姜曉東 秦金輝 高保彬

（1.山西焦煤霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西 霍州 031400；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454003）

目前確定煤層頂板覆巖變形破壞范圍的方法有經驗公式法、地球物理方法、理論分析和數(shù)值分析法、井下施工鉆孔進行探測等。經驗公式法是根據煤層的傾斜角度和煤層覆巖巖性等列出了一組經驗計算公式[1]。地球物理方法是采用探測數(shù)值模擬、相似材料物理模擬以及現(xiàn)場試驗的方法，對采動裂隙巖體的電性特征和波場特征進行系統(tǒng)的分析[2-5]。理論分析和數(shù)值分析法是對不同時期巖層的應力分布以及覆巖的破斷機理進行理論分析，并運用數(shù)值模擬軟件對覆巖體的變形破壞過程進行數(shù)值模擬[6-9]。井下鉆孔電阻率法根據采動進度測取不同時期巖層電場變化特征，對巖層變形與破壞規(guī)律進行全面的分析研究，獲得煤層采動過程中上覆巖層變形與破壞動態(tài)發(fā)育規(guī)律[10-11]。上述方法能夠判斷覆巖變形破壞范圍，但不具備動態(tài)探測。近年來，隨著光纖技術的發(fā)展，基于光纖的監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦安全監(jiān)測中的發(fā)展和使用有所增加[12-15]，毛靈濤等[16]以自行研制的GWG200（C）型光柵位移傳感器為基礎，實現(xiàn)了頂板離層及圍巖變形實時地面自動監(jiān)測和現(xiàn)場遙控監(jiān)測。SHI Bin 等[17-18]采用基于布里淵光學時域反射儀的分布式光纖傳感技術，研究了上覆巖體的應變分布及其隨時間的變化規(guī)律，為計算導水裂隙帶發(fā)育高度和冒落帶的高度開辟了新的途徑。

該文基于光纖光柵法探測精度較高，能夠實現(xiàn)覆巖裂隙的動態(tài)探測的特點，結合布里淵散射光時域反射（BOTDR）技術原理，采用光纖光柵動態(tài)監(jiān)測技術對煤礦頂板“三帶”發(fā)育過程進行監(jiān)測和成果解釋，以確定采空區(qū)上方裂隙帶準確高度，為裂隙帶鉆孔精確布置和瓦斯高效抽采提供依據。

1 基本原理

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在光纖內部形成空間相位光柵。制作完成后的光纖光柵相當于在光纖中形成了一段敏感區(qū)，該區(qū)域波長在溫度、應變等作用下發(fā)生偏移，在進行溫度補償之后，可以得到波長變化與應變之間的關系：

式中：Δλ為光纖光柵中心波場的變化量；λB為光纖光柵峰值反射波長；Kε為光纖光柵軸向應變靈敏系數(shù)；ε為應變量。

當覆巖發(fā)生變形時，原有的應力應變特征發(fā)生改變，利用相關技術可以獲得光纖光柵傳感器所在位置應力應變信息。根據上述原理，提出用光纖光柵監(jiān)測分析法對李雅莊煤礦2-607 工作面覆巖裂隙帶發(fā)育特征進行動態(tài)監(jiān)測的方法。

2 現(xiàn)場實踐及成果分析

2.1 光纖光柵制作

本次探測使用的信號光纜為具有強抗拉性、強耐磨性的孔中專用光纖光柵動態(tài)監(jiān)測光纜。根據所設計的裂隙帶探測精度要求，一個光柵占4 個nm，測試光柵確保每道光柵連通良好。

L1、L2 光柵串的長度120 m，串接20 個光柵，光柵間隔4 m。如圖1 所示，其中 L1 是從尾端3 m處刻、L2 是從尾端5 m 處第一個光柵。兩光柵串中的光柵交叉布置，形成2 m 間隔的光柵測點。溫度傳感器封裝在鋼管里，共布置10 個光柵，溫度光柵串L3 的長度為120 m，第一個光柵布置在距離孔底2 m 處，間隔10 m 布置一個光柵。

