一种煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法

1.本发明涉及采矿技术领域，尤其涉及一种煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法。


背景技术：

2.煤炭是我国主要能源，煤炭在我国的经济和社会发展中起到了重要的作用。我国的能源资源存在“富煤、贫油、少气”的禀赋特点，以煤为主的能源资源消费结构决定了煤炭是我国最可靠的一次能源，也因此在我国一次能源结构中占有重要地位，其战略地位长期不会改变。
3.在煤矿生产中，沿空留巷技术是一项十分关键的技术，最早应用于上世纪60年代的英国和德国，我国于上世纪70年代开始引入。采用沿空留巷法进行无煤柱开采，可以减少巷道的挖掘长度与数量，在降低煤炭损耗、提高煤矿资源的回收利用等方面有着十分重要的意义。
4.近年来，我国对沿空留巷技术进行了大量的研究与实践，取得了一定的成功经验，在实际应用中起到了积极的作用。由于沿空留巷所用的材料不同，目前国内外沿空留巷的方法有两种，一种是浆体砌墙，另一种是散矸筑墙，截止到目前，沿空留巷技术主要有砌筑矸石带沿空留巷、支设密集支柱或木垛留巷、人工灌注水泥墙体留巷、垒设矸石袋留巷技术、硬石膏充填带留巷技术、高水材料巷旁充填技术、化学材料充填留巷技术等几种。除此之外，许多煤矿也在积极探索适合本矿的其它留巷技术，但也存在诸多问题。
5.此外，由于长期高强度开采，浅部煤矿资源储量逐渐减少，多数老矿井进入深部生产，导致环境问题日趋突出。以煤矸石为例，煤炭开采过程中产生大量煤矸石，作为煤炭生产的附属固体废弃物，通常被排放到地面形成矸石山，导致环境污染、地质灾害隐患等问题。目前国内外针对煤矸石的综合利用开展了大量的研究，但由于地域、矸石特性、技术成本等诸多因素的限制，尚无可供大规模推广的矸石利用技术。
6.煤矸石排放到地面形成矸石山，造成了占用大量土地、危害周围环境及地质灾害隐患等诸多影响。现阶段，煤矸石的综合利用是当前学术界和工程界的热点和难点问题。国内外专家学者为此开展了一系列关于“煤矸石综合利用”的研究，包括煤矸石发电、铺路、生产建筑材料、生产化工原料、农业生产以及煤矸石充填等，但总体上仍不能满足煤矸石处理的巨大需求。
7.我国沿空留巷目前存在的主要问题体现在以下几个方面：
8.(1)复合充填材料的性能不能充分满足井下需求。
9.煤矿沿空留巷围岩受采动影响大，具有环境复杂、多次采动影响、顶板变形强烈以及煤帮挤出底臌严重等特点。目前沿空留巷技术所存在的主要问题是：一是支护设计思路不合理，没有充分考虑工作面周期来压的动态性特点，岩层运动与沿空巷矿压变化机理不清，导致巷道支护体压力、变形量与顶板压力不匹配；二是浆体筑墙强度不够，可缩量小，无法适应留巷压力与岩层运动规律；三是散矸筑墙变形量过大，支护困难。因此，沿空留巷无
煤柱开采技术的关键是留巷充填材料的“膨、柔、刚”性能以及充填体“大变形量高承载强度”的效果。
10.(2)部分地区瓦斯问题突出，充填墙体密封、变形等问题不能有效解决。
11.传统充填工艺往往专注于“力源”角度，从支撑力角度实现对上覆岩层的保护，尚缺少对瓦斯、通风问题的考虑。如何在考虑“消化矸石”降低生产成本和环境保护的成本等基本要求的基础之上，达到“留巷段围岩矿山压力及变形与留巷段充填体压力及变形协调一致”的目标，同时满足密封瓦斯等通风的需要，最终实现沿空留巷安全、经济和可靠。


