光纤光栅动态监测法确定裂隙带瓦斯抽采层位工程实践

姜晓东 秦金辉 高保彬

（1.山西焦煤霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西 霍州 031400；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454003）

目前确定煤层顶板覆岩变形破坏范围的方法有经验公式法、地球物理方法、理论分析和数值分析法、井下施工钻孔进行探测等。经验公式法是根据煤层的倾斜角度和煤层覆岩岩性等列出了一组经验计算公式[1]。地球物理方法是采用探测数值模拟、相似材料物理模拟以及现场试验的方法，对采动裂隙岩体的电性特征和波场特征进行系统的分析[2-5]。理论分析和数值分析法是对不同时期岩层的应力分布以及覆岩的破断机理进行理论分析，并运用数值模拟软件对覆岩体的变形破坏过程进行数值模拟[6-9]。井下钻孔电阻率法根据采动进度测取不同时期岩层电场变化特征，对岩层变形与破坏规律进行全面的分析研究，获得煤层采动过程中上覆岩层变形与破坏动态发育规律[10-11]。上述方法能够判断覆岩变形破坏范围，但不具备动态探测。近年来，随着光纤技术的发展，基于光纤的监测系统在煤矿安全监测中的发展和使用有所增加[12-15]，毛灵涛等[16]以自行研制的GWG200（C）型光栅位移传感器为基础，实现了顶板离层及围岩变形实时地面自动监测和现场遥控监测。SHI Bin 等[17-18]采用基于布里渊光学时域反射仪的分布式光纤传感技术，研究了上覆岩体的应变分布及其随时间的变化规律，为计算导水裂隙带发育高度和冒落带的高度开辟了新的途径。

该文基于光纤光栅法探测精度较高，能够实现覆岩裂隙的动态探测的特点，结合布里渊散射光时域反射（BOTDR）技术原理，采用光纤光栅动态监测技术对煤矿顶板“三带”发育过程进行监测和成果解释，以确定采空区上方裂隙带准确高度，为裂隙带钻孔精确布置和瓦斯高效抽采提供依据。

1 基本原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤内部形成空间相位光栅。制作完成后的光纤光栅相当于在光纤中形成了一段敏感区，该区域波长在温度、应变等作用下发生偏移，在进行温度补偿之后，可以得到波长变化与应变之间的关系：

式中：Δλ为光纤光栅中心波场的变化量；λB为光纤光栅峰值反射波长；Kε为光纤光栅轴向应变灵敏系数；ε为应变量。

当覆岩发生变形时，原有的应力应变特征发生改变，利用相关技术可以获得光纤光栅传感器所在位置应力应变信息。根据上述原理，提出用光纤光栅监测分析法对李雅庄煤矿2-607 工作面覆岩裂隙带发育特征进行动态监测的方法。

2 现场实践及成果分析

2.1 光纤光栅制作

本次探测使用的信号光缆为具有强抗拉性、强耐磨性的孔中专用光纤光栅动态监测光缆。根据所设计的裂隙带探测精度要求，一个光栅占4 个nm，测试光栅确保每道光栅连通良好。

L1、L2 光栅串的长度120 m，串接20 个光栅，光栅间隔4 m。如图1 所示，其中 L1 是从尾端3 m处刻、L2 是从尾端5 m 处第一个光栅。两光栅串中的光栅交叉布置，形成2 m 间隔的光栅测点。温度传感器封装在钢管里，共布置10 个光栅，温度光栅串L3 的长度为120 m，第一个光栅布置在距离孔底2 m 处，间隔10 m 布置一个光栅。

图1 光纤光栅设计（m）

2.2 监测工程设计

钻孔设计：本次光纤光栅动态探测布置1 个钻孔进行探测。在2-607 工作面正巷停采线以北东15 m 处布置钻场，施工1 个钻孔，钻孔方位角为244°，倾角为52°，探测范围的最大高度控制煤层顶板上约65 m。

光缆布置：将传感光缆放置于外径为40 mm 规格的PVC 管内，在指定的位置捆绑在一起形成一整体。以PVC 管为持力杆，根据光栅顺序依次投送到孔中，用水泥浆将钻孔注实。

现场安装：现场安装时，由于孔顶塌孔，实际安装深度78.85 m。钻孔布置光栅40 个，光栅距为2 m；布置130 m 长的分布式应变温度光缆，孔内长度为78.85 m；布置10 个光纤温度补偿传感器。共用5 芯井下到地面的传输光纤与地面的解调仪连接，其中光纤光栅缆和温度补偿传感器接入到光纤光栅解调仪，分布式光纤应变温度光缆接入到分布式光纤应变温度解调仪。具体布置情况如图2。

图2 光纤光栅布置图

2.3 光纤光栅数据监测

自2020 年10 月22 日 至2020 年11 月11 日，获得了388 次有效光纤光栅动态监测数据，500 多次的分布式光纤应变温度监测数据。每天选出一组数据，去除不可用数据，得到如图3 所示的光纤光栅全钻孔监测数据。

