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 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所，陜西 西安 710065)

隨著煤礦開采深度增加，瓦斯事故頻發(fā)，防治瓦斯災害的根本方法是進行煤層瓦斯抽采[1]。然而，受地應力及擾動等因素影響，鉆孔極易產(chǎn)生變形、坍塌，嚴重影響瓦斯抽采效果[2]。全孔段篩管護孔技術[3-4]雖可有效解決上述問題，但當塌孔長度和頻率較低時，反而會浪費大量人力物力，如何實現(xiàn)精準支護成為主要研究方向。其中，鉆孔變形塌孔動態(tài)演化規(guī)律和精準監(jiān)測技術研究是實現(xiàn)鉆孔精準支護亟待解決的重要前提。

國內(nèi)外學者通過煤心采取法[5]、超聲波技術[6]、測井技術[7]和鉆屑法[8]等手段間接開展鉆孔監(jiān)測。LI Wei等[9]通過對煤心堅固性系數(shù)、孔隙體積等參數(shù)的測定，結合原位應力測試和數(shù)值模擬，得到了鉆孔經(jīng)過斷裂帶時的沿程應力分布。WANG Jinchao 等[10]提出了多陣列超聲掃描技術，通過該技術可獲取不同深度鉆孔形狀數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對孔壁的三維檢測。HUANG Dan 等[11]基于隨鉆測井技術，通過多個定向鉆孔提取礦區(qū)地質(zhì)信息，建立的斷裂帶分段識別法可實現(xiàn)對斷裂帶的精準定位。Liu Du 等[12]基于煤心取樣、地質(zhì)強度指數(shù)(Geological Strength Index，GSI)和測井數(shù)據(jù)，構建了GSI 預測模型，對煤層氣井壁的煤體結構進行識別判斷，為水力壓裂提供指導。部分學者[8,13]通過鉆屑和鉆進參數(shù)對鉆孔煤體應力分布進行了研究。岳立新等[14]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與煤體應力負相關，鉆屑量與煤體應力正相關，并基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)對鉆孔應力分布狀態(tài)和集中區(qū)域進行了判斷。QI Qingjie 等[15]通過瓦斯抽采鉆孔蠕變模型，結合實測鉆屑量，研究得到了鉆屑量和圍巖應力隨鉆孔深度的變化規(guī)律。

部分學者通過鉆孔照相[16]和負壓監(jiān)測技術[17]實現(xiàn)了對鉆孔變形塌孔情況的直接判斷。自1958 年鉆孔照相技術提出后，該技術數(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)字光學成 像(Digital Borehole Opyical Televiewer，DBOT)[20]3 個發(fā)展階段。劉小雄等[21]根據(jù)鉆孔窺視結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)模型構建提供依據(jù)；張玉軍等[22]通過鉆孔窺視直接捕獲不同深度地質(zhì)構造和裂隙發(fā)育特征圖像，為全空間多參量協(xié)同監(jiān)測提供參考；通過負壓監(jiān)測技術，楊宏民等[23]對鉆孔不同位置的瓦斯和負壓參數(shù)進行了測定，實現(xiàn)了對封孔段裂隙發(fā)育區(qū)、漏風地點的準確定位；張學博等[24]建立了多因素影響下的負壓計算耦合數(shù)學模型，提出了基于抽采負壓分布測試的抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌特性探測技術，并通過現(xiàn)場應用確定了鉆孔失穩(wěn)坍塌區(qū)域。

盡管國內(nèi)外學者在鉆孔監(jiān)測領域開展了廣泛研究，但仍存在間接技術工藝繁瑣、影響因素復雜，直接技術精度低、準確性差的缺點。仍需一種全新的鉆孔監(jiān)測技術，方便準確地判斷鉆孔變形塌孔位置及嚴重程度。分布式光纖傳感技術，因其靈活高效、高精度和高靈敏的技術優(yōu)勢，在煤礦監(jiān)測各領域獲得了廣泛應用和認可[25-27]。筆者基于分布式光纖監(jiān)測和布里淵光學時域分析技術(Brillouin Optical Time Domain Analysis Technique,BOTDA 技術)，研制光纖耦合體，結合堵孔率計算數(shù)學模型研究，構建了適用于試驗礦井的瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測技術，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對鉆孔變形塌孔時期進行了準確判斷和驗證，這對瓦斯抽采鉆孔變形塌孔精準防治、推進瓦斯高效抽采具有重要意義。

