一种过渡支架区三缝周期切顶自成巷帮的沿空留巷方法与流程

本发明涉及采矿工程技术领域，尤其是一种过渡支架支护区域三线切顶加固直接顶周期放落自成巷帮的沿空留巷方法。

背景技术：

随采深增加，长壁留煤柱开采的开采方法带来一系列问题，例如巷道掘进量大，采掘接替紧张，留设煤柱导致煤炭资源浪费，以及煤柱应力集中导致动力灾害等问题。通过沿空留巷开采技术可以有效解决上述问题，但是现在传统的沿空留巷通过巷旁充填或砌墙支护顶板，系统复杂，工艺繁琐，且巷旁充填体或墙体难以适应巷道围岩变形易发生损坏。

现有的切顶成巷工艺在实施过程中，由于通过巷旁爆破或者水力压裂等方法切顶，切顶后利用巷道内部的锚杆锚索和单体液压支柱支护顶板，除去巷旁充填体或砌墙的方法，还有挡矸形成巷道的方法。这些切顶的方法顶板分层垮落碎矸容易涌入巷道，导致巷道内条件较差，另外上述方法挡矸困难，需要额外的进行锚杆锚固和矸石注浆密封，工作量大，成巷后也容易发生漏风，影响下一工作面的安全生产，因此需要对现有的沿空留巷技术作进一步的改进。

技术实现要素：

为解决目前沿空留巷过程中挡矸困难，施工复杂的技术问题，本发明提供了一种过渡支架区三缝周期切顶自成巷帮的沿空留巷方法，具体技术方案如下。

一种过渡支架区三缝周期切顶自成巷帮的沿空留巷方法，步骤包括：

a.沿空留巷的巷道使用锚杆和锚索加强支护，巷旁设置单体液压支柱；

b.在沿空留巷的巷道内，工作面的超前位置布置内侧走向切顶线；

c.在工作面后方的过渡支架区布置外侧走向切顶线，内侧走向切顶线和外侧走向切顶线之间形成切顶区域，随工作面回采同时在切顶区域加设锚杆和锚索；

d.计算组合岩梁的最大悬顶距，确定切顶步距，所述切顶步距小于最大悬顶距，工作面每推进超过切顶步距的距离布置倾向切顶线；

e.组合岩梁下落形成巷帮，封堵巷帮和巷道顶板之间的缝隙；

f.随工作面推进重复步骤b至e，巷道围岩稳定后撤出单体液压支柱，完成沿空留巷。

优选的是，内侧走向切顶线布置在沿空留巷的巷道内，内侧走向切顶线从巷道内贯穿直接顶，到达基本顶；内侧走向切顶线的深度大于直接顶厚度mz，所述直接顶厚度为：

其中ha为采高，sa为岩梁实际沉降值，k为岩梁下部垮落岩层碎胀系数。

优选的是，外侧走向切顶线从工作面顶板贯穿上覆岩层的厚度大于巷道的高度h，贯穿上覆岩层自下而上每层的厚度为c1、c2、c3···cn，外侧走向切顶线的切顶深度为h，根据公式：h>c1+c2+c3+···+cn>h，确定外侧走向切顶线的切顶深度。

进一步优选的是，倾向切顶线的切顶深度等于外侧走向切顶线的切顶深度，倾向切顶线的切顶钻孔向采空区一侧倾斜且倾斜角度小于5°。

进一步优选的是，外侧走向切顶线布置在工作面后方，内侧走向切顶线和外侧走向切顶线平行布置，内侧走向切顶线和外侧走向切顶线之间的距离为2.5～5m。

优选的是，沿空留巷的巷道在工作面切眼位置布置第一条倾向切顶线，随工作面的推进间隔2～3m布置第二条倾向切顶线。

优选的是，锚索贯穿软弱直接顶伸入坚硬直接顶，根据顶板岩层完整性调整支护密度。

还优选的是，巷帮和巷道顶板之间的缝隙通过喷射膨胀泡沫或者喷浆进行填充封堵。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供了一种过渡支架区三缝周期切顶自成巷帮的沿空留巷方法，通过布置平行的内侧走向切顶线和外侧走向切顶线形成切顶区域，在切顶区域内布置倾向切顶线，将直接顶部分切下落至沿空留巷的巷道一侧形成巷帮，由于切顶区域提前设置锚杆和锚索，因此成巷的切顶部分完整，从而避免了大量矸石进入巷道，节省了挡矸等工序。

