本发明涉及矿山压力与巷道支护技术领域，特别是涉及一种深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法。
背景技术：
长期以来，我国矿井多采用留设护巷煤柱的方式进行开采和维护巷道，导致煤炭损失量很大，一般占全矿煤炭损失总量的40％左右。因此，研究区段间无煤柱开采技术，对大多数煤矿企业，无论是从提高煤炭资源回收率还是降低巷道掘进率上来讲，都是行之有效的良好手段。随着矿井开采范围和开采深度的增加，深部围岩所处的“三高一扰动”复杂环境给沿空留巷技术的应用带来一系列的问题：沿空巷道围岩压力增大，动载扰动增多，围岩变形量显著增大，传统的锚杆(索)+充填体支护技术已不能满足深部沿空巷道的支护要求，特别是在巷旁悬顶较大时，巷道维护变得异常困难。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，采用“巷内注浆加固+巷旁钻孔预裂”的方式，解决在深部矿井采用无煤柱开采施工时难以满足深部沿空巷道支护要求的技术问题。
本发明提供一种深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，包括以下步骤：
步骤一、测定深部回采巷道实现切顶留巷所需技术参数
技术参数包括：
采高h，单位为m；
基本顶断裂线距煤壁距离l0，单位为m；
基本顶岩梁长度l1，单位为m；
直接顶悬顶长度ls，单位为m；
巷道宽度lr，单位为m；
上覆岩层容重γs，单位为kn/m3；
上覆岩层厚度ms，单位为m；
基本顶岩层容重γe，单位为kn/m3；
基本顶岩层厚度me，单位为m；
直接顶岩层容重γz，单位为kn/m3；
直接顶岩层厚度mz，单位为m；
步骤二、深部回采巷道掘进期间注浆锚索支护施工
步骤2.1、确定注浆锚索长度l
l＝la+lb+lc+ld，
式中：l为注浆锚索总长度，单位为m；
la为注浆锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，单位为m；
lb为有效长度，单位为m；
lc为上托盘及锚具的厚度，单位为m；
ld为需要外露的张拉长度，单位为m；
其中，注浆锚索深入到较稳定岩层的锚固长度la由下式确定：
式中：d1为注浆锚索钢绞线直径，单位为mm；
fa为钢绞线抗拉强度，单位为mpa；
fc为注浆锚索与锚固剂的粘合强度，单位为mpa；
k为安全系数；
步骤2.2、确定注浆锚索直径d
注浆锚索索体的破断力应不小于其锚固力，则注浆锚索直径应满足的条件为：
式中：fm为注浆锚索锚固力，由拉拔试验可得，单位为kn；
σt为注浆锚索的设计抗拉强度，单位为mpa；
步骤2.3、确定注浆锚索间排距a
注浆锚索间排距a应满足下列公式：
式中：f为煤层坚固性系数；
γ为被悬吊岩层的重力密度，单位为kn/m3；
步骤2.4、按照注浆锚索长度l、直径d和间排距a，对回采巷道围岩进行支护，滞后进行注浆，有利于应力释放、浆液扩散和围岩加强支护；
步骤三、工作面回采期间巷旁超前切顶钻孔施工
步骤3.1、确定巷旁切顶高度mc
确定侧向基本顶的允许回转角[θ]：
式中：δh为满足运输、通风等功能要求时沿空巷道顶板最大下沉量，单位为m；
根据几何关系，巷旁切顶高度mc应满足下列关系：
mc·ka+l1sin[θ]-(mc-mz)＝mz+h，
式中：ka为顶板岩层压实后的碎胀系数，与垮落矸石性质有关，一般取1.15～1.35，
由此，可确定切顶高度mc：
步骤3.2、在工作面超前支承压力影响范围外进行巷旁切顶钻孔施工，钻孔垂直于巷道轴向并向正开采工作面倾斜一定角度，倾角α一般取75至85°，切顶钻孔长度为mc/sinα，使工作面切顶线附近顶板产生初始裂隙；
步骤四、工作面回采期间注浆锚索支护施工
步骤4.1、根据步骤二中掘进期间注浆锚索长度l，再根据回采期间注浆锚索长度lm应大于切顶高度以保证回采期间注浆锚索锚固在稳定的岩层中，综合确定回采期间注浆锚索长度lm：
lm＝max{l,mc/sinα+1.0～2.0m}；
步骤4.2、在工作面超前支承压力影响范围内，按照注浆锚索长度lm、直径d，沿切顶线内侧补打一排注浆锚索进行锁边支护，注浆锚索倾角应大于超前钻孔倾角α，滞后一段时间再进行注浆；
步骤五、工作面回采期间巷旁单体支柱支护施工
步骤5.1、确定巷旁单体支柱切顶力pc
为能够在巷道沿空侧有效切顶，切顶力pc必须满足如下力学条件：
