本公开一般涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种高抽巷采动合理位置的确定方法及装置。

背景技术：

瓦斯事故是目前煤矿生产中发生频率最高、危险程度最大、破坏最为严重的灾害之一。综放开采受多种因素制约，尤其是煤层瓦斯的制约。随着矿井开采向深部延伸，瓦斯含量和瓦斯压力越来越大，瓦斯制约生产的“瓶颈”问题也越来越突出，仅靠风排瓦斯已无法保证正常生产，放顶煤的高强度开采使得工作面上隅角及回风巷内瓦斯屡屡超限，严重影响正常生产，并对人员和设备安全造成巨大威胁。

高抽巷作为一种有效抽放采空区瓦斯的手段，在我国很多高瓦斯矿区得到了广泛应用。高抽巷抽放效果好，抽放量大，随着回采强度的加大，裂隙形成越好，抽放效果越明显；正常回采过程中抽出的瓦斯浓度稳定，在回采结束后的一定时间内有稳定的抽出瓦斯浓度，可以降低下一煤层或同煤层工作面回采期间瓦斯管理的压力；便于日常管理、观测，易于控制瓦斯抽出量，改善工作面作业环境。合理布置顶板高抽巷，不仅可以从设计源头上解决工作面上隅角瓦斯超限问题，而且能够简化通风系统、增强瓦斯抽采效果。

高抽巷一旦投入使用后工作人员无法进入，由于下方工作面的采动影响，处于采动裂隙带内的高抽巷必然发生变形破坏，高抽巷的变形破坏情况直接影响临近层瓦斯抽采，制约着高瓦斯矿井的高产高效生产。目前国内外学者对高抽巷的采动变形破坏缺乏系统研究，因此，对高抽巷采动破坏机理及优化布置研究是十分有必要的。

高抽巷的最佳布置层位是否合理不仅与工作面瓦斯抽采效果紧密相关，而且可能影响高抽巷自身维护的难易程度，若将巷道布置在冒落带内，高抽巷不但会随采空区岩层冒落而破坏，而且它将处于矸石自然堆积区内，区域瓦斯浓度不稳定，抽放效果较差；若把高抽巷布置在弯曲下沉带内，带内岩层透气性差，不容易抽出瓦斯。因此，亟需提出一套切实可行的高抽巷采动合理位置的确定方法，以适应不断向深部延伸的矿井开采的需求。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种高抽巷采动合理位置的确定方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种高抽巷采动合理位置的确定方法，包括以下步骤：

确定采空区中冒落带的高度和裂缝带的范围；

将高抽巷的适宜层位选择在裂缝带中下部，并满足下列公式：

Hz＝Hm+ΔHm，

Hm＜Hz＜Hl，

其中，

Hz为高抽巷层位高度，m；

Hm为冒落带高度，m；

ΔHm为防止高抽巷破坏安全保险高度，取1～1.5倍采高，m；

Hl为裂缝带高度，m。

所述冒落带高度采用下式计算：

Hm＝h/(k－1)cosα

式中：

h为采高；

k为冒落岩石平均碎胀系数；

α为煤层平均倾角。采用冒落带的理论计算其高度，

所述裂缝带高度采用下式计算：

Hl＝100h/(ah+b)±c

a、b、c为待定常数，由裂缝带的岩性确定。

当所述岩性为坚硬岩石时，a＝1.2,b＝2.0,c＝8.9；当所述岩性为中硬岩石时，a＝1.6,b＝3.6,c＝5.6；当所述岩性为软弱岩石时，a＝3.1,b＝5.0,c＝4.0；当所述岩性为极软弱岩石时，a＝5.0,b＝8.0,c＝3.0。

