基于光纤光栅的煤层瓦斯钻孔塌孔位置表征试验研究

张 超 ，程仁辉 ，黄晓昇 ，范富槐 ，段晨烨

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院, 陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室, 陕西 西安 710054）

0 引 言

我国煤层赋存条件复杂多变，矿井瓦斯灾害严重，以大柳塔、上湾、保德等为代表的千万吨级高强度开采矿井群相继出现了深部开采动力现象[1-3]。在瓦斯治理过程中，瓦斯抽采钻孔的成孔质量是决定瓦斯抽采效率的重要因素[4-6]。受地应力、采动等影响，瓦斯抽采钻孔易塌孔变形，常用的“注浆加固技术”“筛管护孔技术”“机械式疏通技术”和“水射流疏通技术”等钻孔修复技术对钻孔的支护修复存在盲目性，造成大量的时间及经济成本浪费[7-9]。钻孔监测是解决钻孔塌孔问题的先决条件，对钻孔进行塌孔监测可掌握钻孔的状态信息，有效预防钻孔塌孔情况的发生，同时可为钻孔优化布置提供服务，对加深钻孔精细化作业进程，大大提高钻孔瓦斯抽采效果起到积极作用。为实现钻孔精准支护目标，钻孔孔内塌孔情况的精准监测至关重要。

随着钻孔精细化作业进程的推进，传统的钻孔塌孔监测技术无法达到钻孔精细化目标。目前针对钻孔监测的研究多聚焦于孔周裂隙方面，如钻孔冲洗液法及声波法等。钻孔冲洗液法[10]主要是通过钻进过程中所消耗的钻进冲洗液的量、钻进速度、卡钻等情况判断孔内裂隙发育情况。杨荣明等[11]通过钻孔冲洗液法监测了神东矿区覆岩破坏情况。声波法是根据声波在不同介质中传播情况不同确定介质的内部情况，常用来通过钻孔判断顶底板裂隙发育情况。张凯等[12]研究了声波速度与煤样孔隙的关系，为声波波速预测煤层孔隙率提供基础。王云刚等[13]利用次声波监测低围压下煤样破裂失稳过程。任敏等[14]通过阵列声波资料预测了煤系地层压裂裂缝高度。对于瓦斯抽采钻孔孔内情况的监测研究较少，主要为内窥法，如赵洪宝等[15]研发了一种瓦斯抽采钻孔稳定性动态监测装置，通过采集地应力间接判断钻孔的稳定性情况。崔峰等[16]运用超高清全智能孔内电视对孔内情况进行实时监测，分析不同阶段孔壁破坏情况，研究孔内裂隙发育演化规律。内窥法监测钻孔情况可以直观准确反映孔内裂隙的发育情况，但下放与回收设备较为困难，且易受孔内煤体的干扰，视频拍摄不清晰，同时钻孔内窥法是在钻孔钻进完成后对钻孔进行监测。上述对钻孔监测的方法均不适合对本煤层瓦斯抽采钻孔塌孔情况进行监测。亟需提出一种适用于钻孔的精准监测技术，动态掌握钻孔信息，采取相应措施提前对钻孔易失稳区域预支护，提高瓦斯抽采率。

光纤光栅应变传感器是一种以光学信号为传输载体的高精度监测元件，具有极强的抗电磁干扰、耐腐蚀、防水防潮、传输损耗小等优点，在岩石及煤矿等地下工程领域应用广泛。魏世明等[17]利用光纤光栅有效监测了采动下围岩三维应力状态及其变化规律。文献[18-20]将光纤光栅监测技术应用于煤层顶底板突水等矿压监测方面。文献[21-24]将光栅传感器应用于巷道锚杆受力监测。闫文超等[25]采用应变光栅传感器监测钻孔围岩压力。目前对于光纤光栅监测技术应用于钻孔塌孔监测方面研究较少，上述学者研究均表明了光纤光栅在煤矿井下乃至钻孔中应用的可行性。

基于上述分析，笔者针对孔内塌孔情况不明，提出了一种基于光纤光栅的钻孔塌孔监测技术，阐述了光纤光栅塌孔监测原理，搭建物理模拟试验平台开展了不同塌落煤量下3 种光栅布置方式（0°、90°、180°）的钻孔模拟试验，研究了光栅测量波长偏移量及抽采流量与塌落煤量的变化规律，划分了钻孔塌孔等级，并在现场进行验证。