(2)该方法还具有减少掘进工作面，从而缓解采掘接续紧张的问题，并且能够不留煤柱减少煤炭资源的浪费，防止煤柱应力集中，从而避免煤与瓦斯突出危险；由于该方法不需要进行巷旁充填和砌墙挡矸，仅需要在过渡支架区域进行切顶，从而增大了留巷的施工空间，留巷施工对工作面回采的影响较小。

(3)本发明提供的沿空留巷方法通过三条切顶线切落直接顶，形成巷帮，切顶后切断了顶板的应力传递，有效的避免了采空区悬顶，改善了沿空留巷的应力环境，降低了沿空留巷围岩的围压，有效的控制了沿空留巷巷道的围岩变形量；另外本发明还具有工艺简单，施工效率高等优点。

附图说明

图1是沿空留巷的方法流程示意图；

图2是沿空留巷工作面和巷道布置示意图；

图3是图2的a-a截面示意图；

图4是图2的b-b截面示意图；

图5是切顶线布置位置示意图；

图6是改进的切顶线布置情况示意图。

图中：1-内侧走向切顶线；2-外侧走向切顶线；3-倾向切顶线；4-切眼；5-锚杆；6-锚索；7-直接顶；8-基本顶；9-采空区；10-过渡支架。

具体实施方式

结合图1至图6所示，本发明提供的一种过渡支架区三缝周期切顶自成巷帮的沿空留巷方法，具体实施方式如下。

实施例1

一种过渡支架区三缝周期切顶自成巷帮的沿空留巷方法具体的施工步骤包括：

步骤a.沿空留巷的巷道使用锚杆5和锚索6加强支护，巷旁设置单体液压支柱，进行临时支护，液压支柱采用特殊支架方便在顶板施工。

步骤b.在沿空留巷的巷道内，工作面的超前位置，工作面过渡支架区域，布置内侧走向切顶线1，在巷道内施工可以超前工作面布置切顶线，主要是设置切顶钻孔。

其中内侧走向切顶线1布置在沿空留巷的巷道内，内侧走向切顶线1从巷道内贯穿直接顶7，到达基本顶8，内侧走向切顶线1还可以向工作面一侧倾斜一定的角度，倾角应小于5°。另外，内侧走向切顶线1的深度大于直接顶厚度mz，所述直接顶7厚度为：

其中ha为采高，sa为岩梁实际沉降值，k为岩梁下部垮落岩层碎胀系数，直接顶厚度根据钻探资料和具体的施工钻孔资料，以及实际的开采情况，经过计算确定。

步骤c.在工作面后方布置外侧走向切顶线2，外侧走向切顶线2在过渡支架控顶区布置，内侧走向切顶线1和外侧走向切顶线2之间形成切顶区域。切顶区域通过锚杆5和锚索6固定，固定的岩层形成组合岩梁，随工作面回采同时在切顶区域加设锚杆5和锚索6，在工作面过渡支架下开始施工锚杆5和锚索6，工作面推进后施工外侧走向切顶线2。

外侧走向切顶线2从工作面顶板贯穿上覆岩层的厚度大于巷道的高度h，贯穿上覆岩层自下而上每层的厚度为c1、c2、c3···cn，外侧走向切顶线的切顶深度为h，根据公式：h>c1+c2+c3+···+cn>h，确定外侧走向切顶线2的切顶深度，根据切顶深度施工切顶钻孔。

外侧走向切顶线2布置在工作面后方，内侧走向切顶线1和外侧走向切顶线2平行布置，内侧走向切顶线1和外侧走向切顶线2之间的距离2-3个液压支架，宽度大约为2.5～5m。