图3 光纤光栅全钻孔监测数据

光栅从孔口开始编号，第一个光栅为s11，第二个光栅为s12，后面依次类推。从图中可以看出，光纤光栅监测到压应变较大主要分布在三处。在2020 年10 月24 日20:45，距离孔口57 m 处的s16监测值为-1161με；距离孔口69 m 处的s19 监测值为-1078με；距离孔口49 m 的s14 监测值为362με。在2020 年10 月24 日20:00 时，工作面推进至距孔口70 m 处，钻孔57 m、69 m、49 m 处分别位于煤层顶板33.79 m、47.36 m、23.26 m。其中钻孔49 m 处的垂直投影正好位于工作面推进位置，这些数据确定了裂隙带的发育层位。

2.4 分布式光纤应变温度监测数据

光纤光栅缆强度远远小于BOTDR 应变光缆的强度，2020 年10 月24 日20:45 至21:45 光纤光栅缆断裂时，BOTDR 应变光缆并没有断裂。光纤光栅断裂时对应岩层发生了小裂隙，而导致BOTDR应变光缆断裂的是强度较大的岩层断裂。BOTDR应变光缆断裂数据见表1。

表1 BOTDR 应变光缆断裂数据统计表

从工作面距离孔口水平距离80 m 处开始监测，到距离7 m 时停止监测。从表1 可以看到，随着工作面逐渐向前推进，钻孔内的破裂点逐渐向前推移。在2020 年11 月11 日光纤光栅缆断裂时工作面距离孔口水平距离为7 m 时，从孔口0 ～22 m 段仍然没有产生大的断裂，光缆断裂处距离孔口距离主要在22～64 m 范围内，即钻孔破裂点到工作面顶板垂直距离主要位于16.09～46.81 m 的范围内。

结合光纤光栅断点数据和分布式光纤应变监测数据，并与地层结构对应关系分析可以看出有3 个岩层破裂主要分布区域。分布式光纤应变数据持续增大，并在对应位置发生断裂。主要光缆断裂点到煤层顶垂直距离H分别为24 m、34 m 和47 mm，其中24 m 和47 m 的断裂位于砂岩中。使用光纤传感动态监测方法测得的裂缝最大高度为53 m。

3 瓦斯钻孔设计及抽采效果

3.1 钻孔施工

李雅庄煤矿2-618 工作面布置的4 个裂隙带2～4#钻场采用裂隙带定向水平长钻孔。3#裂隙带钻场设计布置5 个钻孔，钻孔主孔长度350 m，孔径Φ153 mm，其中1#钻场距迎头90 m，采用普通钻孔施工低位裂隙带钻孔，作为定向裂隙带钻孔的补充，光纤光栅动态监测法分析结果确定，实现对煤层顶板23.6～50.6 m 的全覆盖。其中1#和2#孔为上隅角抽采试验钻孔，3～5#孔为裂隙带钻孔。具体施工参数见表2。

表2 2-618 工作面3#裂隙带钻场钻孔施工参数

3.2 抽采效果分析

2-618 工作面3#裂隙带钻场2 月2 日投入使用，前期和2#裂隙带钻场联合抽采，4 月9 日4#裂隙带钻场投入使用，3#钻场10 日回撤，共计抽采65 d。各钻孔抽采效果见表3。

表3 不同层位瓦斯抽采效果对比

根据表3 中各钻孔抽采效果对比，可以得出以下结论：

1）1#和2#钻孔，由于布孔层位较低，其抽采浓度及抽采量均较低，不在动态监测确定的最佳抽采层位内。

2）3#钻孔抽采效果较2#钻孔有一定提高，其布孔层位在动态监测确定的两个最佳抽采层位的中部，说明该层位有裂隙带发育，但裂隙贯通性差，瓦斯不易在该层位聚集。

3）4#钻孔位于动态监测确定的最佳层位的顶部，平均抽采浓度最大，而抽采纯量增加不明显，说明该层位裂隙带发育逐渐减弱，聚集有高浓度的瓦斯。

4）5#钻孔位于动态监测确定的最佳抽采层位，瓦斯抽采效果最好，说明裂隙带在该层大量发育，且贯通性较好，容易聚集大量的瓦斯，为裂隙带瓦斯抽采的最佳层位。

2-618 工作面3#裂隙带钻场平均抽采纯量为12.84 m3/min，2 月28 日抽采纯量达到最大18.1 m3/min，单孔抽采纯量达到8.3 m3/min，为李雅庄煤矿裂隙带定向水平长钻孔抽采以来的最大值，以往钻场最大抽采纯量为12.6 m3/min，单孔最大抽采纯量为3.9 m3/min，抽采效果有了显著的提高。2-618 工作面3#钻场瓦斯抽采纯量变化曲线如图4。

图4 2-618 工作面3#钻场瓦斯抽采纯量变化曲线

4 结论

1）光纤光栅动态监测分析法能够适用复杂复合型高地应力顶板裂隙带发育规律动态监测，精确确定裂隙带充分发育区域，指导裂隙带钻孔施工。

2）通过光纤光栅动态监测法对裂隙带发育过程动态监测分析，确定了李雅庄煤矿2#煤层顶板裂隙带发育高度，明确了煤层顶板24～47 m 裂隙带钻孔抽采最佳层位。

3）2-618 工作面3#裂隙带钻场抽采应用验证了光纤光栅动态监测分析法确定裂隙带最佳抽采层位的准确性，通过优化裂隙带钻孔布孔层位，裂隙带钻孔抽采效果明显提高，单孔抽采纯量达到8.3 m3/min，上隅角及回风流瓦斯浓度得到有效控制，可在同类矿井推广应用。