pc＝max{p1,p2}
式中：p1为直接顶与基本顶处于连续接触，但基本顶对直接顶作用力为0的情形下，仅由直接顶悬顶所产生的单位宽度上的作用力，p1＝mzγzls；
p2为上覆岩层垮落时单体支柱所提供的支护反力，单位为kn；
由于顶板的抗拉强度最低，所谓的切顶就是在支护反力和顶板荷载的共同作用下，让切顶线处顶板达到其极限抗拉强度值，顶板的极限抗拉强度为：
式中：q′为实现顶板拉破坏时的等效顶板载荷集度；
[σt]′z为受工作面顶板运动等影响后，沿空巷道内顶板实际抗拉强度，单位为mpa，
m′z为受采动及顶板运动等影响后，沿空巷道内顶板有效抗弯厚度，单位为m，
qe为基本顶作用于直接顶上的荷载值，单位为kn，
仅考虑直接顶与基本顶能够连续接触，但不承受其作用力的极限状态时，qe可视为0，但达到直接顶垮落情况下，qe一般不为0，由此可得：
步骤5.2、确定巷旁单体支柱排距b
式中：r为巷旁单体支柱额定工作阻力，单位为kn/m2，
在工作面超前支承压力影响范围内，沿切顶线内侧补打一排注浆锚索进行锁边支护的同时，按照巷旁单体支柱排距b沿切顶线内侧布置一排单体支柱；
步骤六、辅助支护施工
随着工作面的推进，紧跟端头单体支柱利用金属网进行挡矸支护，待采空区顶板垮落稳定后，逐步回撤沿空巷道内的单体支柱，进行重复使用，待单体支柱回撤完成后对巷道沿空侧进行喷砼。
进一步的，注浆用的浆液包括硅酸盐水泥、添加剂和水，其中，添加剂包括早强剂、超塑化剂和微膨胀剂。
进一步的，步骤六中，在工作面推采过后，当巷旁切顶效果较差无法形成稳定的矸石墙时，采取辅助爆破切顶支护。
进一步的，步骤六中，每块金属网长度大于沿空巷道高度2至3米，相邻的金属网重叠布置。
与现有技术相比，本发明的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法及施工方法具有以下特点和优点：
1、本发明的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，利用注浆锚索支护强度大的特点，将直接顶与基本顶牢固固定在一起，使其共同运动，防止直接顶与基本顶产生离层，从而避免因离层而产生冲击；将直接顶重量转移至采空区矸石体上，减小巷旁支护结构受力，充分利用采空区矸石体进行承载；同时浆液在围岩裂隙中扩散，主动修复受损围岩，提高巷内顶板岩层强度和整体性。
2、本发明的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，利用巷旁施工超前钻孔，使顶板岩层在预定切顶位置产生初始裂隙，在超前支承压力和基本顶回转下沉运动作用下初始裂隙进一步扩展，多个钻孔围岩裂隙贯通形成切顶面，为顶板切落创造条件；同时，可以控制巷旁切顶高度和位置，实现精准切顶。
3、本发明的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，利用巷旁架设单体支柱，可对切顶线上的直接顶造成应力集中，使顶板岩层内部的原生裂隙及开采形成的裂隙扩展、延伸、发育，从而沿切顶线形成弱面；而且，工作面侧向直接顶可以看作悬臂梁，而单体支柱支撑的切顶线相当于悬臂梁的固定端，在基本顶回转下沉时产生支护反力，当单体支柱支护阻力足够大时，在切顶线处直接顶的下沉量将小于基本顶下沉量，在基本顶压力作用下，直接顶或部分基本顶(受钻孔深度等控制)将会沿切顶线切落；同时，单体支柱对采空区矸石体产生侧向约束力，提高其承载能力，并具有挡矸作用。
4、本发明的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，首先在工作面超前支承压力影响范围外打巷旁切顶钻孔，当超前支承压力影响到钻孔位置时，可使钻孔周围裂隙充分扩展甚至贯通，有利于切顶；然后，在工作面超前支承压力影响范围内，沿切顶线内侧打锁边注浆锚索并视情况补打巷内注浆锚索，滞后进行注浆，即围岩产生一定破坏后再注浆，可使应力得到较充分释放，且有利于浆液的扩散和围岩加强支护，同时在巷旁架设密集单体支柱进行支护，这种施工工艺能充分适应工作面侧向顶板运动规律，并有利于各支护结构特点的充分发挥。