1 技術原理及現(xiàn)場概況

1.1 基于BOTDA 技術的分布式光纖監(jiān)測原理

布里淵光學時域分析技術(BOTDA)是一種利用布里淵散射效應來測量光纖中溫度和應變分布的技術[28]。在光纖一端輸入泵浦光脈沖，另一端輸入連續(xù)光譜，當兩者頻率差與布里淵頻移值相同時，連續(xù)光將被放大。此時，基于布里淵散射光頻率變化量vB(頻移)同光纖溫度t和應變ε成正比，可確定光纖沿線的溫度和應變，原理如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測技術原理Fig.1 Principle of monitoring technology

1.2 礦井現(xiàn)場概況

山西某礦埋深500～600 m，地應力約8 MPa，開采煤層厚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抽作為該礦采取的瓦斯治理主要手段，設計孔深為120 m，成孔直徑12 cm，鉆孔間距2.5 m。但在地應力、瓦斯壓力、地質(zhì)構造和擾動等因素作用下，瓦斯抽采順層鉆孔變形塌孔頻發(fā)，嚴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，精準判斷塌孔地點，并給鉆孔塌孔精準防治提供參考。基于上述BOTBA 技術和分布式光纖監(jiān)測原理，構建適用于該礦的瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測技術工藝，并在該礦開展現(xiàn)場試驗，對監(jiān)測效果進行驗證和評價。

2 模擬堵孔實驗

2.1 實驗平臺及方案

基于上述技術原理和試驗礦井關鍵參數(shù)，對前期搭建的模擬堵孔實驗平臺[29]進行改建，并再次開展實驗室實驗。

實驗平臺由鉆孔模擬及光纖監(jiān)測系統(tǒng)兩部分構成。鉆孔模擬系統(tǒng)所用聚氯乙烯(Ployvinyl Chloride，PVC)管長120 cm，直徑與試驗礦井工作面?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)測系統(tǒng)中光纖耦合體[30-32]作為監(jiān)測主體，由外徑1.5 cm 內(nèi)徑0.9 cm 長100 cm 的PVC 細管和0.25 cm 金屬基光纖傳感器，在注入改性環(huán)氧樹脂48 h后固化形成，可直觀反映煤樣質(zhì)量增加造成的應變變化。ForeSight?系列BOTDA 監(jiān)測系統(tǒng)空間分辨率可達到20 cm，應變精度為2×10-6，可精準監(jiān)測光纖耦合體各位置應變大小。平臺具體構造如圖2 所示。

圖2 模擬堵孔實驗平臺示意Fig.2 Schematic diagram illustrating the experimental platform of borehole plugging simulation

根據(jù)取樣現(xiàn)場情況和相關學者鉆孔窺視結果[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，難以侵入孔內(nèi)空間，作為一個整體擠壓鉆孔。故參考GB/T 17608-2022《煤炭產(chǎn)品品種和等級劃分》標準[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，設置中、小塊和混粒煤占比按20 %變化梯度均勻變化，具體見表1。

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

從試驗礦井采集實驗所需煤樣，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)曬進行篩分后，測量剩余破碎煤塊尺寸，按上述標準分類，制成不同配比煤樣。實驗時單次稱取150 g 模擬煤樣(如若單塊煤質(zhì)量超過150 g 或無法恰好稱取150 g 時，可一次性稱取300 g)經(jīng)三通管送進模擬堵孔孔段，同時記錄光纖耦合體應變隨煤樣質(zhì)量增加的變化過程，直至煤樣填滿模擬孔段。

2.2 模擬堵孔實驗結果

基于試驗礦井所采模擬煤樣堵孔實驗結果，分析鉆孔變形塌孔過程中模擬煤樣質(zhì)量與應變間的表征關系。不同配比情況下的模擬煤樣完全堵孔時的質(zhì)量和應變極值，如圖3 所示。