本申请实施例还提供了另一种高抽巷采动合理位置的确定方法，包括以下步骤：

确定高抽巷层位高度Hz，其中，Hz满足下式：

h(k-l)cosα＜Hz＜100h/(ah+b)±c

其中，

h为采高；

k为冒落岩石平均碎胀系数；

α为煤层平均倾角；

a、b、c为待定常数，由a、b、c待定常数取值表确定。

第二方面，本申请实施例提供了一种高抽巷采动合理位置的确定装置，包括：

获取单元，配置用于获取采空区冒落带的高度和裂缝带的范围；

分析单元，配置用于根据所述冒落带的高度、裂缝带的高度范围和采高确定高抽巷的适宜层位。

所述高抽巷的适宜层位选择在裂缝带中下部，并满足下列公式：

Hz＝Hm+ΔHm，

Hm＜Hz＜Hl，

其中，

Hz为高抽巷层位高度，m；

Hm为冒落带高度，m；

ΔHm为防止高抽巷破坏安全保险高度，取1～1.5倍采高，m；

Hl为裂缝带高度，m。

所述冒落带高度采用下式计算：

Hm＝h/(k－1)cosα

式中：

h为采高；

k为冒落岩石平均碎胀系数；

α为煤层平均倾角。

所述高抽巷的适宜层位满足下列公式：

Hl＝100h/(ah+b)±c

a、b、c为待定常数，由a、b、c待定常数取值表确定。

确定高抽巷层位高度Hz，其中，Hz满足下式：

h(k-1)cosα＜Hz＜100M(ah+b)±c

其中，

h为采高；

k为冒落岩石平均碎胀系数；

α为煤层平均倾角；

a、b、c为待定常数，由a、b、c待定常数取值表确定。

当所述岩性为坚硬岩石时，a＝1.2,b＝2.0,c＝8.9；当所述岩性为中硬岩石时，a＝1.6,b＝3.6,c＝5.6；当所述岩性为软弱岩石时，a＝3.1,b＝5.0,c＝4.0；当所述岩性为极软弱岩石时，a＝5.0,b＝8.0,c＝3.0。

本申请实施例提供的高抽巷采动合理位置的确定方案，根据矿山压力规律研究，随着工作面的回采，采空区周围的岩层由于受到采动应力场的影响，在垂直方向上由下而上形成冒落带、裂缝带和弯曲下沉带；在水平方向上由前到后形成煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。当工作面推进一定距离后，原来的离层区被逐步压实，采空区中部上覆岩层的离层裂隙与竖向裂隙趋于压实闭合，而在工作面开切眼、终采线侧、工作面进回风巷侧，由于煤柱的支撑作用离层裂隙能够长期存在，从而在采空区四周存在一个连通的采动裂隙发育区，即“O”形圈。本申请实施例提供的高抽巷抽放就是将巷道布置在裂缝带和“O”形裂隙圈影响范围内，以达到抽放采空区高浓度瓦斯的目的。在进行高抽巷层位选择时，从保证抽放效果的角度出发，选择在瓦斯涌出密集区，且满足工作面回采后不会很快被破坏。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了本申请实施例中回采工作面前后方的应力分布图；

图2示出了本申请实施例中采空区及其两侧煤体或煤柱的应力分布图；

图3示出了本申请实施例中护巷煤柱在回采工作面前后方的应力分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1综放工作面矿压显现规律

1.1综放工作面采场覆岩的结构特征

综放开采时采空区顶板岩层从下向上一般会出现冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带在开采和冒落岩层本身空间未被冒落岩块充满前发生，一般都是自由垮落，失去原有的层次，岩层结构破坏严重，彼此之间没有力学的联系。冒落带的厚度取决于煤层的开采厚度、顶板岩层性质及其赋存状况等。当顶板岩层的冒落高度达到Σh时，由于受到充满采空区的垮落岩石的限制，上部岩层不再自由垮落，随着冒落带松散岩石的压实而下沉断裂，形成裂隙带。裂隙带的岩层结构虽遭破坏，但仍保持原有层次，岩块之间绞接挤压，可能形成力的平衡，而承受上覆岩层的重量，并将其传递到采空区周围的煤体或煤柱上。裂隙带岩层往上，裂隙逐渐减少且互不沟通，岩层只是整体移动，称弯曲下沉带。煤层采出的高度M越大，则不规则冒落带高度Σh越高，根据提供的地质资料和井下实测，Σh/M平均为1.12。随着煤层的采出，顶板岩层垮落后，采空区的充填程度与煤层采出高度之间的关系可用下式表示：

K(∑h+M)＝kp[Σh+(1-η)]M

式中：K—采空区充填系数；Σh—垮落岩层厚度；M—煤层采出高度；kp—冒落矸石和碎煤的碎胀系数；η—煤炭回收率。令N＝Σh/M，并取η＝0.9；N＝1.12；kp＝1.25。则有：

 

即当采空区充填系数K达到0.72以上时，其上顶板变形和冒落过程中，彼此之间的力学联系将加强。不规则冒落带顶板冒落充填采空区后，采空区仍有一部分空间尚未充满，随着工作面推进，悬露的顶板将继续冒落，冒落高度随之增加。如果顶板弯曲下沉过程中形成的挤压平衡结构在失稳前或失稳过程中与冒落顶板接触，此时，冒落高度将趋于稳定，高度不再增加。随着工作面的推进，进入断裂带的最下层硬岩(第1硬岩层)形成砌体梁动态平衡结构，这层硬岩的断裂下沉将导致它所控制的上覆软岩随之协调变形，并与它的上覆硬岩(第2硬岩层)产生离层并形成自由空间Δ，如果第2硬岩层也满足基本顶岩层厚度大于其下自由空间高度的1.5倍和基本顶断裂岩块的长度要大于岩块厚度的2倍，则它又有形成砌体梁结构并与它所控制的软岩随工作面推进动态前移，依此类推，如果第n层硬岩层下的自由空间高度为Δn，则根据弹性地基梁计算的第n层硬岩极限跨距时岩层的最大弯曲下沉量γn为：