5、本发明的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，分别给出了巷旁超前切顶钻孔、注浆锚索支护以及单体支柱支护的设计参数，克服了经验类比法所存在的不足，将各个参数进行量化，给出定量计算的公式，减少了估算的误差，提高了参数精度，有利于切顶卸压技术的顺利实施，使巷旁悬顶充分垮落，成本低，安全性高。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法的流程图；
图2为本发明实施例中用于深部矿井无煤柱开采的锚注切顶支护示意图；
图3为本发明实施例中用于深部矿井无煤柱开采的锚注切顶俯视图；
图4为图3中的a-a剖面图；
图5为图3中的b-b剖面图；
其中，1、上覆岩层，2、基本顶，3、直接顶，4、煤层，5、注浆锚索，6、基本顶岩梁，7、切顶线，8、单体支柱，9、金属网，10、基本顶断裂线，11、沿空巷道，12、采空区，13、工作面推进方向，14、工作面。
具体实施方式
如图1至图5所示，本实施例提供一种深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，包括以下步骤：
步骤一、测定深部回采巷道实现切顶留巷所需技术参数
技术参数包括：
采高h，单位为m；
基本顶断裂线10距煤壁距离l0，单位为m；
基本顶岩梁6长度l1，单位为m；
直接顶3悬顶长度ls，单位为m；
巷道宽度lr，单位为m；
上覆岩层1容重γs，单位为kn/m3；
上覆岩层1厚度ms，单位为m；
基本顶2岩层容重γe，单位为kn/m3；
基本顶2岩层厚度me，单位为m；
直接顶3岩层容重γz，单位为kn/m3；
直接顶3岩层厚度mz，单位为m。
步骤二、深部回采巷道掘进期间注浆锚索支护施工
步骤2.1、确定注浆锚索5长度l
l＝la+lb+lc+ld，
式中：l为注浆锚索5总长度，单位为m；
la为注浆锚索5深入到较稳定岩层的锚固长度，单位为m；
lb为有效长度，单位为m；
lc为上托盘及锚具的厚度，单位为m；
ld为需要外露的张拉长度，单位为m；
其中，注浆锚索5深入到较稳定岩层的锚固长度la由下式确定：
式中：d1为注浆锚索5钢绞线直径，单位为mm；
fa为钢绞线抗拉强度，单位为mpa；
fc为注浆锚索5与锚固剂的粘合强度，单位为mpa；
k为安全系数；
步骤2.2、确定注浆锚索5直径d
注浆锚索5索体的破断力应不小于其锚固力，则注浆锚索5直径应满足的条件为：
式中：fm为注浆锚索5锚固力，由拉拔试验可得，单位为kn；
σt为注浆锚索5的设计抗拉强度，单位为mpa；
步骤2.3、确定注浆锚索5间排距a
注浆锚索5间排距a应满足下列公式：
式中：f为煤层4坚固性系数；
γ为被悬吊岩层的重力密度，单位为kn/m3；
步骤2.4、按照注浆锚索5长度l、直径d和间排距a，对回采巷道围岩进行支护，滞后进行注浆，有利于应力释放、浆液扩散和围岩加强支护，注浆用的浆液包括硅酸盐水泥、添加剂和水，其中，添加剂包括早强剂、超塑化剂和微膨胀剂。
步骤三、工作面回采期间巷旁超前切顶钻孔施工
步骤3.1、确定巷旁切顶高度mc
确定侧向基本顶2的允许回转角[θ]：
式中：δh为满足运输、通风等功能要求时沿空巷道11顶板最大下沉量，单位为m；
根据几何关系，巷旁切顶高度mc应满足下列关系：
mc·ka+l1sin[θ]-(mc-mz)＝mz+h，
式中：ka为顶板岩层压实后的碎胀系数，与垮落矸石性质有关，一般取1.15～1.35，
由此，可确定切顶高度mc：
步骤3.2、在工作面14超前支承压力影响范围外进行巷旁切顶钻孔施工，钻孔垂直于巷道轴向并向正开采工作面14倾斜一定角度，倾角α一般取75至85°，切顶钻孔长度为mc/sinα，使工作面14切顶线7附近顶板产生初始裂隙。
步骤四、工作面回采期间注浆锚索支护施工
步骤4.1、根据步骤二中掘进期间注浆锚索5长度l，再根据回采期间注浆锚索5长度lm应大于切顶高度以保证回采期间注浆锚索5锚固在稳定的岩层中，综合确定回采期间注浆锚索5长度lm：
lm＝max{l,mc/sinα+1.0～2.0m}；
步骤4.2、在工作面14超前支承压力影响范围内，按照注浆锚索5长度lm、直径d，沿切顶线7内侧补打一排注浆锚索5进行锁边支护，注浆锚索5倾角应大于超前钻孔倾角α，滞后一段时间再进行注浆，注浆用的浆液包括硅酸盐水泥、添加剂和水，其中，添加剂包括早强剂、超塑化剂和微膨胀剂。
步骤五、工作面回采期间巷旁单体支柱支护施工
步骤5.1、确定巷旁单体支柱8切顶力pc
为能够在巷道沿空侧有效切顶，切顶力pc必须满足如下力学条件：
pc＝max{p1,p2}