技术实现要素：

12.本发明通过对具有代表性的矿区煤矸石的产生、处理及利用现状进行充分的调研，分析各典型矿区煤矸石的处理方法及特点，研究留巷受力规律，采用先进技术和材料，提出一种适用于当地环境条件的煤矿沿空留巷支护方法，解决现有的技术问题。
13.为解决上述技术问题，本发明的一种煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法，包括如下步骤：
14.步骤s1：根据沿空留巷承载原理，为使深部开采沿空留巷在留巷段处的围岩矿山压力与充填体压力与所需的变形相适应，且满足防止瓦斯泄漏的需求，煤矿沿空留巷支护结构分为上下两部分：留巷下部分为主墙体，用矸石砖堆砌而成，用于支护顶板的压力，留巷上部分为副墙体，用于对顶板岩层的变形进行压力释放以及防止瓦斯泄漏，副墙体所需材料应具有高压缩量、密封性好、不开裂等特性；
15.步骤s2：由于矸石砖墙仅承受来自直接顶的作用力，因此对老顶采取让压策略，计算其支护体的压力、巷旁支护变形量及预留变形量；
16.步骤s3：计算充填体(矸石墙)的关键参数，包括充填体的理论单项抗压强度、设计强度、可压缩量；
17.步骤s4：设计、堆砌主墙体，主要包括如下步骤：
18.步骤s41：确立矸石砖的关键参数，制作矸石砖标准试件；
19.(1)根据混凝土配比设计标准，选择水、水泥、细集料矸石、粗集料矸石作为制作矸石砖的原材料，并确定矸石砖材料配比按质量份计为：水：水泥：细集料矸石：粗集料矸石＝0.48:1:1.364:3.182；
20.(2)矸石砖标准试件的制作与养护；根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的相关规定，确定本试验中矸石砖标准试件的试模类型及养护天数：
21.a、试件为立方体，尺寸为100mm
×
10mm
×
100mm；
22.b、取水量为225g作为基准，选取水灰比为0.45，灰矸比为0.299，砂率为0.25，得出水：灰：砂：石＝1:2.222:1.861:5.583，经过计算得到：水泥为500g，细骨料为418.75g，粗骨料为1256.25g；
23.c、分别称量水、水泥、细骨料和粗骨料的用量，将之混合进行充分的搅拌；
24.d、将试模内壁用矿物油抹均匀，将步骤(2)得到的矸石混凝土铲到试模中，并用捣棒人工捣实；
25.e、由于试验龄期的不同对矸石砖强度有着较大的影响，因此选取龄期为4天、7天和28天，根据优化选择最佳龄期；
26.f、捣实后的试模在温度为15℃～25℃的环境中静置养护一昼夜24小时，然后编号、拆模。拆模后应将试件放在支架上，彼此间隔10～20mm，养护28天；
27.(3)矸石砖标准试件的单轴抗压强度的测定；试件的单轴抗压强度rc是指，当无侧限试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比；采用标准试件规格，尺寸为100mm
×
100mm
×
100mm的正立方体；试件单轴抗压强度的测定步骤如下：
28.a、测试件尺寸(试件直径应在其高度中部两个互相垂直的方向量测，取算术平均值)填入记录表内；
29.b、选择压力机度盘：一般应满足0.2p＜p
max
＜0.8p，p
max
——预计最大破坏载荷，单位：kn；
30.c、p——压力机度盘最大值，单位：kn；
31.d、开动压力机，使其处于可用状态，将试件置于压力机承压板中心，调整球形座，使试件上下受力均匀，0.5～1.0mpa/s的速度加载直至破坏；
32.e、计算试件的抗压强度r：r＝p/f；
33.式中：r——试件抗压强度，单位：mpa；p——试件破坏载荷，单位：n；f——试件面积，单位：mm2；
34.步骤s42：使用矸石砖砌墙体；
35.步骤s5：副墙体参数设计与材料选择；
36.副墙体的高度δh计算：根据直接顶、老顶及副墙体的位置关系，由三角形相似可以得到：式中，sa—未垮落岩层在触矸处的沉降量，sa的范围为0.1h～0.5h，一般采场为sa的范围为0.25h～0.3h，h—采高，单位：m；c—运动步距，单位：m；lb——控顶距，单位：m；
37.副墙体的充填材料为黄泥或散矸石或化学发泡材料；
38.步骤s6：针对充填过程“主墙体 副墙体”的施工过程，开展分阶段、分区域的充填操作步骤；具体而言，分阶段(分区分级)是指根据矿压规律充填体扮演的角色不同，充分考虑充填工艺和施工实际，按副墙体施工区、副墙体施工区、承载检测区进行分区施工处理；分级充填是指在不同阶段或时机进行不同的充填操作，如充填体承压阶段(所有充填工作已完成)、副墙体施工阶段(顶板下沉、逐步垮落，但尚未接顶)、主墙体施工阶段(工作面回采完成，老顶仍处于稳定状态，主墙体随采随垒砌)。同时要组织好各环节的人员配合等劳动组织，还要遵守相关安全管理规定等；