在过渡支架10下方施工，布置的锚索贯穿软弱直接顶伸入坚硬直接顶，保证直接顶7形成较完整的组合岩梁，从而形成完整的巷帮，根据顶板岩层完整性调整锚杆和锚索的支护密度，当顶板岩性较差、分层多或裂隙发育时，增大支护密度；当顶板岩性较好、分层少且顶板完整时，减小锚杆锚索的支护密度。

另外，如图6所示，倾向切顶线为折线，随着折线的内侧角的减小摩擦力逐渐增大，从而可以根据实际的施工情况调整折线的夹角，实现对顶板下落速度的控制，通过改进切顶线的布置方式，从而增大切顶后的接触面积，降低切顶的下落速度。

步骤d.计算组合岩梁的最大悬顶距，确定切顶步距，具体的最大悬顶距可以根据开采数据实计算确定，也可以根据相连工作面的实际测量情况确定，还可以通过顶板岩层分布和岩性通过理论计算确定。沿空留巷的巷道在工作面切眼4位置布置第一条倾向切顶线，随工作面的推进间隔2～3m布置第二条倾向切顶线。切顶步距小于最大悬顶距，工作面每推进超过切顶步距的距离布置一条倾向切顶线，具体情况根据工作面推进过程中的施工进行调整。

倾向切顶线3的切顶深度等于外侧走向切顶线2的切顶深度，倾向切顶线3的切顶钻孔向采空区9一侧倾斜且倾斜角度小于5°，保证了组合岩梁整体顺利下落。

通过布置平行的内侧走向切顶线和外侧走向切顶线形成切顶区域，在切顶区域内布置倾向切顶线，将直接顶部分切下落至沿空留巷的巷道一侧形成巷帮，由于切顶区域提前设置锚杆和锚索，因此成巷的切顶部分完整，从而避免了大量矸石进入巷道，节省了挡矸等工序。

步骤e.通过在倾向切顶线3、内侧走向切顶线1和外侧走向切顶线2进行水力压裂或者定向聚能爆破完成切顶，使得组合岩梁下落形成巷帮，封堵巷帮和巷道顶板之间的缝隙。巷帮和巷道顶板之间的缝隙通过喷射膨胀泡沫或者喷浆进行填充封堵，由于巷帮整体完整，仅是巷帮上部或组合岩梁块之间存在缝隙，所以对缝隙的封堵施工方便。

通过三条切顶线切落部分直接顶7，形成巷帮，切顶后切断了顶板的应力传递，有效的避免了采空区悬顶，改善了沿空留巷的应力环境，降低了沿空留巷围岩的围压，有效的控制了沿空留巷巷道的围岩变形量。

步骤f.随工作面推进重复步骤b至e，沿工作面逐段切顶，切顶后组合岩梁形成的类长方体岩块紧密排列在巷旁形成巷帮，巷道围岩稳定后撤出单体液压支柱，完成沿空留巷。

该方法还具有减少掘进工作面，从而缓解采掘接续紧张的问题，并且能够不留煤柱减少煤炭资源的浪费，防止煤柱应力集中，从而避免煤与瓦斯突出危险；由于该方法不需要进行巷旁充填和砌墙挡矸，仅需要在过渡支架区域进行切顶，从而增大了留巷的施工空间，留巷施工对工作面回采的影响较小。另外本发明还具有工艺简单，施工效率高等优点。

实施例2

为进一步的说明过渡支架区三缝周期切顶直接顶成巷的沿空留巷方法的施工工艺，以某矿1201工作面和1202工作面为例，对本发明作进一步的详细说明。

该矿井的1201工作面和1202工作面相邻，主采2煤，煤层厚度平均3.2m，煤层层位稳定，厚度变化不大。顶板岩层自下向上依次为砂质泥岩平均厚度约为0.8m；细砂岩平均厚度约为2.8m；粉砂岩平均厚度约为7m。回采巷道沿底掘进，断面形状为矩形，两个工作面之间采用沿空留巷的方法留设回采巷道。

通过本发明提供的方法进行沿空留巷的具体施工步骤包括：

步骤a.沿空留巷的巷道使用锚杆5和锚索6加强支护，其中锚杆5的间排距为1×1m，长度1.5m锚索6的间排距为2×2m，长度4m；巷旁每隔0.5m设置单体液压支柱，进行临时支护，液压支柱采用特殊支架方便在顶板施工。

