孔后期，堵孔率視為100%恒定。

鉆孔沿程部分孔段應(yīng)變始終為0，表明此位置孔壁完整，基本無(wú)煤體脫落，積聚的地應(yīng)力尚未超過(guò)煤體破壞閾值，將應(yīng)變、堵孔率始終為0 的孔段視為仍處塌孔前期。

結(jié)合前文分析對(duì)鉆孔變形塌孔的前、中、后3 個(gè)時(shí)期的界定進(jìn)一步完善，即：0≤ε≤45.95×10-6為塌孔前期，45.95×10-6＜ε≤72.19×10-6為塌孔中期，ε＞72.19×10-6為塌孔后期?；谏鲜鰬?yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)式(3)計(jì)算鉆孔沿程堵孔率，確定變形塌孔程度，結(jié)果如圖9 所示。結(jié)合鉆孔約20 m 位置第1、第7、第30 天鉆孔窺視圖，對(duì)鉆孔應(yīng)變和堵孔率隨時(shí)間的變化規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行分析。

圖9 第1、第7、第30 天鉆孔沿程堵孔率及鉆孔窺視圖Fig.9 Plugging rate along boreholes on the 1st,7th,and 30th days of monitoring and the borehole’s inside images

通過(guò)圖9 發(fā)現(xiàn)，鉆孔沿程均發(fā)生變形塌孔，且堵孔率隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)，除A、B、C、D、E五處孔段產(chǎn)生明顯塌孔外，其他孔段堵孔率隨時(shí)間變化較小，遠(yuǎn)小于26.64%均處塌孔前期。A、D、E孔段塌孔狀況隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷加劇，第1 天D、E尚未發(fā)生明顯塌孔，第7 天3 處孔段均處塌孔前期，僅A處部分孔段進(jìn)入中期，且在30 d 后進(jìn)入塌孔后期，D、E尚處塌孔中期。

與A、D、E相比，B、C處鉆孔塌孔破壞更加嚴(yán)重，從圖8 也可發(fā)現(xiàn)兩孔段部分位置30 d 后應(yīng)變遠(yuǎn)超121.52×10-6鉆孔被完全破壞處塌孔后期。尤其是C處大部分孔段第7 天即進(jìn)入塌孔中期，表明C處煤體存在大量構(gòu)造和原生裂隙，在地應(yīng)力和鉆孔施工擾動(dòng)作用下，孔周裂隙快速發(fā)育，煤體破壞加劇，剝落煤體迅速增加封堵鉆孔。而B(niǎo)處前后堵孔率差異懸殊，前半38.8～41.4 m 處塌孔中期，后半41.6～46 m 進(jìn)入塌孔后期，這可能是由于41.6～46 m 孔段被破壞的過(guò)程中釋放了大量積聚的地應(yīng)力，使得38.8～41.4 m 鉆周破壞減小。除0～8 m 封孔段在PVC 管保護(hù)下堵孔率始終為0 外，其他堵孔率為0 的孔段均未監(jiān)測(cè)到應(yīng)變，均處前期，未產(chǎn)生變形塌孔現(xiàn)象。

通過(guò)鉆孔窺視儀對(duì)20 m 位置第1、第7、第30 天的鉆孔變形塌孔情況進(jìn)行直接觀測(cè)，結(jié)果如圖9 所示，圖片顯示第1 天僅鉆孔底部有少量煤塊，鉆孔比較完整尚處塌孔初期；第7 天剝落煤體填充到鉆孔中部，鉆孔進(jìn)入塌孔中期；第30 天僅鉆孔頂部存在小塊空間，鉆孔堵孔嚴(yán)重，進(jìn)入塌孔后期。上述鉆孔窺視結(jié)果與A處20 m“前期-中期-后期”的變化趨勢(shì)一致，表明通過(guò)上述適用于試驗(yàn)礦井的瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)可準(zhǔn)確判斷鉆孔變形塌孔發(fā)育時(shí)期。