1 光纤光栅监测塌孔原理

光纤光栅的形成是光使光纤产生轴向的折射率周期性变化，形成永久性空间的相位光栅[26-28]。整体结构主要由纤芯、包层及涂覆层3 层结构组成，如图1 所示。当光纤光栅受到外部环境的刺激，内部纤芯上的光栅栅距发生变化，致使反射光的传播途径发生变化，引起接收光信号的波长偏移量变化，以这种接收的波长偏移量的变化可以表征影响栅距变化的外部刺激给与的物理信号。

图1 光纤光栅结构示意Fig.1 Schematic of fiber bragg grating structure

光纤光栅传感器对塌孔情况的监测主要通过塌落煤量掉落在传感器上，使光纤光栅栅距发生变化，引起光信号的变化，从而达到监测目的。为了实现对钻孔孔内塌孔情况的监测，确保煤样塌落会直接与光纤光栅传感器进行接触，选取光纤光栅传感器保护性封装中的表贴封装式结构，如图2 所示。通过在基体材料上等距离串联多个表贴式光纤光栅传感器，如图3 所示，并将串联好的传感器与基体材料一起送入钻孔中，当孔内发生塌孔变形时，塌落煤量引起传感器基体材料发生变形，距离该形变不同位置的光栅测点所反射回的光信号中心波长偏移量不同。如图3 所示，当测点B附近发生煤体垮落，测点B反射回的光信号中心波长偏移量明显较大，相邻测点A、C的测量波长偏移量较小。在钻孔中通过测点点位的布置及定位发生偏移量的测点位置即可确定钻孔塌孔位置，同时根据测点反射回的波长偏移量变化值及应变传递效率解算公式可以推断该测点附近钻孔塌落煤体质，从而实现钻孔塌孔位置的监测。

图2 表贴式光纤光栅结构Fig.2 Structure of surface mounted fiber grating

图3 光纤光栅传感器定位原理Fig.3 Positioning principle of fiber grating sensor

应变传递效率解算公式：

2 光纤光栅塌孔表征试验

2.1 试验系统搭建

根据上述光纤光栅塌孔监测原理，搭建光纤光栅塌孔表征试验模拟平台，如图4 所示。该平台由钻孔塌孔模拟系统、抽采模拟系统及光纤光栅监测系统构成，如图5 所示。塌孔模拟系统及抽采模拟系统，能够实现钻孔塌孔以及抽采过程的模拟试验，光纤光栅监测系统用于监测试验过程中煤样质量引起的光纤光栅测量波长偏移量。

图4 试验平台系统示意Fig.4 Schematic of experimental platform system

图5 试验平台系统实物Fig.5 Physical diagram of experimental platform system

1）光纤光栅监测系统。光纤光栅监测系统主要由表贴式光纤光栅传感器、解调仪及上位机构成。

使用的光纤光栅测点栅区长度L为10 mm，中心波长λb介于1 555～1 565 nm，反射率neff为93.69%，边膜抑制比为15～16 dB（图6）。在光纤光栅传感器实际应用中，光栅监测精度受光栅封装效果影响极大，表面粘贴封装式的光栅测量精度主要受基体材料及粘贴层特性影响。表贴式光纤光栅的基体材料选用PVC 管，粘贴层选用双组分热固化环氧树脂胶（353ND）。固化后胶层长度约为20 mm，宽度约为10 mm，胶层厚度约为1 mm。

图6 光纤布拉格光栅及连接方式Fig.6 Fiber bragg grating and connection mode

光纤光栅解调仪可以直接检测出外界物理量变化引起的波长偏移量变化，从而推算物理量变化情况。选用ZX-FP-C04 便携式高精度解调仪，在解调监测系统中设有温度补偿标准具，能够实现温度补偿自动校准，降低温度对光纤光栅监测数据的影响。

上位机主要是通过软件控制解调仪，调节试验参数，实现对压力、应变等参数的实时监测。

2）钻孔塌孔模拟系统及抽采模拟系统。钻孔模拟系统由PVC 管、三通及密封堵头组成。选用直径为120 mm 的PVC 管模拟钻孔，在管中间位置加装三通接头用于模拟钻孔的塌孔，管内设有固定夹固定光栅基体，在管的每个接口处均设有堵头便于密封钻孔，避免后期钻孔抽采试验漏气，影响试验效果。试验目的为模拟塌落煤量对光纤光栅传感器的影响，因此选取PVC 管1∶1 模拟钻孔孔径即可满足试验要求，同时PVC 管易加工，便于加装固定夹等装置。

抽采模拟系统由流量计及抽气泵组成。流量计型号为LZB-10WB，量程为5～45 L/min；抽气泵选用XP-105 系单级油循环旋片式真空泵，最大抽气速率达30 L/min，通过软管与钻孔模拟平台连接，实现对钻孔实际抽采过程的模拟。笔者仅研究钻孔塌孔导致的抽采流量变化情况。

