本公開一般涉及煤礦開采技術領域，具體涉及一種高抽巷采動合理位置的確定方法及裝置。

背景技術：

瓦斯事故是目前煤礦生產中發生頻率最高、危險程度最大、破壞最為嚴重的災害之一。綜放開采受多種因素制約，尤其是煤層瓦斯的制約。隨著礦井開采向深部延伸，瓦斯含量和瓦斯壓力越來越大，瓦斯制約生產的“瓶頸”問題也越來越突出，僅靠風排瓦斯已無法保證正常生產，放頂煤的高強度開采使得工作面上隅角及回風巷內瓦斯屢屢超限，嚴重影響正常生產，并對人員和設備安全造成巨大威脅。

高抽巷作為一種有效抽放采空區瓦斯的手段，在我國很多高瓦斯礦區得到了廣泛應用。高抽巷抽放效果好，抽放量大，隨著回采強度的加大，裂隙形成越好，抽放效果越明顯；正常回采過程中抽出的瓦斯濃度穩定，在回采結束后的一定時間內有穩定的抽出瓦斯濃度，可以降低下一煤層或同煤層工作面回采期間瓦斯管理的壓力；便于日常管理、觀測，易于控制瓦斯抽出量，改善工作面作業環境。合理布置頂板高抽巷，不僅可以從設計源頭上解決工作面上隅角瓦斯超限問題，而且能夠簡化通風系統、增強瓦斯抽采效果。

高抽巷一旦投入使用后工作人員無法進入，由于下方工作面的采動影響，處于采動裂隙帶內的高抽巷必然發生變形破壞，高抽巷的變形破壞情況直接影響臨近層瓦斯抽采，制約著高瓦斯礦井的高產高效生產。目前國內外學者對高抽巷的采動變形破壞缺乏系統研究，因此，對高抽巷采動破壞機理及優化布置研究是十分有必要的。

高抽巷的最佳布置層位是否合理不僅與工作面瓦斯抽采效果緊密相關，而且可能影響高抽巷自身維護的難易程度，若將巷道布置在冒落帶內，高抽巷不但會隨采空區巖層冒落而破壞，而且它將處于矸石自然堆積區內，區域瓦斯濃度不穩定，抽放效果較差；若把高抽巷布置在彎曲下沉帶內，帶內巖層透氣性差，不容易抽出瓦斯。因此，亟需提出一套切實可行的高抽巷采動合理位置的確定方法，以適應不斷向深部延伸的礦井開采的需求。

技術實現要素：

鑒于現有技術中的上述缺陷或不足，期望提供一種高抽巷采動合理位置的確定方案。

第一方面，本申請實施例提供了一種高抽巷采動合理位置的確定方法，包括以下步驟：

確定采空區中冒落帶的高度和裂縫帶的范圍；

將高抽巷的適宜層位選擇在裂縫帶中下部，并滿足下列公式：

Hz＝Hm+ΔHm，

Hm＜Hz＜Hl，

其中，

Hz為高抽巷層位高度，m；

Hm為冒落帶高度，m；

ΔHm為防止高抽巷破壞安全保險高度，取1～1.5倍采高，m；

Hl為裂縫帶高度，m。

所述冒落帶高度采用下式計算：

Hm＝h/(k－1)cosα

式中：

h為采高；

k為冒落巖石平均碎脹系數；

α為煤層平均傾角。采用冒落帶的理論計算其高度，

所述裂縫帶高度采用下式計算：

Hl＝100h/(ah+b)±c

a、b、c為待定常數，由裂縫帶的巖性確定。

當所述巖性為堅硬巖石時，a＝1.2,b＝2.0,c＝8.9；當所述巖性為中硬巖石時，a＝1.6,b＝3.6,c＝5.6；當所述巖性為軟弱巖石時，a＝3.1,b＝5.0,c＝4.0；當所述巖性為極軟弱巖石時，a＝5.0,b＝8.0,c＝3.0。