綜上所述，孔周應(yīng)力分布、原生裂隙和煤體力學(xué)性質(zhì)是造成鉆孔塌孔失穩(wěn)的主要因素，孔周應(yīng)力分布差距越大、構(gòu)造和原生裂隙越顯著，鉆孔越容易破壞失穩(wěn)，剝落煤體質(zhì)量和監(jiān)測(cè)應(yīng)變也就越大，結(jié)論與相關(guān)學(xué)者[40-41]研究相印證。通過(guò)鉆孔窺視圖和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明基于分布式光纖監(jiān)測(cè)、BOTDA 和堵孔率計(jì)算數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的適用于試驗(yàn)礦井的瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)可準(zhǔn)確判斷鉆孔的變形塌孔情況，可為瓦斯和鉆孔精準(zhǔn)防治提供參考。

5 結(jié)論

a.基于不同粒徑配比鉆孔堵孔模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將塌孔堵孔過(guò)程分成3 個(gè)階段。通過(guò)分段擬合構(gòu)建了光纖耦合體應(yīng)變、模擬煤樣堆積質(zhì)量與鉆孔變形塌孔間的表征關(guān)系。推導(dǎo)出了適用于試驗(yàn)礦井的鉆孔堵孔率計(jì)算數(shù)學(xué)模型。以應(yīng)變值0、45.95×10-6、72.19×10-6為臨界值，將鉆孔變形塌孔發(fā)育過(guò)程分為前、中、后3 個(gè)時(shí)期?？蔀殂@孔變形塌孔監(jiān)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

b.實(shí)際和理論堵孔率均隨著應(yīng)變?cè)黾酉群蟆熬徛?快速-緩慢”增長(zhǎng)，且趨勢(shì)一致。隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑢?shí)際與理論堵孔率間最大絕對(duì)誤差先變大后變小再變大。塌孔中期最大絕對(duì)誤差最大為19.48%，塌孔后期完全堵孔狀態(tài)下不同配比煤樣的mmax越接近mmax均值誤差越小。這與煤塊先在鉆孔底部堆積，隨后滑向兩側(cè)，最后在頂部聚集的堵孔過(guò)程相關(guān)。兩誤差處實(shí)際堵孔率均處各界限內(nèi)(26.64%＜ωactual＜76.3%，76.34%＜ωactual≤107.76%)，與理論判斷一致，對(duì)判定塌孔時(shí)期和嚴(yán)重程度實(shí)際并無(wú)影響。

c.以分布式光纖耦合體和BOTDA 技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆孔堵孔率計(jì)算數(shù)學(xué)模型，形成以應(yīng)變臨界值為指標(biāo)適用于試驗(yàn)礦井的瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可為試驗(yàn)礦井瓦斯抽采鉆孔精準(zhǔn)智能化發(fā)展提供參考。

d.開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)全孔段堵孔率進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)鉆孔沿程的變形塌孔發(fā)育階段進(jìn)行了評(píng)估和劃分，并結(jié)合鉆孔窺視圖對(duì)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，該精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)判斷與鉆孔窺視實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本吻合，該精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施技術(shù)工藝可行、可靠。

符號(hào)注釋：

m為煤樣質(zhì)量，g；mmax為完全堵孔狀態(tài)下的質(zhì)量極值，g；為不同配比模擬煤樣在完全堵孔狀態(tài)下的質(zhì)量極值均值，g；r為試驗(yàn)礦井的抽采鉆孔半徑，cm；t為環(huán)境溫度，℃；t0為室溫，℃；vB為布里淵頻移，MHz；V為煤樣體積，cm3；Vactual為實(shí)際堵孔體積，cm3；Vtheory為理論單位體積，cm3；Vmax為模擬堵孔段體積極值，cm3；α為填充率；ε為光纖應(yīng)變；ε0為室溫下的光纖初始應(yīng)變；ω為鉆孔堵孔率；ωactual為實(shí)際堵孔率；ρ為試驗(yàn)礦井煤體密度，g/cm3；ρb為煤樣堆積密度，g/cm3。