一种切落直接顶做巷旁支护墙体的沿空留巷方法与流程

本发明涉及地下采矿方法技术领域，尤其是一种成块切落直接顶做巷旁支护墙体的沿空留巷方法。

背景技术：

无煤柱开采有利于提高煤炭回收率，同时也可以消除或减少因煤柱引起的灾害，近年来被广泛采用。随着煤炭资源枯竭进程的加快，无煤柱开采越来越重新得到行业的重视。沿空留巷是无煤柱开采的重要发展方向。沿空留巷具无煤柱护巷，提高了煤炭资源采出率、合理开发煤炭资源、延长矿井服务年限、有利于矿山可持续发展；沿空留巷变掘巷为留巷，减少巷道掘进量，降低冲击地压和瓦斯突出的危险性；实现“y”型通风，避免工作面上隅角瓦斯聚集，有利于矿山的安全生产；缩短了工作面准备时间，缓解采掘接替矛盾，提高矿山生产效率；不留煤柱取消了孤岛工作面及缩短搬家时间，减少集中应力的影响，有利于防止发生火灾，保障矿井安全生产并提高矿井技术经济效益等优点，因此被广泛应用于煤矿无煤柱开采领域。

巷旁支护是沿空留巷成功的关键，对沿空留巷的优势能否充分发挥具有重要影响。巷旁支护应同时起到支承、切顶、隔离的作用。目前我国采用的巷旁支护墙体形式多种多样，主要包括矸石块(袋)墙、混凝土砌块墙、混凝土充填墙、高水材料充填墙、墩柱墙和钢管混凝土墙等。各种巷旁支护都存在一定的弊端，如矸石块(袋)墙支护可缩量大、劳动强度大、采空区漏风严重；混凝土砌块砌体墙面临砌块重，工人劳动强度高，砌墙时间长的缺点；混凝土及高水材料整体浇注巷旁充填技术需要建立一套较为复杂的充填系统，成本过高，而且存在巷旁支护体早期强度低、脱模时间久的问题；墩柱墙和钢管混凝土墙容易造成墙体局部应力集中，破坏巷道顶底板的完整性，留巷效果也不理想。而且上述沿空留巷方式往往还存在留巷速度慢，难以适应综采工作面的快速推进的缺点。因此为解决现有的巷旁支护工序复杂、施工效率低、劳动强度高、成巷周期长以及造巷成本高等技术问题，需要对现有的沿空留巷方法做进一步的改进。

技术实现要素：

为解决沿空留巷过程中制作巷旁支护墙体工序复杂、施工效率低的技术问题，本发明提供了一种切落直接顶做巷旁支护墙体的沿空留巷方法，具体技术方案如下。

一种切落直接顶做巷旁支护墙体的沿空留巷方法，步骤包括：

a.在工作面端头支架的后方安装沿空留巷支架，端头支架和沿空留巷支架之间通过液压缸连接，所述沿空留巷支架包括支撑机构、钻孔机构、下降机构和推移机构；

b.工作面割煤后通过液压缸移动沿空留巷支架，通过钻孔机构对顶板进行钻孔，在沿空留巷支架上方的顶板上布置钻孔；

c.向钻孔内装药并封孔，提升下降机构的升降板至顶板下方；

d.爆破切落沿空留巷支架上方的顶板，利用下降机构的牵引电机缓慢下放升降板；

e.升降板下降至底板后，推移机构通过液压千斤顶将切落的顶板推至沿空留巷的巷道内；

f.切落的顶板缝隙处喷射混凝土，重复步骤a至步骤f至工作面回采结束。

优选的是，沿空留巷支架的支撑机构包括立柱、顶梁和底梁，顶梁连接立柱的上端，底梁连接立柱的下端；沿空留巷支架的钻孔机构包括钻机固定架和钻机，钻机固定在钻机固定架上，钻机固定架沿底梁滑动；沿空留巷支架的下降机构包括升降板、滑轮、钢丝绳和牵引电机，钢丝绳连接升降板和牵引电机，滑轮设置在顶梁上；沿空留巷支架的推移机构包括横梁和液压千斤顶，横梁设置在立柱之间，液压千斤顶设置在横梁上。

优选的是，底梁之间还设置有连杆；升降板的侧面设置有挡矸帘；升降板的四个角均连接有钢丝绳，液压千斤顶的端部设置有推板。

优选的是，工作面每推进1.5m～3m切落一次沿空留巷支架上方的顶板；钻孔的深度为h，根据公式h＝h-l1-l2确定，其中h为巷道高度，l1为顶板下沉量，l2为喷射混凝土厚度。