2.2 试验方案

选取的表贴式光纤光栅传感器与基体材料在不同位置监测应力变化时，试验的监测结果不同。试验为了探究传感器位于基体材料不同位置对监测结果的影响，选取3 种典型角度设计光纤光栅偏转0°、90°、180° 三组试验，如图7 所示。

图7 表贴式光纤光栅Fig.7 Surface mounted fiber grating

在试验开始前需要先调试光纤光栅解调仪，首先将准备好的光纤光栅传感器与解调仪进行连接，同时打开上位机设置通道检测阈值为9 000；其次根据设备自带的温度补偿设置相关参数完成温度补偿自动校正；最后以光纤光栅应变与应变传递效率方程计算光纤光栅应变参数，进行应变参数设置。

基于上述光纤光栅塌孔监测原理，试验以波长偏移量表征塌落煤量的质量。解调仪调试完成后，实时监测光纤光栅波长的曲线变化情况，曲线变化前后光栅测量波长的差值即为光纤光栅测量波长偏移量。在试验开展过程中，塌落煤量的不同所监测得到的波长偏移量有正负之分，为了便于后期数据的统计分析，文中波长偏移量的值均取其绝对值。

在上述试验方案及设备调试工作完成后，进行塌孔表征试验，具体步骤如下：

1）设备连接。将附有光纤光栅传感器的PVC管固定在钻孔模拟平台中，光栅封装区域位于直接落煤点一侧，光纤通过堵头上的FC 接口与调试好的光纤光栅解调仪相连；用堵头封堵钻孔模拟平台两端，检查试验系统整体气密性。

2）模拟钻孔煤块塌落。从钻孔模拟平台上方开口投放煤样，用密封管堵住煤样投放管道，用堵头密封，尽可能避免在投放管道下缘产生涡流，减少对抽采数据的影响；开启抽气泵，抽气速率为30 L/min。

3）记录数据。当检测到光纤光栅返回光信号中心波长稳定以后，记录此时的光栅中心波长，同时记录本次试验抽气流量变化。

4）设备整理。暂停抽采模拟系统，从另一侧倒出煤样，清理细碎煤屑，准备进行下一组试验。

2.3 煤样制备

煤样取样地点位于山西潞安集团漳村煤矿2802工作面。将煤样进行随机破碎，粒径大小不一，与钻孔垮落煤块相仿，以此模拟钻孔实际塌孔情况。

将煤样按照表1 设计塌落煤量，用于3 种不同光纤光栅偏转角度的塌孔表征试验，分为A、B、C 3 组。同时，为研究煤样粒径差距导致的监测数据差异，将相同重量级的煤样分为粒径较大组和粒径较小组。

表1 各组煤样质量分组Table 1 Classification of quality of coal samples in each group

3 试验结果分析

3.1 塌孔表征试验结果

A 组试验（光纤光栅偏转0°）所使用光纤光栅封装后的反射率为93.69%，初始中心波长为1 555.077 nm。各煤样的测量波长与初始波长的差值即为中心波长偏移量Δλ。B 组试验（光纤光栅偏转90°）所使用光纤光栅封装后的反射率为94.36%，初始中心波长为1 555.198 nm。C 组试验（光纤光栅偏转180°）所使用光纤光栅封装后的反射率为92.78%，初始中心波长为1 555.207 nm。试验过程中，将3 组煤样实际质量与测量波长偏移量绘制成散点图，如图8 所示。

图8 3 组煤样试验数据拟合曲线Fig.8 Fitting curve of experimental data of three groups of coal samples

由文献[29]可知，当光纤光栅材质一定时，光栅测量中心波长偏移量与监测到的应变具有良好的线性关系，而煤样质量与引起的应变之间也具有良好的线性关系，可以得出光栅测量波长偏移量与煤样质量之间线性相关，故选用线性函数对各组试验数据的散点图进行拟合分析。

A 组试验数据散点图拟合曲线的拟合度R2=0.940 02，显然，试样质量m与中心波长偏移量Δλ有着较好的线性关系，用波长偏移量Δλ表征试样质量m的方程为：m=4.353Δλ。A 组试验中，在煤样质量位于100～200 g 时，监测结果变化幅度较大，这是由于煤样直接敲击传感器导致数据变化明显。