圖1 光纖光柵設計（m）

2.2 監(jiān)測工程設計

鉆孔設計：本次光纖光柵動態(tài)探測布置1 個鉆孔進行探測。在2-607 工作面正巷停采線以北東15 m 處布置鉆場，施工1 個鉆孔，鉆孔方位角為244°，傾角為52°，探測范圍的最大高度控制煤層頂板上約65 m。

光纜布置：將傳感光纜放置于外徑為40 mm 規(guī)格的PVC 管內，在指定的位置捆綁在一起形成一整體。以PVC 管為持力桿，根據光柵順序依次投送到孔中，用水泥漿將鉆孔注實。

現(xiàn)場安裝：現(xiàn)場安裝時，由于孔頂塌孔，實際安裝深度78.85 m。鉆孔布置光柵40 個，光柵距為2 m；布置130 m 長的分布式應變溫度光纜，孔內長度為78.85 m；布置10 個光纖溫度補償傳感器。共用5 芯井下到地面的傳輸光纖與地面的解調儀連接，其中光纖光柵纜和溫度補償傳感器接入到光纖光柵解調儀，分布式光纖應變溫度光纜接入到分布式光纖應變溫度解調儀。具體布置情況如圖2。

圖2 光纖光柵布置圖

2.3 光纖光柵數(shù)據監(jiān)測

自2020 年10 月22 日 至2020 年11 月11 日，獲得了388 次有效光纖光柵動態(tài)監(jiān)測數(shù)據，500 多次的分布式光纖應變溫度監(jiān)測數(shù)據。每天選出一組數(shù)據，去除不可用數(shù)據，得到如圖3 所示的光纖光柵全鉆孔監(jiān)測數(shù)據。

圖3 光纖光柵全鉆孔監(jiān)測數(shù)據

光柵從孔口開始編號，第一個光柵為s11，第二個光柵為s12，后面依次類推。從圖中可以看出，光纖光柵監(jiān)測到壓應變較大主要分布在三處。在2020 年10 月24 日20:45，距離孔口57 m 處的s16監(jiān)測值為-1161με；距離孔口69 m 處的s19 監(jiān)測值為-1078με；距離孔口49 m 的s14 監(jiān)測值為362με。在2020 年10 月24 日20:00 時，工作面推進至距孔口70 m 處，鉆孔57 m、69 m、49 m 處分別位于煤層頂板33.79 m、47.36 m、23.26 m。其中鉆孔49 m 處的垂直投影正好位于工作面推進位置，這些數(shù)據確定了裂隙帶的發(fā)育層位。

2.4 分布式光纖應變溫度監(jiān)測數(shù)據

光纖光柵纜強度遠遠小于BOTDR 應變光纜的強度，2020 年10 月24 日20:45 至21:45 光纖光柵纜斷裂時，BOTDR 應變光纜并沒有斷裂。光纖光柵斷裂時對應巖層發(fā)生了小裂隙，而導致BOTDR應變光纜斷裂的是強度較大的巖層斷裂。BOTDR應變光纜斷裂數(shù)據見表1。

表1 BOTDR 應變光纜斷裂數(shù)據統(tǒng)計表

從工作面距離孔口水平距離80 m 處開始監(jiān)測，到距離7 m 時停止監(jiān)測。從表1 可以看到，隨著工作面逐漸向前推進，鉆孔內的破裂點逐漸向前推移。在2020 年11 月11 日光纖光柵纜斷裂時工作面距離孔口水平距離為7 m 時，從孔口0 ～22 m 段仍然沒有產生大的斷裂，光纜斷裂處距離孔口距離主要在22～64 m 范圍內，即鉆孔破裂點到工作面頂板垂直距離主要位于16.09～46.81 m 的范圍內。

結合光纖光柵斷點數(shù)據和分布式光纖應變監(jiān)測數(shù)據，并與地層結構對應關系分析可以看出有3 個巖層破裂主要分布區(qū)域。分布式光纖應變數(shù)據持續(xù)增大，并在對應位置發(fā)生斷裂。主要光纜斷裂點到煤層頂垂直距離H分別為24 m、34 m 和47 mm，其中24 m 和47 m 的斷裂位于砂巖中。使用光纖傳感動態(tài)監(jiān)測方法測得的裂縫最大高度為53 m。