还优选的是，钻孔的深度等于直接顶各分层厚度时，沿工作面倾向钻孔的深度为h，沿工作面走向钻孔的深度大于h；钻孔的深度小于或大于直接顶各分层厚度时，沿工作面倾向钻孔的深度为h，沿工作面走向钻孔的深度为h，并通过射孔水力压裂或者机械切槽水力压裂平行于顶板压裂顶板的岩层分层；根据直接顶各分层厚度和分布，调整钻孔的深度。

进一步优选的是，爆破具体为定向爆破，定向爆破后钻孔间形成的劈裂缝贯通形成切面，切落沿空留巷支架上方的顶板。

进一步优选的是，直接顶为坚硬顶板时，施工钻孔切落沿空留巷支架上方的顶板；直接顶为中硬顶板时，施工钻孔前在沿空留巷支架上方的顶板上设置长度等于h的锚杆；直接顶为软弱顶板时，施工钻孔前在沿空留巷支架上方的顶板上设置长度等于h的锚杆，在切落顶板后对切落块体进行注浆。

进一步优选的是，升降板下降距底板小于20cm时，下放升降板靠近沿空留巷的一侧使升降板倾斜。

进一步优选的是，步骤b中顶板钻孔的孔间距为15cm～30cm；步骤c中升降板升至距顶板小于10cm的位置；推移机构的推动距离为1～2m。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的切落直接顶做巷旁支护墙体的沿空留巷方法，利用顶板就地取材，将切落的顶板块体推至沿空留巷的巷道下方做巷旁支护墙体，从而避免了制作巷旁支护墙体过程中需要的运输及制作等施工工序，减少了施工工序，提高了成巷效率；另外顶板的岩性和现有的巷道顶板岩性一致，不会因为支护墙体强度过大引起的挤列顶底板，或者支护墙体强度过小引起的支护失效等问题，从而提升了支护效果。

(2)在端头支架后方设置沿空留巷支架从而方便实现顶板的切落和推送，利用定向爆破技术制作劈裂缝形成切面，避免了岩石过渡破碎，当切落顶板高度和顶板分层的高度相差较大时，通过在顶板施工射孔水力压裂制作支护墙体的上切面；沿空留巷支架的立柱支架牢固连接从而跟随端头支架推进，从而完整工作面沿空留巷巷旁支护墙体的制作。

(3)合理的设计钻孔的深度从而制作大小合适的巷旁支护墙体，根据顶板岩层的分层情况可以适当调节钻孔的深度，从而减少施工；通过根据顶板的硬度变化情况适当的对顶板进行简单的支护从而可以保证切落顶板的完整性，防止支护墙体发生漏风等问题；升降板倾斜能够更方便的移动由顶板制作的支护墙体。

另外本发明还具有促进后方采空区顶板垮落，减小采空区侧向支承压力，利于巷道维护，成巷成本低等优点。

附图说明

图1是直接顶的钻孔施工示意图；

图2是切落直接顶后的施工示意图；

图3是切落直接顶做巷旁支护墙体的施工示意图；

图4是端头支架和沿空留巷支架的布置侧视结构示意图；

图5是钻孔劈裂缝贯通结构示意图；

图中：1-支撑机构；11-立柱；12-顶梁；13-底梁；2-钻孔机构；3-下降机构；31-升降板；32-滑轮；33-钢丝绳；4-推移机构；5-端头支架；51-液压缸；6-采空区；7-沿空留巷的巷道；8-钻孔；9-支护墙体。

具体实施方式

结合图1至图5所示，本发明提供的一种切落直接顶做巷旁支护墙体的沿空留巷方法具体实施方式如下。

实施例1

一种切落直接顶做巷旁支护墙体的沿空留巷方法具体的施工步骤如下：

步骤a.在工作面端头支架的后方安装沿空留巷支架，端头支架5和沿空留巷支架之间通过液压缸51连接，沿空留巷支架的移架通过液压缸51推进，沿空留巷支架包括支撑机构1、钻孔机构2、下降机构3和推移机构4，如图4所示。

其中，沿空留巷支架的支撑机构1包括立柱11、顶梁12和底梁13，保护顶板切落的施工空间，顶梁12连接立柱的上端，底梁13连接立柱11的下端，支撑机构1设置有4根立柱11，与顶梁12和底梁13组合呈长方体构架。另外，前排立柱和后排立柱之间可以通过液压缸连接，从而可以调节前后两排立柱的长度，从而适应不同切顶步距下的施工；其中前排立柱为靠近端头支架一侧的同排立柱，后排立柱为另一侧的2根立柱；沿空留巷支架的宽度为靠近巷道一侧同排的立柱与对侧立柱之间的距离。沿空留巷支架的钻孔机构2包括钻机固定架和钻机，能够完成顶板钻孔，钻机固定在钻机固定架上，钻机固定架沿底梁滑动。沿空留巷支架的下降机构3包括升降板31、滑轮32、钢丝绳33和牵引电机，能够将切落的顶板缓慢下放至底板，钢丝绳33连接升降板31和牵引电机，滑轮32设置在顶梁12上。沿空留巷支架的推移机构4包括横梁和液压千斤顶将切落的顶板推送至沿空留巷的巷道内形成巷旁支护墙体，横梁设置在立柱之间，液压千斤顶设置在横梁上。