B 组试验数据散点图拟合曲线的拟合度R2=0.868 39，显然，试样质量m与中心波长偏移量Δλ有着一定的线性关系，用波长偏移量Δλ表征试样质量m的方程为：m=11.001Δλ。在B 组试验中，煤样质量低于100 g 时，监测结果有极大的不确定性，即使进行重复试验也无法消除这种影响。由图8b可以看出，监测数据波动较大，与拟合曲线之间较为离散，拟合度不高。

C 组试验数据散点图拟合曲线的拟合度R2=0.989 43，显然，试样质量m与中心波长偏移量Δλ有着良好的线性关系，用波长偏移量Δλ表征试样质量m的方程为：m=3.017Δλ。

3.2 抽采模拟试验结果

现场实际单孔瓦斯抽采流量往往受多种因素影响，试验仅考虑塌孔对钻孔瓦斯抽采流量的影响。用各组煤样波长偏移量表征抽采流量变化，将所得的抽采模拟数据散点图进行拟合，得到A、B、C 组抽采流量与波长偏移量的拟合关系如图9 所示。

图9 模拟抽采试验数据拟合曲线Fig.9 Fitting curve of simulated pumping test data

由图9 可知，3 组的拟合效果均较好，通过观察三组的拟合曲线，可以发现随着偏转角度的变化，拟合曲线的斜率也在改变，图中斜率变化为A>B>C。同时由图9 可以明显看到，C 组的数据基本与拟合曲线重合。表明C 组受监测结果受落煤影响较小，监测结果较其他2 组更为准确。

综合分析A、B、C 3 组试验过程中塌落煤量的分布情况，可知，当光栅附在PVC 管上布置在钻孔中时，钻孔顶部及侧孔壁所塌落的煤块往往倾向于填充PVC 管两侧空间，因此，光栅测量波长偏移量所表征的塌落煤体质量仅能反映实际塌落煤量的一部分。A 组光栅测点朝上布置，当有较大质量煤块垮落时，光栅测点易受损破坏；B 组光栅测点布置方式在另一侧会有“监测盲区”，这也是导致B 组试样监测数据线性关系较差的主要原因；C 组测点布置方式能有效避免煤块垮落时破坏光栅测点，同时，从各组试验数据可知，C 组试样监测数据线性关系最好，即当光栅偏转角度为180°时，中心波长偏移量Δλ与试样质量m以及抽采流量Q之间函数关系最为明显，因此钻孔塌孔监测技术的采用C 组光栅测点布置方式，即将光栅测点均布置在基体材料下方。

3.3 塌孔严重程度分级

由上述试验结果可知，中心波长偏移量Δλ与试样质量m以及抽采流量Q之间关系较为明显，故可通过监测波长偏移量变化值来表征塌落煤量及抽采流量。以检测到的波长偏移量为横坐标，将C 组试验所得的质量及流量数据汇总，如图10 所示。

图10 C 组试验数据及塌孔情况Fig.10 Group C experimental data and hole collapse

C 组中心波长偏移量Δλ与试样质量m试验数据拟合曲线方程为m=3.017Δλ，将钻孔抽采流量衰减比率作为评判指标，用波长偏移量表征塌落煤量，可将实际钻孔塌孔情况划分为以下3 个等级：

Ⅰ级塌孔：当模拟抽采流量降为27 L/min 时，监测光栅波长偏移量为19.6×10-12m，对应落煤质量至少为59.2 g。此时钻孔抽采效率降至90%，钻孔内垮落煤量较少，属于轻微塌孔，对瓦斯抽采效果影响较小，无需进行处理。

Ⅱ级塌孔：当模拟抽采流量降为15 L/min 时，监测光栅波长偏移量为99.8×10-12m，对应落煤质量至少为301.4 g。此时钻孔抽采效率降至50%，属于较严重塌孔，对瓦斯抽采效果影响较大。

Ⅲ级塌孔：当模拟抽采流量低于15 L/min 时，监测光栅波长偏移量大于99.8×10-12m，对应落煤质量远大于301.4 g。此时钻孔抽采效率降至50%以下，属于严重塌孔，严重影响瓦斯抽采效果。

4 现场试验

为了更好地验证光纤光栅塌孔监测技术，选取山西潞安环保能源开发股份有限公司漳村煤矿2802工作面开展现场试验。漳村煤矿隶属于高瓦斯矿井，煤层埋深465～585 m，其中2802 工作面巷道长度2 050 m，开切眼长度300 m，煤层平均厚度 5.85 m。钻孔布置方式为三花布置，钻孔高位孔为2.0 m、低位孔为1.5 m；钻孔长度为160 m，钻孔直径113 mm，钻孔间距为2.5 m。