3 瓦斯鉆孔設計及抽采效果

3.1 鉆孔施工

李雅莊煤礦2-618 工作面布置的4 個裂隙帶2～4#鉆場采用裂隙帶定向水平長鉆孔。3#裂隙帶鉆場設計布置5 個鉆孔，鉆孔主孔長度350 m，孔徑Φ153 mm，其中1#鉆場距迎頭90 m，采用普通鉆孔施工低位裂隙帶鉆孔，作為定向裂隙帶鉆孔的補充，光纖光柵動態(tài)監(jiān)測法分析結果確定，實現(xiàn)對煤層頂板23.6～50.6 m 的全覆蓋。其中1#和2#孔為上隅角抽采試驗鉆孔，3～5#孔為裂隙帶鉆孔。具體施工參數(shù)見表2。

表2 2-618 工作面3#裂隙帶鉆場鉆孔施工參數(shù)

3.2 抽采效果分析

2-618 工作面3#裂隙帶鉆場2 月2 日投入使用，前期和2#裂隙帶鉆場聯(lián)合抽采，4 月9 日4#裂隙帶鉆場投入使用，3#鉆場10 日回撤，共計抽采65 d。各鉆孔抽采效果見表3。

表3 不同層位瓦斯抽采效果對比

根據表3 中各鉆孔抽采效果對比，可以得出以下結論：

1）1#和2#鉆孔，由于布孔層位較低，其抽采濃度及抽采量均較低，不在動態(tài)監(jiān)測確定的最佳抽采層位內。

2）3#鉆孔抽采效果較2#鉆孔有一定提高，其布孔層位在動態(tài)監(jiān)測確定的兩個最佳抽采層位的中部，說明該層位有裂隙帶發(fā)育，但裂隙貫通性差，瓦斯不易在該層位聚集。

3）4#鉆孔位于動態(tài)監(jiān)測確定的最佳層位的頂部，平均抽采濃度最大，而抽采純量增加不明顯，說明該層位裂隙帶發(fā)育逐漸減弱，聚集有高濃度的瓦斯。

4）5#鉆孔位于動態(tài)監(jiān)測確定的最佳抽采層位，瓦斯抽采效果最好，說明裂隙帶在該層大量發(fā)育，且貫通性較好，容易聚集大量的瓦斯，為裂隙帶瓦斯抽采的最佳層位。

2-618 工作面3#裂隙帶鉆場平均抽采純量為12.84 m3/min，2 月28 日抽采純量達到最大18.1 m3/min，單孔抽采純量達到8.3 m3/min，為李雅莊煤礦裂隙帶定向水平長鉆孔抽采以來的最大值，以往鉆場最大抽采純量為12.6 m3/min，單孔最大抽采純量為3.9 m3/min，抽采效果有了顯著的提高。2-618 工作面3#鉆場瓦斯抽采純量變化曲線如圖4。

圖4 2-618 工作面3#鉆場瓦斯抽采純量變化曲線

4 結論

1）光纖光柵動態(tài)監(jiān)測分析法能夠適用復雜復合型高地應力頂板裂隙帶發(fā)育規(guī)律動態(tài)監(jiān)測，精確確定裂隙帶充分發(fā)育區(qū)域，指導裂隙帶鉆孔施工。

2）通過光纖光柵動態(tài)監(jiān)測法對裂隙帶發(fā)育過程動態(tài)監(jiān)測分析，確定了李雅莊煤礦2#煤層頂板裂隙帶發(fā)育高度，明確了煤層頂板24～47 m 裂隙帶鉆孔抽采最佳層位。

3）2-618 工作面3#裂隙帶鉆場抽采應用驗證了光纖光柵動態(tài)監(jiān)測分析法確定裂隙帶最佳抽采層位的準確性，通過優(yōu)化裂隙帶鉆孔布孔層位，裂隙帶鉆孔抽采效果明顯提高，單孔抽采純量達到8.3 m3/min，上隅角及回風流瓦斯?jié)舛鹊玫接行Э刂疲稍谕惖V井推廣應用。