另外，在底梁13之间还设置有连杆，进一步的加固沿空留巷支架。进一步的可以仅在沿工作面走向的立柱间设置顶梁12，从而保证顶板沿工作面走向方向上的长度满足需求。升降板31的侧面设置有挡矸帘，挡矸帘具体是有横杆和连网组成的上下收放式门帘结构，挡矸帘随升降板下降，横杆之间设置有连网，从而保证了整体的稳定性，防止了部分岩石碎渣崩落伤人，并防止切落的顶板在下方过程中倾倒。升降板31的四个角均连接有钢丝绳33，四条钢丝绳分别由不同的牵引电机牵引，从而可以控制升降板31呈一定的角度倾斜。液压千斤顶的端部设置有推板，从而方便推移机构顺利推送切落的顶板。

步骤b.工作面割煤后通过液压缸移动沿空留巷支架，通过钻孔机构2对顶板进行钻孔，在沿空留巷支架上方的顶板上布置钻孔8，其中顶板钻孔8的孔间距为15cm～30cm，如图1所示。

工作面每推进1.5m～3m切落一次沿空留巷支架上方的顶板，切落顶板的高度小于沿空留巷支架立柱的高度，切落顶板的长度小于前后两排立柱之间的长度，切落顶板的宽度小于沿空留巷支架的宽度。钻孔的深度为h，根据公式h＝h-l1-l2确定，其中h为巷道高度，l1为顶板下沉量，l2为喷射混凝土厚度。

钻孔8的深度等于直接顶各分层厚度时，沿工作面倾向钻孔的深度为h，沿工作面走向钻孔的深度大于h；钻孔的深度小于或大于直接顶各分层厚度时，沿工作面倾向钻孔的深度为h，沿工作面走向钻孔的深度为h，并通过射孔水力压裂或者机械切槽水力压裂平行于顶板压裂顶板的岩层分层；根据直接顶各分层厚度和分布，调整钻孔的深度，主要是当计算的钻孔深度和直接顶分层厚度相差不超过25cm时，以顶板岩层各分层厚度累加之和作为钻孔深度的值，从而切顶后顶板可以直接从分层处分离下落。

直接顶为坚硬顶板时，其中坚硬顶板为顶板强度指标大与120的，并且垮落步距大于20m的顶板岩层；该类岩层较为坚硬在施工是需要加密钻孔布置，因此在施工钻孔切落沿空留巷支架上方的顶板，钻孔爆破形成裂隙后，顶板直接下落并呈完整的块状。直接顶为中硬顶板时，其中中硬顶板为岩石强度适中，强度指标小于120但是大于80的岩层，该类岩层在施工钻孔前在沿空留巷支架上方的顶板上设置长度等于h的锚杆。直接顶为软弱顶板时，其中软弱顶板为顶板强度低，顶板容易破碎和发生裂隙的岩层，因此需要对软弱的顶板进行加固，施工钻孔前在沿空留巷支架上方的顶板上设置长度等于h的锚杆，在切落顶板后对切落块体进行注浆，从而保证顶板整体的完整性。

在端头支架5后方设置沿空留巷支架从而方便实现顶板的切落和推送，利用定向爆破技术制作劈裂缝形成切面，避免了岩石过渡破碎，如图5所示。当切落顶板高度和顶板分层的高度相差较大时，通过在顶板施工射孔水力压裂制作支护墙体的上切面。

步骤c.向钻孔8内装药并封孔，提升下降机构的升降板至顶板下方，根据爆破需要设计装药长度，装药量根据顶板岩层的岩性进行选择，装药需符合定向爆破的需要，并且将升降板升至距顶板小于10cm的位置。

步骤d.爆破切落沿空留巷支架上方的顶板，利用下降机构3的牵引电机缓慢下放升降板，如图2所示。

爆破具体为定向爆破，定向爆破后钻孔间形成的劈裂缝贯通形成切面，切落沿空留巷支架上方的顶板，由于升降板和顶板的距离较小，所以下落的顶板不会对升降板产生较大的冲击，能够保证沿空留巷支架整体的稳定性。

步骤e.升降板下降至底板后，推移机构4通过液压千斤顶将切落的顶板推至沿空留巷的巷道内，推移机构4的推动距离为1～2m，将切落的顶板推送至沿空留巷的巷道7内，形成巷旁支护墙体9，如图3所示。