本申請實施例還提供了另一種高抽巷采動合理位置的確定方法，包括以下步驟：

確定高抽巷層位高度Hz，其中，Hz滿足下式：

h(k-l)cosα＜Hz＜100h/(ah+b)±c

其中，

h為采高；

k為冒落巖石平均碎脹系數；

α為煤層平均傾角；

a、b、c為待定常數，由a、b、c待定常數取值表確定。

第二方面，本申請實施例提供了一種高抽巷采動合理位置的確定裝置，包括：

獲取單元，配置用于獲取采空區冒落帶的高度和裂縫帶的范圍；

分析單元，配置用于根據所述冒落帶的高度、裂縫帶的高度范圍和采高確定高抽巷的適宜層位。

所述高抽巷的適宜層位選擇在裂縫帶中下部，并滿足下列公式：

Hz＝Hm+ΔHm，

Hm＜Hz＜Hl，

其中，

Hz為高抽巷層位高度，m；

Hm為冒落帶高度，m；

ΔHm為防止高抽巷破壞安全保險高度，取1～1.5倍采高，m；

Hl為裂縫帶高度，m。

所述冒落帶高度采用下式計算：

Hm＝h/(k－1)cosα

式中：

h為采高；

k為冒落巖石平均碎脹系數；

α為煤層平均傾角。

所述高抽巷的適宜層位滿足下列公式：

Hl＝100h/(ah+b)±c

a、b、c為待定常數，由a、b、c待定常數取值表確定。

確定高抽巷層位高度Hz，其中，Hz滿足下式：

h(k-1)cosα＜Hz＜100M(ah+b)±c

其中，

h為采高；

k為冒落巖石平均碎脹系數；

α為煤層平均傾角；

a、b、c為待定常數，由a、b、c待定常數取值表確定。

當所述巖性為堅硬巖石時，a＝1.2,b＝2.0,c＝8.9；當所述巖性為中硬巖石時，a＝1.6,b＝3.6,c＝5.6；當所述巖性為軟弱巖石時，a＝3.1,b＝5.0,c＝4.0；當所述巖性為極軟弱巖石時，a＝5.0,b＝8.0,c＝3.0。

本申請實施例提供的高抽巷采動合理位置的確定方案，根據礦山壓力規律研究，隨著工作面的回采，采空區周圍的巖層由于受到采動應力場的影響，在垂直方向上由下而上形成冒落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶；在水平方向上由前到后形成煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。當工作面推進一定距離后，原來的離層區被逐步壓實，采空區中部上覆巖層的離層裂隙與豎向裂隙趨于壓實閉合，而在工作面開切眼、終采線側、工作面進回風巷側，由于煤柱的支撐作用離層裂隙能夠長期存在，從而在采空區四周存在一個連通的采動裂隙發育區，即“O”形圈。本申請實施例提供的高抽巷抽放就是將巷道布置在裂縫帶和“O”形裂隙圈影響范圍內，以達到抽放采空區高濃度瓦斯的目的。在進行高抽巷層位選擇時，從保證抽放效果的角度出發，選擇在瓦斯涌出密集區，且滿足工作面回采后不會很快被破壞。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本申請的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1示出了本申請實施例中回采工作面前后方的應力分布圖；

圖2示出了本申請實施例中采空區及其兩側煤體或煤柱的應力分布圖；

圖3示出了本申請實施例中護巷煤柱在回采工作面前后方的應力分布圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。顯然，所描述的實施例是本發明一部分而不是全部的實施例。為了便于描述，附圖中僅示出了與發明相關的部分。

需要說明的是，在不沖突的情況下，通常在此附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋相關發明，而非對該發明的限定。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