 

式中：qn—该硬岩上覆岩层载荷；En—弹性模量；In—该硬岩的惯性矩；

 

l—该硬岩极限跨距之半；ω＝(k/EnIn)1/4k为Winkler弹性地基系数，k＝(E0/d0)1/2，其中E0为地基的弹性模量，d0为垫层厚度。如果满足γn≥Δn，即第n层硬岩达到极限跨距时在跨距中部已经触矸，则该硬岩不会断裂，当然，随着工作面的推进，采空区矸石逐步被压实，该层硬岩将产生小的裂缝，该硬岩进入弯曲下沉带。鉴于煤壁支撑影响角的存在和受顶煤结构力学特征的影响，工作面支架的工作阻力将无法改变基本顶平衡结构的回转下沉运动，即基本顶以“给定变形”的方式作用于直接顶，并部分地传递给支架。基本顶平衡结构的回转下沉量大小主要取决于煤层采出高度、冒落带高度、冒落矸石和碎煤的碎胀系数、工作面回收率和基本顶平衡结构等效回转跨度。各参数之间的关系如下：

 

式中：θ—基本顶平衡结构体回转下沉角；

ld—基本顶平衡结构等效回转跨度。将N＝Σh/M代入，得：

 

取kp＝1.25，η＝0.9。则：

 

1.2沿工作面推进方向的应力变化

沿回采工作面推进方向，采空区上部岩层的破坏过程大致可分为三个阶段。冒落带岩层处于垮落和松散阶段，上覆岩层大部分呈悬垂状态，悬垂岩层的重量要转移到工作面前方和采空区两侧的煤体或煤柱上。此时，采空区为低于原始应力γH的降压区，在工作面前方和采空区两侧的煤体或煤柱上，出现了比原始应力大得多的集中应力，常称为支承压力。随着回采工作面的推进，冒落带岩石逐步被压缩，采空区上覆岩层的重量，逐渐作用到底板上，采空区两侧的煤体或煤柱的支承压力也渐渐降低。在远离回采工作面的后方，随着采空区上覆岩层的沉降，冒落带矸石的压实，冒落带和底板岩层的压力逐渐恢复到接近原始应力γH，采空区两侧的煤体或煤柱的压力也趋向稳定。在回采期间，沿回采工作面前后方的应力分布如图1所示。图中，Ⅰ-工作面前方应力变化区；Ⅱ-控顶区；Ⅲ-冒落岩石松散区；Ⅳ-冒落岩石逐渐压缩区；Ⅴ-冒落岩石压实区A-原始应力区；B-应力增高区；C-应力降低区；D-应力稳定区。

在采动影响下，沿回采工作面推进方向，回采空间两侧煤体或煤柱的应力，随着与工作面的距离和时间不同而发生很大变化，一般出现三个应力区。远离工作面的前方，未受采动影响的原始应力区；在工作面附近，受采动影响的应力增高区；远离工作面的后方，采动影响趋向稳定的应力稳定区。应力增高区B由应力升高、应力强烈和应力减弱三部分组成。在其它条件变化不大的情况下，布置在工作面上下两侧的采准巷道，围岩变形和煤体或煤柱应力分布基本上是一致的。如图2所示，其中，A-原始应力区；B1和B2-应力增高区；C-应力降低区；D-应力稳定区。

沿回采工作面推进方向，回采空间前后的应力分布，与回采空间两侧煤体或煤柱的应力分布是紧密联系的，它们反映了采动引起的应力重新分布的基本状况，对分析研究采准巷道的维护十分重要。采空区上覆岩层的运动和破坏，引起煤体或煤柱上载荷急剧增长，再逐渐下降和趋向稳定的过程，以及各个应力区的分布范围和持续时间，是决定采准巷道维护的主要因素。如图3所示，其中，A-原始应力区；B-应力增高区；D-应力稳定区。

由于工作面的回采，导致采空区周边围岩在一定范围内的破坏和变形，使其应力重新分布，而这种应力的重新分布将直接影响相邻区段巷道的布置形式。随着工作面的回采，其顶板支承压力分布是动态变化的，顶板约束条件由四方嵌固向两侧嵌固的状态转化，弯矩进一步向两侧煤壁转移，从而导致顶板沿两侧煤壁嵌固端断裂。顶板中应力随与煤壁距离增加按负指数曲线规律递减。此时，由于煤壁周边应力超过煤层的极限抗压强度，边缘煤体遭到破坏而失去支承能力，使应力高峰深入煤层内部。在顶板自重和采动附加应力的影响下，顶板在两侧煤体内部发生断裂，形成以断裂线为界的内外两个应力场：在断裂线和煤体边的依据。