升降板31下降距底板小于20cm时，下放升降板31靠近沿空留巷的一侧使升降板31倾斜，从而使升降板上的切落顶板岩块更方便的滑落至巷道内。

步骤f.切落的顶板缝隙处喷射混凝土，使用可缩性大的混凝土，从而适应沿空留巷巷道变形量大的情况，重复步骤a至步骤f至工作面回采结束。

本方法利用顶板就地取材，将切落的顶板块体推至沿空留巷的巷道下方做巷旁支护墙体9，从而避免了制作巷旁支护墙体9过程中需要的运输及制作等施工工序，减少了施工工序，提高了成巷效率；另外顶板的岩性和现有的巷道顶板岩性一致，不会因为支护墙体强度过大引起的挤列顶底板，或者支护墙体强度过小引起的支护失效等问题，从而提升了支护效果。

另外本发明还具有侧向切断坚硬的直接顶，从而促进后方采空区顶板垮落；切落顶板后减小了采空区侧向支承压力；利用顶板作为巷帮利于巷道维护；成巷材料取自顶板，直接切顶移动成巷成本低。

实施例2

为进一步的说明切落直接顶做巷旁支护墙体的沿空留巷方法的施工工艺，以某矿1310工作面为例，对本发明作进一步的详细说明。该矿井1310工作面主采3煤层，煤层厚度2.8m，煤层层位稳定，厚度变化不大。顶板岩层为细砂岩，属于中硬顶板，回采巷道沿底掘进，断面形状为矩形，工作面采用沿空留巷的方法进行无煤柱开采。利用切落直接顶做巷旁支护墙体的沿空留巷方法进行开采，施工步骤包括：

步骤a.在工作面端头支架的后方安装沿空留巷支架，端头支架和沿空留巷支架之间通过液压缸连接，沿空留巷支架的移架通过液压缸推进，其中沿空留巷支架包括支撑机构1、钻孔机构2、下降机构3和推移机构4。支撑机构1用于保护顶板切落的施工空间，钻孔机构2用于完成顶板钻孔施工，下降机构3将切落的顶板缓慢下放至底板；推移机构4将切落的顶板推送至沿空留巷的巷道内形成巷旁支护墙体9。

步骤b.工作面割煤每刀进尺为0.8m，工作面割煤完成3个循环后，通过液压缸移动沿空留巷支架，通过钻孔机构2对顶板进行钻孔，在沿空留巷支架上方的顶板上布置钻孔8，结合顶板情况，选择顶板钻孔的孔间距为20cm。其中在首次切割顶板时，需要在顶板沿着沿空留巷支架上表面的内边缘均匀布置钻孔。切落顶板的高度小于沿空留巷支架立柱的高度，切落顶板的长度小于前后两排立柱之间的长度，切落顶板的宽度小于沿空留巷支架的宽度。钻孔的深度为2.6m，根据公式h＝2.8m-0.12m-0.08m＝2.6m确定，其中巷道高度为2.8m，顶板下沉量0.12m，喷射混凝土厚度为0.08m。由于直接顶各层的厚度之和恰好为2.6m，所以按2.6m的钻孔深度布置钻孔，钻孔时保证钻孔的倾斜角度误差不大于5°。设计切落顶板的尺寸为1.5×2.4×2.6m，由于直接顶为中硬顶板，在施工钻孔前在沿空留巷支架上方的顶板上设置长度等于2.6m的锚杆3根，三根锚杆布置在切顶区域的中轴线上均匀排布。

步骤c.向钻孔8内装药并封孔，提升下降机构的升降板至顶板下方，根据爆破需要设计装药长度，装药量根据顶板岩层的岩性进行选择，装药需符合定向爆破的需要，并且将升降板31升至距顶板小于10cm的位置。

步骤d.爆破切落沿空留巷支架上方的顶板，利用下降机构3的牵引电机缓慢下放升降板，下降速度小于0.05m/s。

爆破具体为定向爆破，定向爆破后钻孔间形成的劈裂缝贯通形成切面，切落沿空留巷支架上方的顶板，由于升降板31和顶板的距离较小，所以下落的顶板不会对升降板产生较大的冲击，能够保证沿空留巷支架整体的稳定性。

步骤e.升降板31下降至底板后，推移机构通过液压千斤顶将切落的顶板推至沿空留巷的巷道内，推移机构4的推动距离为1.5m，升降板31下降距底板小于20cm时，下放升降板靠近沿空留巷的一侧使升降板倾斜，从而使升降板上的切落顶板岩块更方便的滑落至巷道内，形成巷旁支护墙体9。

步骤f.切落的顶板缝隙处喷射混凝土，使用可缩性大的混凝土，从而适应沿空留巷巷道变形量大的情况，重复步骤a至步骤f至工作面回采结束。

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。