1綜放工作面礦壓顯現規律

1.1綜放工作面采場覆巖的結構特征

綜放開采時采空區頂板巖層從下向上一般會出現冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶在開采和冒落巖層本身空間未被冒落巖塊充滿前發生，一般都是自由垮落，失去原有的層次，巖層結構破壞嚴重，彼此之間沒有力學的聯系。冒落帶的厚度取決于煤層的開采厚度、頂板巖層性質及其賦存狀況等。當頂板巖層的冒落高度達到Σh時，由于受到充滿采空區的垮落巖石的限制，上部巖層不再自由垮落，隨著冒落帶松散巖石的壓實而下沉斷裂，形成裂隙帶。裂隙帶的巖層結構雖遭破壞，但仍保持原有層次，巖塊之間絞接擠壓，可能形成力的平衡，而承受上覆巖層的重量，并將其傳遞到采空區周圍的煤體或煤柱上。裂隙帶巖層往上，裂隙逐漸減少且互不溝通，巖層只是整體移動，稱彎曲下沉帶。煤層采出的高度M越大，則不規則冒落帶高度Σh越高，根據提供的地質資料和井下實測，Σh/M平均為1.12。隨著煤層的采出，頂板巖層垮落后，采空區的充填程度與煤層采出高度之間的關系可用下式表示：

K(∑h+M)＝kp[Σh+(1-η)]M

式中：K—采空區充填系數；Σh—垮落巖層厚度；M—煤層采出高度；kp—冒落矸石和碎煤的碎脹系數；η—煤炭回收率。令N＝Σh/M，并取η＝0.9；N＝1.12；kp＝1.25。則有：

 

即當采空區充填系數K達到0.72以上時，其上頂板變形和冒落過程中，彼此之間的力學聯系將加強。不規則冒落帶頂板冒落充填采空區后，采空區仍有一部分空間尚未充滿，隨著工作面推進，懸露的頂板將繼續冒落，冒落高度隨之增加。如果頂板彎曲下沉過程中形成的擠壓平衡結構在失穩前或失穩過程中與冒落頂板接觸，此時，冒落高度將趨于穩定，高度不再增加。隨著工作面的推進，進入斷裂帶的最下層硬巖(第1硬巖層)形成砌體梁動態平衡結構，這層硬巖的斷裂下沉將導致它所控制的上覆軟巖隨之協調變形，并與它的上覆硬巖(第2硬巖層)產生離層并形成自由空間Δ，如果第2硬巖層也滿足基本頂巖層厚度大于其下自由空間高度的1.5倍和基本頂斷裂巖塊的長度要大于巖塊厚度的2倍，則它又有形成砌體梁結構并與它所控制的軟巖隨工作面推進動態前移，依此類推，如果第n層硬巖層下的自由空間高度為Δn，則根據彈性地基梁計算的第n層硬巖極限跨距時巖層的最大彎曲下沉量γn為：

 

式中：qn—該硬巖上覆巖層載荷；En—彈性模量；In—該硬巖的慣性矩；

 

l—該硬巖極限跨距之半；ω＝(k/EnIn)1/4k為Winkler彈性地基系數，k＝(E0/d0)1/2，其中E0為地基的彈性模量，d0為墊層厚度。如果滿足γn≥Δn，即第n層硬巖達到極限跨距時在跨距中部已經觸矸，則該硬巖不會斷裂，當然，隨著工作面的推進，采空區矸石逐步被壓實，該層硬巖將產生小的裂縫，該硬巖進入彎曲下沉帶。鑒于煤壁支撐影響角的存在和受頂煤結構力學特征的影響，工作面支架的工作阻力將無法改變基本頂平衡結構的回轉下沉運動，即基本頂以“給定變形”的方式作用于直接頂，并部分地傳遞給支架。基本頂平衡結構的回轉下沉量大小主要取決于煤層采出高度、冒落帶高度、冒落矸石和碎煤的碎脹系數、工作面回收率和基本頂平衡結構等效回轉跨度。各參數之間的關系如下：

 

式中：θ—基本頂平衡結構體回轉下沉角；

ld—基本頂平衡結構等效回轉跨度。將N＝Σh/M代入，得：

 

取kp＝1.25，η＝0.9。則：

 