圖3 不同配比模擬煤樣完全堵孔時的質(zhì)量及應變極值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)量和應變整體呈逐漸增長趨勢。這是由于模擬堵孔過程中，中煤塊體積較大，形狀也不規(guī)則，高占比時煤塊間的間隙、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)量和應變極值同步變化，這表明試驗礦井模擬煤樣質(zhì)量與監(jiān)測應變間存在顯著相關性，兩者呈比例變化。

3 鉆孔變形塌孔數(shù)學模型構建及誤差分析

取所有實驗不同配比和質(zhì)量下的應變均值，繪制隨質(zhì)量增長的光纖應變趨勢如圖4 所示。可以發(fā)現(xiàn)，在不同配比模擬煤樣堵孔過程中，隨質(zhì)量增加應變變化趨勢相近，呈3 個階段。第一階段隨質(zhì)量增加光纖耦合體應變迅速增長，第二階段應變增長隨質(zhì)量變化較為平緩，第三階段應變再次陡增。試驗礦井模擬煤樣質(zhì)量、監(jiān)測應變和鉆孔變形塌孔間存在明顯線性關系。結合前期模型研究工作[29]，分析光纖耦合體應變ε、模擬煤樣堆積質(zhì)量m與鉆孔變形塌孔間的表征關系，并構建適用于試驗礦井的數(shù)學模型，可基于現(xiàn)場試驗實測應變結果確定塌孔煤樣質(zhì)量，判斷塌孔嚴重程度，形成適用于試驗礦井的瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測新技術。

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

根據(jù)質(zhì)量-應變3 個階段的變化趨勢，對其進行分段擬合，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與組分塊度級配相關，ρb與取樣點煤體密度ρ之間存在倍率關系，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

本文開展了覆蓋全面、不同配比模擬煤樣的堵孔實驗，但實際鉆孔變形塌孔過程中，無法判斷剝落煤體的尺寸、粒徑，同時部分學者認為填充率在一定范圍內(nèi)變化時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：α為定值，取不同配比模擬煤樣完全堵孔時的mmax均值為標準值，經(jīng)計算ρb=1.034 g/cm3，α=0.71。為滿足在實際監(jiān)測過程中，通過鉆孔沿程應變大小，即可判斷塌孔地點堵孔嚴重程度的目的。因此，首先將式(2)轉(zhuǎn)化為用ε表示V的函數(shù)，隨后通過計算實際堵孔體積Vactual與理論單位體積Vtheory的比值，確定鉆孔單位長度(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、計算后可得：

基于式(3)可通過鉆孔應變監(jiān)測結果，計算試驗礦井(ρ=1.451 g/cm3、r=6 cm)瓦斯抽采鉆孔沿程各位置的堵孔率，并以應變臨界值為依據(jù)對鉆孔沿程變形塌孔情況進行判斷。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 個時期，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100%，這是因為ρb和α由單位空間不同配比煤樣模擬堵孔實驗的mmax均值確定，導致不同配比情況下的實際堵孔率與理論值存在必然誤差。為驗證式(3)的準確性，對實際和理論堵孔率間的必然誤差進行分析。通過不同配比煤樣模擬堵孔過程m與mmax的比值確定實際堵孔率ωactual，即ωactual=m/mmax，根據(jù)式(3)繪制理論堵孔率ω，實際、理論堵孔率和最大絕對誤差變化如圖6 所示。

圖6 實際、理論堵孔率對比和最大絕對誤差Fig.6 Comparison and the maximum absolute error between actual and theoretical borehole plugging rates