步骤b.在沿空留巷的巷道内工作面的超前位置布置内侧走向切顶线，在巷道内施工可以超前工作面50～100m的布置切顶线，主要是设置切顶钻孔，便于通过爆破或者水压致裂切顶。

其中内侧走向切顶线1布置在沿空留巷的巷道内侧，内侧走向切顶线1从巷道内贯穿直接顶，到达基本顶7，内侧走向切顶线1还可以向工作面一侧倾斜一定的角度，倾角应小于4°左右。另外，内侧走向切顶线1的深度大于直接顶7的厚度3.6m，该矿井设置的切顶钻孔深度为6m。

步骤c.在工作面后方布置外侧走向切顶线，内侧走向切顶线1和外侧走向切顶线2之间形成切顶区域。切顶区域通过锚杆和锚索固定，固定的岩层形成组合岩梁，随工作面回采同时在切顶区域加设锚杆5和锚索6，在工作面过渡支架下开始施工锚杆和锚索，工作面推进后施工外侧走向切顶线。

外侧走向切顶线2从工作面顶板贯穿上覆岩层的厚度大于巷道的高度3.2m，贯穿上覆岩层的厚度为0.8m+2.8m＝3.6m，外侧走向切顶线的切顶深度为h，根据公式：h>3.6m>3.2m，确定外侧走向切顶线的切顶深度，根据切顶深度施工切顶钻孔3.8m。

外侧走向切顶线2布置在工作面后方，内侧走向切顶线1和外侧走向切顶线2平行布置，内侧走向切顶线1和外侧走向切顶线2之间的距离3个液压支架，宽度大约为4.5m。

在过渡支架10下方施工，布置的锚索贯穿软弱直接顶伸入坚硬直接顶，保证直接顶形成较完整的组合岩梁，从而形成完整的巷帮，根据巷道实际情况设置锚杆的间排距为0.8×0.8m，锚杆长度为1.8m，锚索的间排距为1.6×1.6m，锚索的长度为3.2m。

步骤d.计算组合岩梁的最大悬顶距，根据最大悬顶距确定切顶步距为3.6～5m，沿空留巷的巷道在工作面切眼4位置布置第一条倾向切顶线，随工作面的推进间隔2.5m布置第二条倾向切顶线。切顶步距小于最大悬顶距，工作面每推进超过切顶步距的距离布置一条倾向切顶线，具体情况根据工作面推进过程中的施工进行调整。

倾向切顶线3的切顶深度等于外侧走向切顶线的切顶深度，倾向切顶线3的切顶钻孔向采空区9一侧倾斜且倾斜角度为4°，保证了组合岩梁整体顺利下落。

步骤e.通过在倾向切顶线3、内侧走向切顶线1和外侧走向切顶线2进行水力压裂或者定向聚能爆破完成切顶，使得组合岩梁下落形成巷帮，封堵巷帮和巷道顶板之间的缝隙。巷帮和巷道顶板之间的缝隙通过喷射膨胀泡沫进行填充封堵，由于巷帮整体完整，仅是巷帮上部或组合岩梁块之间存在缝隙，所以对缝隙的封堵施工方便。

步骤f.随工作面推进重复步骤b至e，沿工作面逐段切顶，切顶后组合岩梁形成的类长方体岩块紧密排列在巷旁形成巷帮，巷道围岩稳定后撤出单体液压支柱，完成沿空留巷，施工简单，不需要进行挡矸处理。

根据监测在本矿井未采取切顶卸压的位置工作面回采巷道顺槽围岩变形严重，本工作面采用切顶成巷的位置顺槽内巷道围岩变形量小，避免了煤柱应力集中，矿压显现不明显，巷道内矸石量少，因此证明本发明提供的沿空留巷方法具有较好的效果。

另外该方法在0.8m～1.3m的薄煤层、中硬及以上顶板的开采条件下应用效果更好，在薄煤层中的应用实例中发现薄煤层中切顶能够更好保证顶板的完整性和连续性，从而实现就地取材，降低了成巷的成本。

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。