2高抽巷合理布置位置确定

通过对综放工作面矿压显现规律和采场覆岩的结构特征的分析，高抽巷的布置时应保证瓦斯的抽采效率，并同时降低巷道支护成本。提高瓦斯的抽采效率，应尽量使巷道布置在巷道顶板的裂隙扩展带影响范围内，为提高巷道支护质量，保证锚杆锚索预应力的扩散，应尽量保持巷道围岩的完整，提高巷道支护性能。

2.1综放工作面“三带”的确定

随着我国采煤机械化的发展、采煤工作面长度的加长、推进速度的加快、开采强度的加大，回采过程中瓦斯涌出量骤增，仅仅依靠原有的钻孔抽放瓦斯的方式已不能完全解决高产高效工作面瓦斯超限问题。因此，许多学者开始对高抽巷抽放瓦斯进行研究和试验，并取得了较好的应用效果。由于高抽巷具有抽放量大、抽放效率高等特点，目前已经在许多矿区得到广泛应用。高抽巷的抽放效果受到许多影响因素的制约，包括高抽巷的层位布置、水平投影与回风巷的距离、抽放负压以及密闭质量等，而高抽巷的层位布置是保证抽放效果的最关键的因素。高抽巷布置太低，容易与采空区连通，造成漏风增加，抽放浓度降低；如果布置太高，处于顶板弯曲下沉带，瓦斯流动通道不畅通，同样不能消除瓦斯超限问题。因此，在高抽巷布置之前，对其层位的选择进行科学合理的分析是非常必要的。特选取2302附近全长钻孔LAC54为对象，通过理论计算确定常村矿2302工作面的裂隙发育带，以便为高抽巷合理层位的确定提供可靠的依据。

根据矿山压力规律研究，随着工作面的回采，采空区周围的岩层由于受到采动应力场的影响，在垂直方向上由下而上形成冒落带、裂缝带和弯曲下沉带；在水平方向上由前到后形成煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。当工作面推进一定距离后，原来的离层区被逐步压实，采空区中部上覆岩层的离层裂隙与竖向裂隙趋于压实闭合，而在工作面开切眼、终采线侧、工作面进回风巷侧，由于煤柱的支撑作用离层裂隙能够长期存在，从而在采空区四周存在一个连通的采动裂隙发育区，即“O”形圈。高抽巷抽放就是将巷道布置在裂缝带和“O”形裂隙圈影响范围内，以达到抽放采空区高浓度瓦斯的目的。在进行高抽巷层位选择时，从保证抽放效果的角度出发，应选择在瓦斯涌出密集区，且满足工作面回采后不会很快被破坏。因此，高抽巷的适宜层位应选择在裂缝带中下部，其计算公式如下:

Hz＝Hm+ΔHm

Hm＜Hz＜H1

式中:Hz—高抽巷层位高度，m；Hm—冒落带高度，m；ΔHm—防止高抽巷破坏安全保险高度，取1～1.5倍采高，m；Hl—裂缝带高度，m。经以上分析得到，在布置顶板瓦斯抽放巷之前，必须要对回采工作面采空区上覆岩层裂隙发育带进行确定，才能准确确定高抽巷层位。否则，就达不到治理回采工作面瓦斯的目的。冒落带理论高度Hm采用下式计算:

Hn7＝h/(k-1)cosα

式中：h—采高，取6.3m；k—冒落岩石平均碎胀系数，取1.5；α—煤层平均倾角，取4°。裂缝带理论高度采用下式计算:

Hl＝100h/(ah+b)±c

式中，a、b、c为待定常数，需依据煤矿设计规范确定，见表1。

表1a、b、c待定常数取值表

 

从以上分析可以得出:高抽巷层位高度Hz应满足:

h(k-1)cosα＜Hz＜100h/(ah+b)±c

根据常村矿现场实际情况，采高6.3m，冒落岩石平均碎胀系数1.5，煤层倾角4°，煤层上覆岩层以泥岩、砂岩为主，将相关数据代入式(4-9)、(4-10)得到冒落带理论高度为12.63m，裂缝带理论高度为40.45～51.65m，根据上式可得高抽巷层位理论高度应布置在12.63～51.65的范围之内。综上所述，冒落带高度为12.63m，裂隙发育带范围为12.63～51.65m，结合2103工作面实际情况，将防止高抽巷破坏的安全高度选为1.5倍采高，计算可得高抽巷层位高度确定为12.63～22.08m。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。