通過圖6 也可發(fā)現(xiàn)，隨著應變的增加，實際與理論堵孔率間最大絕對誤差先變大后變小再變大。這是由于鉆孔底部“凹”中部“擴展”頂部“凸”的結構組成，導致鉆孔堵孔過程中，煤樣首先在底部集中堆積，達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，故最大絕對誤差先變大后變小。在誤差-1 處(塌孔中期)達到最大，通過計算可得最大絕對誤差為：19.48%。雖與理論結果差距較大，但此處實際堵孔率仍處塌孔中期界限內(nèi)(26.64%＜ωactual≤76.34%)，對判斷鉆孔發(fā)育時期和塌孔程度實際并無影響。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程中理論100%堵孔時的mmax、ρb和α由不同配比煤樣模擬堵孔實驗的mmax均值確定，這就導致實際情況下，不同配比煤樣完全堵孔時，mmax越接近mmax均值誤差越小。誤差-2 處理論和實際堵孔率均超過塌孔后期下限(76.34%)，同樣對判斷鉆孔塌孔發(fā)展階段和塌孔程度并無影響。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 現(xiàn)場試驗方案

基于研制的光纖耦合體和BOTDA 監(jiān)測系統(tǒng)，結合上述模型，形成了適用于試驗礦井的瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測技術(煤體密度ρ=1.451 g/cm3，鉆孔半徑r=6 cm)。為對該技術的可行性和準確性進行驗證，采用該技術在礦井開展現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場施工工藝和設備連接如圖7所示。

圖7 瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測現(xiàn)場工藝Fig.7 In-situ precise monitoring technology for gas drainage boreholes

瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測技術現(xiàn)場施工具體試驗步驟包括：

(1)現(xiàn)場打鉆完成后參考下篩管技術，將1.5 cm 含光纖PVC 細管隨空心鉆桿送入120 m 鉆孔，PVC 細管間通過速凝膠水和快插接頭連接，孔底PVC 細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、過程材料損耗，稱取所需120%的材料，將5.4 kg 環(huán)氧樹脂和2.7 kg 固化劑按2∶1 比例倒進氣動注漿泵，攪拌5 min，通過變徑接頭-注漿管-軟橡膠錐頭將氣動注漿泵與PVC 細管連接后注漿，全過程需在45 min 內(nèi)完成。

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

(4)隨后開展退鉆作業(yè)將空心鉆桿撤出鉆孔，再次連接BOTDA 系統(tǒng)，開展長時間鉆孔應變監(jiān)測工作。

(5)根據(jù)鉆孔沿程應變監(jiān)測結果，結合適用于試驗礦井的堵孔率計算數(shù)學模型式(3)，計算鉆孔沿程堵孔率，判斷鉆孔沿程變形塌孔情況，為后續(xù)鉆孔塌孔精準防治提供參考。

4.2 實驗結果及分析

采用上述瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測技術對現(xiàn)場120 m順層瓦斯抽采鉆孔變形塌孔情況進行了監(jiān)測，第1、第7、第30 天鉆孔沿程應變監(jiān)測結果如圖8 所示。

圖8 第1、第7、第30 天鉆孔沿程應變監(jiān)測結果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三處均有明顯應變產(chǎn)生，C處信號最強，應變峰值為43×10-6，遠超A、B的14×10-6和12×10-6，但均處塌孔前期，并且A處應變出現(xiàn)負值，表示有壓應變產(chǎn)生；第7 天A、B、C三處垮落長度分別增長2.2、0.6 和1.2 m，應變峰值增長到58×10-6、23×10-6、85×10-6，A處孔周破壞惡化最為顯著，C處破壞最為嚴重，均進入塌孔中期。同時D、E孔段監(jiān)測到明顯應變，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兩處塌孔范圍和應變激增，應變峰值(481×10-6、912×10-6)遠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力作用下仍被進一步擠壓，煤塊間隙壓縮消失，此時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變始終為0，表明此位置孔壁完整，基本無煤體脫落，積聚的地應力尚未超過煤體破壞閾值，將應變、堵孔率始終為0 的孔段視為仍處塌孔前期。

結合前文分析對鉆孔變形塌孔的前、中、后3 個時期的界定進一步完善，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儽O(jiān)測結果，通過式(3)計算鉆孔沿程堵孔率，確定變形塌孔程度，結果如圖9 所示。結合鉆孔約20 m 位置第1、第7、第30 天鉆孔窺視圖，對鉆孔應變和堵孔率隨時間的變化規(guī)律及其內(nèi)在機理進行分析。