现场共监测钻孔数5 个，从钻孔孔口20 m 后（跳过钻孔密封段）开始监测，监测长度为140 m，平均1 m 设置1 个监测测点。监测的5 个钻孔中，2 号、5 号钻孔塌孔程度较轻，仅有小段区域塌孔且最高塌孔等级达到Ⅱ级；1、3、4 号钻孔塌孔情况较为严重，均达到Ⅲ级塌孔，其中1、3 号钻孔严重塌孔段位于钻孔孔口段，4 号钻孔位于钻孔中后段。文中以4 号钻孔的监测数据为例进行分析，统计钻孔密封完成第1、7、30 天的监测的钻孔波长偏移量结果如图11所示，其中光栅布置位置即相对钻孔孔深位置，与孔深相同。

图11 钻孔在封孔后1、7、30 d 后波长偏移量的变化Fig.11 Change of wavelength offset of boreholes 1, 7 and 30 days after hole sealing

图11 中，灰色、蓝色及白色分别代表钻孔的塌孔等级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级塌孔。由图11 可知，钻孔密封完成第1 天，达到Ⅱ级塌孔的主要有2 处，分别位于32～34、100～110 m 处，其中102～105 m 测点处达到Ⅲ级塌孔，垮落煤体质量至少为1 220.1 g。封孔7 d 后达到Ⅱ级塌孔的主要有2 处，分别位于30～36、96～112 m 测点处，其中96～112 m 测点处达到Ⅲ级塌孔，垮落煤体质量至少为8 214.4 g。封孔30 d 后塌孔情况基本稳定，钻孔全段基本达到Ⅱ级塌孔，分别在30～36、55～64、133～135 m 处塌孔变形较大，在96～112 m 测点处达到Ⅲ级塌孔，垮落煤体质量至少为11 098.5 g。综上所述，该钻孔封孔后1 个月内，在深孔段96～112 m 处发生严重塌孔现象。

整体观察图11 可知，钻孔在密封完成发生塌孔后，随着瓦斯的抽采该段附近发生塌孔的情况会逐渐加重，同时塌孔区域会适当加大，由此可知第1 天监测的塌孔数据可为后期钻孔塌孔区域提供参考。因此，在实际矿井工程作业中，可在钻孔作业完成时对钻孔开展监测工作，提前确定钻孔塌孔区域，并采取支护手段减少塌孔情况的发生。

通过对监测得到的塌孔情况进行钻孔支护处理，如下放筛管，水力冲孔等方法，统计5 个钻孔支护前后各30 d 的抽采数据，如图12 所示。

图12 钻孔修复前后抽采数据对比Fig.12 Comparison of extraction data before and after borehole repair

图12 中，黄线为钻孔支护后抽采数据的拟合曲线，蓝线为支护前抽采数据的拟合曲线。2 号、5 号钻孔塌孔情况较轻未进行修复，故抽采数据无明显变化； 1 号、3 号、4 号钻孔修复后抽采纯量有明显提升。综合统计监测钻孔修复前后的抽采数据，修复后的钻孔30 d 抽采纯量均值为0.231 5 m3/min，相较于修复前的0.168 0 m3/min，采用合适钻孔修复工艺后钻孔抽采纯量提升37.79%。

5 结 论

1）提出了煤层瓦斯抽采钻孔塌孔精准监测技术，阐述了光纤光栅塌孔监测原理，基于表贴式光纤光栅传感器基体材料变形引起光栅栅距变化原理，以光栅测量波长偏移量表征钻孔塌落煤量，通过在钻孔内布置光栅测点监测孔内煤体塌落量，监测钻孔塌孔情况。

2）搭建了钻孔塌孔表征试验平台模拟塌孔过程及抽采过程，试验设计偏转0°、90°、180° 3 种光栅布置方式，得到了光栅测量波长偏移量与塌落煤量的线性关系，抽采流量与塌落煤量呈负相关关系，表明了波长偏移量变化值可以表征塌落煤量及抽采流量。

3）得到了光栅测点位于基体材料下方的布置方式（C 组），塌孔监测准确度最高，此时中心波长偏移量Δλ与试样质量m试验数据拟合曲线方程为m=3.017Δλ。并以抽采流量衰减比率作为塌孔评判标准，按照原有抽采流量阈值90%、50%将钻孔塌孔情况分为3 个等级。

4）在潞安集团漳村煤矿2802 工作面开展现场监测试验，得到了钻孔后期塌孔位置分布与打钻完成后初期相近，且试验的5 个钻孔在修复后抽采纯量较未修复提升37.79%。