1.2沿工作面推進方向的應力變化

沿回采工作面推進方向，采空區上部巖層的破壞過程大致可分為三個階段。冒落帶巖層處于垮落和松散階段，上覆巖層大部分呈懸垂狀態，懸垂巖層的重量要轉移到工作面前方和采空區兩側的煤體或煤柱上。此時，采空區為低于原始應力γH的降壓區，在工作面前方和采空區兩側的煤體或煤柱上，出現了比原始應力大得多的集中應力，常稱為支承壓力。隨著回采工作面的推進，冒落帶巖石逐步被壓縮，采空區上覆巖層的重量，逐漸作用到底板上，采空區兩側的煤體或煤柱的支承壓力也漸漸降低。在遠離回采工作面的后方，隨著采空區上覆巖層的沉降，冒落帶矸石的壓實，冒落帶和底板巖層的壓力逐漸恢復到接近原始應力γH，采空區兩側的煤體或煤柱的壓力也趨向穩定。在回采期間，沿回采工作面前后方的應力分布如圖1所示。圖中，Ⅰ-工作面前方應力變化區；Ⅱ-控頂區；Ⅲ-冒落巖石松散區；Ⅳ-冒落巖石逐漸壓縮區；Ⅴ-冒落巖石壓實區A-原始應力區；B-應力增高區；C-應力降低區；D-應力穩定區。

在采動影響下，沿回采工作面推進方向，回采空間兩側煤體或煤柱的應力，隨著與工作面的距離和時間不同而發生很大變化，一般出現三個應力區。遠離工作面的前方，未受采動影響的原始應力區；在工作面附近，受采動影響的應力增高區；遠離工作面的后方，采動影響趨向穩定的應力穩定區。應力增高區B由應力升高、應力強烈和應力減弱三部分組成。在其它條件變化不大的情況下，布置在工作面上下兩側的采準巷道，圍巖變形和煤體或煤柱應力分布基本上是一致的。如圖2所示，其中，A-原始應力區；B1和B2-應力增高區；C-應力降低區；D-應力穩定區。

沿回采工作面推進方向，回采空間前后的應力分布，與回采空間兩側煤體或煤柱的應力分布是緊密聯系的，它們反映了采動引起的應力重新分布的基本狀況，對分析研究采準巷道的維護十分重要。采空區上覆巖層的運動和破壞，引起煤體或煤柱上載荷急劇增長，再逐漸下降和趨向穩定的過程，以及各個應力區的分布范圍和持續時間，是決定采準巷道維護的主要因素。如圖3所示，其中，A-原始應力區；B-應力增高區；D-應力穩定區。

由于工作面的回采，導致采空區周邊圍巖在一定范圍內的破壞和變形，使其應力重新分布，而這種應力的重新分布將直接影響相鄰區段巷道的布置形式。隨著工作面的回采，其頂板支承壓力分布是動態變化的，頂板約束條件由四方嵌固向兩側嵌固的狀態轉化，彎矩進一步向兩側煤壁轉移，從而導致頂板沿兩側煤壁嵌固端斷裂。頂板中應力隨與煤壁距離增加按負指數曲線規律遞減。此時，由于煤壁周邊應力超過煤層的極限抗壓強度，邊緣煤體遭到破壞而失去支承能力，使應力高峰深入煤層內部。在頂板自重和采動附加應力的影響下，頂板在兩側煤體內部發生斷裂，形成以斷裂線為界的內外兩個應力場：在斷裂線和煤體邊的依據。

2高抽巷合理布置位置確定

通過對綜放工作面礦壓顯現規律和采場覆巖的結構特征的分析，高抽巷的布置時應保證瓦斯的抽采效率，并同時降低巷道支護成本。提高瓦斯的抽采效率，應盡量使巷道布置在巷道頂板的裂隙擴展帶影響范圍內，為提高巷道支護質量，保證錨桿錨索預應力的擴散，應盡量保持巷道圍巖的完整，提高巷道支護性能。