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

通過圖9 發(fā)現(xiàn)，鉆孔沿程均發(fā)生變形塌孔，且堵孔率隨時間緩慢增長，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間變化較小，遠小于26.64%均處塌孔前期。A、D、E孔段塌孔狀況隨時間增長不斷加劇，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處部分孔段進入中期，且在30 d 后進入塌孔后期，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重，從圖8 也可發(fā)現(xiàn)兩孔段部分位置30 d 后應變遠超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 天即進入塌孔中期，表明C處煤體存在大量構造和原生裂隙，在地應力和鉆孔施工擾動作用下，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 進入塌孔后期，這可能是由于41.6～46 m 孔段被破壞的過程中釋放了大量積聚的地應力，使得38.8～41.4 m 鉆周破壞減小。除0～8 m 封孔段在PVC 管保護下堵孔率始終為0 外，其他堵孔率為0 的孔段均未監(jiān)測到應變，均處前期，未產(chǎn)生變形塌孔現(xiàn)象。

通過鉆孔窺視儀對20 m 位置第1、第7、第30 天的鉆孔變形塌孔情況進行直接觀測，結果如圖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，鉆孔進入塌孔中期；第30 天僅鉆孔頂部存在小塊空間，鉆孔堵孔嚴重，進入塌孔后期。上述鉆孔窺視結果與A處20 m“前期-中期-后期”的變化趨勢一致，表明通過上述適用于試驗礦井的瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測技術可準確判斷鉆孔變形塌孔發(fā)育時期。

綜上所述，孔周應力分布、原生裂隙和煤體力學性質(zhì)是造成鉆孔塌孔失穩(wěn)的主要因素，孔周應力分布差距越大、構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)測應變也就越大，結論與相關學者[40-41]研究相印證。通過鉆孔窺視圖和現(xiàn)場試驗證明基于分布式光纖監(jiān)測、BOTDA 和堵孔率計算數(shù)學模型構建的適用于試驗礦井的瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測技術可準確判斷鉆孔的變形塌孔情況，可為瓦斯和鉆孔精準防治提供參考。

5 結論

a.基于不同粒徑配比鉆孔堵孔模擬實驗結果，將塌孔堵孔過程分成3 個階段。通過分段擬合構建了光纖耦合體應變、模擬煤樣堆積質(zhì)量與鉆孔變形塌孔間的表征關系。推導出了適用于試驗礦井的鉆孔堵孔率計算數(shù)學模型。以應變值0、45.95×10-6、72.19×10-6為臨界值，將鉆孔變形塌孔發(fā)育過程分為前、中、后3 個時期?？蔀殂@孔變形塌孔監(jiān)測提供理論基礎。

b.實際和理論堵孔率均隨著應變增加先后“緩慢-快速-緩慢”增長，且趨勢一致。隨著應變增加，實際與理論堵孔率間最大絕對誤差先變大后變小再變大。塌孔中期最大絕對誤差最大為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程相關。兩誤差處實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，對判定塌孔時期和嚴重程度實際并無影響。

c.以分布式光纖耦合體和BOTDA 技術為基礎，結合鉆孔堵孔率計算數(shù)學模型，形成以應變臨界值為指標適用于試驗礦井的瓦斯抽采鉆孔精準監(jiān)測技術，可為試驗礦井瓦斯抽采鉆孔精準智能化發(fā)展提供參考。

d.開展現(xiàn)場試驗，對全孔段堵孔率進行了計算，對鉆孔沿程的變形塌孔發(fā)育階段進行了評估和劃分，并結合鉆孔窺視圖對評估結果的準確性進行了驗證，該精準監(jiān)測技術判斷與鉆孔窺視實際觀測結果基本吻合，該精準監(jiān)測現(xiàn)場實施技術工藝可行、可靠。

符號注釋：

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為光纖應變；ε0為室溫下的光纖初始應變；ω為鉆孔堵孔率；ωactual為實際堵孔率；ρ為試驗礦井煤體密度，g/cm3；ρb為煤樣堆積密度，g/cm3。