式中：p1为直接顶3与基本顶2处于连续接触，但基本顶2对直接顶3作用力为0的情形下，仅由直接顶3悬顶所产生的单位宽度上的作用力，p1＝mzγzls；
p2为上覆岩层1垮落时单体支柱8所提供的支护反力，单位为kn；
由于顶板的抗拉强度最低，所谓的切顶就是在支护反力和顶板荷载的共同作用下，让切顶线7处顶板达到其极限抗拉强度值，顶板的极限抗拉强度为：
式中：q′为实现顶板拉破坏时的等效顶板载荷集度；
[σt]′z为受工作面14顶板运动等影响后，沿空巷道11内顶板实际抗拉强度，单位为mpa，
m′z为受采动及顶板运动等影响后，沿空巷道11内顶板有效抗弯厚度，单位为m，
qe为基本顶2作用于直接顶3上的荷载值，单位为kn，
仅考虑直接顶3与基本顶2能够连续接触，但不承受其作用力的极限状态时，qe可视为0，但达到直接顶3垮落情况下，qe一般不为0，由此可得：
步骤5.2、确定巷旁单体支柱8排距b
式中：r为巷旁单体支柱8额定工作阻力，单位为kn/m2，
在工作面14超前支承压力影响范围内，沿切顶线7内侧补打一排注浆锚索5进行锁边支护的同时，按照巷旁单体支柱8排距b沿切顶线7内侧布置一排单体支柱8。
步骤六、辅助支护施工
随着工作面14的推进(参照图中工作面推进方向13)，紧跟端头单体支柱8利用金属网9进行挡矸支护，每块金属网9长度大于沿空巷道11高度2至3米，相邻的金属网9重叠布置。待采空区12顶板垮落稳定后，逐步回撤沿空巷道11内的单体支柱8，进行重复使用，待单体支柱8回撤完成后对巷道沿空侧进行喷砼。在工作面14推采过后，当巷旁切顶效果较差无法形成稳定的矸石墙时，采取辅助爆破切顶支护。
本实施例的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，利用注浆锚索5支护强度大的特点，将直接顶3与基本顶2牢固固定在一起，使其共同运动，防止直接顶3与基本顶2产生离层，从而避免因离层而产生冲击；将直接顶3重量转移至采空区12矸石体上，减小巷旁支护结构受力，充分利用采空区12矸石体进行承载；同时浆液在围岩裂隙中扩散，主动修复受损围岩，提高巷内顶板岩层强度和整体性。
本实施例的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，利用巷旁施工超前钻孔，使顶板岩层在预定切顶位置产生初始裂隙，在超前支承压力和基本顶2回转下沉运动作用下初始裂隙进一步扩展，多个钻孔围岩裂隙贯通形成切顶面，为顶板切落创造条件；同时，可以控制巷旁切顶高度和位置，实现精准切顶。
本实施例的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，利用巷旁架设单体支柱8，可对切顶线7上的直接顶3造成应力集中，使顶板岩层内部的原生裂隙及开采形成的裂隙扩展、延伸、发育，从而沿切顶线7形成弱面；而且，工作面14侧向直接顶3可以看作悬臂梁，而单体支柱8支撑的切顶线7相当于悬臂梁的固定端，在基本顶2回转下沉时产生支护反力，当单体支柱8支护阻力足够大时，在切顶线7处直接顶3的下沉量将小于基本顶2下沉量，在基本顶2压力作用下，直接顶3或部分基本顶2(受钻孔深度等控制)将会沿切顶线7切落；同时，单体支柱8对采空区12矸石体产生侧向约束力，提高其承载能力，并具有挡矸作用。
本实施例的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，首先在工作面14超前支承压力影响范围外打巷旁切顶钻孔，当超前支承压力影响到钻孔位置时，可使钻孔周围裂隙充分扩展甚至贯通，有利于切顶；然后，在工作面14超前支承压力影响范围内，沿切顶线7内侧打锁边注浆锚索5并视情况补打巷内注浆锚索5，滞后进行注浆，即围岩产生一定破坏后再注浆，可使应力得到较充分释放，且有利于浆液的扩散和围岩加强支护，同时在巷旁架设密集单体支柱8进行支护，这种施工工艺能充分适应工作面14侧向顶板运动规律，并有利于各支护结构特点的充分发挥。
本实施例的深部回采巷道锚注切顶主控留巷方法，分别给出了巷旁超前切顶钻孔、注浆锚索5支护以及单体支柱8支护的设计参数，克服了经验类比法所存在的不足，将各个参数进行量化，给出定量计算的公式，减少了估算的误差，提高了参数精度，有利于切顶卸压技术的顺利实施，使巷旁悬顶充分垮落，成本低，安全性高。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。