2.1綜放工作面“三帶”的確定

隨著我國采煤機械化的發展、采煤工作面長度的加長、推進速度的加快、開采強度的加大，回采過程中瓦斯涌出量驟增，僅僅依靠原有的鉆孔抽放瓦斯的方式已不能完全解決高產高效工作面瓦斯超限問題。因此，許多學者開始對高抽巷抽放瓦斯進行研究和試驗，并取得了較好的應用效果。由于高抽巷具有抽放量大、抽放效率高等特點，目前已經在許多礦區得到廣泛應用。高抽巷的抽放效果受到許多影響因素的制約，包括高抽巷的層位布置、水平投影與回風巷的距離、抽放負壓以及密閉質量等，而高抽巷的層位布置是保證抽放效果的最關鍵的因素。高抽巷布置太低，容易與采空區連通，造成漏風增加，抽放濃度降低；如果布置太高，處于頂板彎曲下沉帶，瓦斯流動通道不暢通，同樣不能消除瓦斯超限問題。因此，在高抽巷布置之前，對其層位的選擇進行科學合理的分析是非常必要的。特選取2302附近全長鉆孔LAC54為對象，通過理論計算確定常村礦2302工作面的裂隙發育帶，以便為高抽巷合理層位的確定提供可靠的依據。

根據礦山壓力規律研究，隨著工作面的回采，采空區周圍的巖層由于受到采動應力場的影響，在垂直方向上由下而上形成冒落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶；在水平方向上由前到后形成煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。當工作面推進一定距離后，原來的離層區被逐步壓實，采空區中部上覆巖層的離層裂隙與豎向裂隙趨于壓實閉合，而在工作面開切眼、終采線側、工作面進回風巷側，由于煤柱的支撐作用離層裂隙能夠長期存在，從而在采空區四周存在一個連通的采動裂隙發育區，即“O”形圈。高抽巷抽放就是將巷道布置在裂縫帶和“O”形裂隙圈影響范圍內，以達到抽放采空區高濃度瓦斯的目的。在進行高抽巷層位選擇時，從保證抽放效果的角度出發，應選擇在瓦斯涌出密集區，且滿足工作面回采后不會很快被破壞。因此，高抽巷的適宜層位應選擇在裂縫帶中下部，其計算公式如下:

Hz＝Hm+ΔHm

Hm＜Hz＜H1

式中:Hz—高抽巷層位高度，m；Hm—冒落帶高度，m；ΔHm—防止高抽巷破壞安全保險高度，取1～1.5倍采高，m；Hl—裂縫帶高度，m。經以上分析得到，在布置頂板瓦斯抽放巷之前，必須要對回采工作面采空區上覆巖層裂隙發育帶進行確定，才能準確確定高抽巷層位。否則，就達不到治理回采工作面瓦斯的目的。冒落帶理論高度Hm采用下式計算:

Hn7＝h/(k-1)cosα

式中：h—采高，取6.3m；k—冒落巖石平均碎脹系數，取1.5；α—煤層平均傾角，取4°。裂縫帶理論高度采用下式計算:

Hl＝100h/(ah+b)±c

式中，a、b、c為待定常數，需依據煤礦設計規范確定，見表1。

表1a、b、c待定常數取值表

 

從以上分析可以得出:高抽巷層位高度Hz應滿足:

h(k-1)cosα＜Hz＜100h/(ah+b)±c

根據常村礦現場實際情況，采高6.3m，冒落巖石平均碎脹系數1.5，煤層傾角4°，煤層上覆巖層以泥巖、砂巖為主，將相關數據代入式(4-9)、(4-10)得到冒落帶理論高度為12.63m，裂縫帶理論高度為40.45～51.65m，根據上式可得高抽巷層位理論高度應布置在12.63～51.65的范圍之內。綜上所述，冒落帶高度為12.63m，裂隙發育帶范圍為12.63～51.65m，結合2103工作面實際情況，將防止高抽巷破壞的安全高度選為1.5倍采高，計算可得高抽巷層位高度確定為12.63～22.08m。

以上描述僅為本申請的較佳實施例以及對所運用技術原理的說明。本領域技術人員應當理解，本申請中所涉及的發明范圍，并不限于上述技術特征的特定組合而成的技術方案，同時也應涵蓋在不脫離所述發明構思的情況下，由上述技術特征或其等同特征進行任意組合而形成的其它技術方案。例如上述特征與本申請中公開的(但不限于)具有類似功能的技術特征進行互相替換而形成的技術方案。