39.步骤s7：现场测试方案设计及效果评价。对沿空留巷巷道矿山压力和开采过程中岩层运动规律进行研究，结合分段分级承载原理，为留巷段巷旁支护变形量及预留变形量的计算提供科学依据，同时为更准确计算支护体压力、更好把握留巷支护时机(留巷墙体成型和补强支护支设的时间和临界位置)、墙体强度设计等提供准确的现场监测依据。
40.进一步的，步骤s2中，支护体所承受的压力的计算方法为：
41.式中，q—悬臂梁重量，l—巷道宽度，b—墙体宽度，r—墙体支撑力；
42.由式(1)可得支撑力为：
43.其中，悬臂梁重量的计算公式由式(3)可得：q＝(l b)
×m×
r(3)，式中，m—直接顶厚度，r—直接顶容量；
44.将式(3)代入式(2)可得支护体压力为：
45.进一步的，步骤s2中，巷旁支护变形量及预留变形量的计算方法为：
46.巷旁支护变形量计算公式为：式中，c—悬臂梁宽度，d—悬臂梁整体下沉量，即巷旁支护变形量；
47.考虑到顶板压力变化和理论计算模型的误差，为了安全起见，预留变形量扩大2倍，预留变形量为巷旁支护变形量的2倍。
48.进一步的，步骤s3中，充填体的理论单项抗压强度[d]由支护体压力公式(4)与墙体宽度b进一步求得：[d]＝r/b(6)，将式(4)代入至式(6)可得充填体的理论单项抗压强度计算公式为：
[0049]
进一步的，步骤s3中，充填体的可压缩量sc根据式(8)求得：
[0050][0051]
式中，
[0052]
l0—煤壁内断裂线到充填体宽度中心轴线的距离，此距离通过测量求得；
[0053]
δs—老顶触矸处的最大沉降量，δs计算公式为：δs＝h
1-h2(k-1)(9)，式中，h1—煤层厚度；h2—直接顶高度；k—采空区冒落矸石的碎胀系数，k的范围为1.25～1.35；
[0054]
l—老顶侧向断裂跨度，l计算公式为：式中，s—工作面倾向宽度；d—周期来压步距；
[0055]
进一步的，步骤s5中，副墙体的充填材料为minova国际材料公司的瑞米密闭3号，瑞米密闭3号有以下材料特点：
[0056]
(1)快速凝固，初凝仅3min，18min可达终凝强度0.8mpa，凝固后的泡沫可以承受岩层的变形，满足顶板岩层完整性维护的要求；
[0057]
(2)迅速形成强度，并且强度可调，采用最终单向抗压强度4mpa的方案；
[0058]
(3)长距离泵送可达300m，施工操作易于掌握；
[0059]
(4)膨胀率高，能够满足密封的要求；
[0060]
(5)适用范围：
[0061]
a.一般空穴和支架壁后充填；
[0062]
b.用于沿空留巷支架的壁后充填和沿空掘巷的小煤柱裂隙的封闭，隔离采空区瓦斯，防止煤炭自燃发火。
[0063]
进一步的，步骤s6中，根据分段分级承载原理，可压缩矸石砖墙沿空留巷施工工艺
如下：
[0064]
(1)根据现场实测数据寻求矿压规律和实际地质情况，确立目标区域的充填阶段和时机，根据“分段分级”承载理论，确立主墙体施工区、副墙体施工区和承压区；
[0065]
(2)按照上述分段分级结果，按工作面推进时机，确立相应的沿空巷道充填范围和工艺，如第一阶段在主墙体施工区进行主墙体的垒砌，在第二阶段进行副墙体的施工，第三区域是前一阶段副墙体起作用时的状态，沿此过程不断循环前进(随工作面推进)，重新确立新的主墙体施工区，原来的主墙体区域在下一阶段变为副墙体施工区，原来的副墙体施工区在下一阶段变为承压区；
[0066]
(3)具体的施工过程为：可压缩矸石砖墙墙基的清理，可压缩矸石砖墙主墙体的垒设，钢筋的入位；工作面内充填矸石时，使用抛矸机充填工作面采空区；灌装发泡化学材料包括：高强纤维布袋的铺设，灌装发泡化学材料，副墙体的成型；临时支护的回撤包括：待发泡材料凝固1h后回撤工作面后侧单体临时支护，发泡管道等回撤及清理；下一阶段主副墙体的施工。
[0067]
(4)在整个施工过程中，还需要进行相应的支护作业，留巷前的多种支护包括：超前锚索梁支护，超前支护，工作面后侧单体临时支护。
[0068]
进一步的，步骤s6中，可压缩矸石砖墙具体施工方法主要包括以下步骤：
[0069]
(1)在留巷墙体施工时，根据工作面前后留巷段的巷道围岩的运动和矿压规律，将工作面前后巷道围岩的结构分为三个主要动压阶段，分别是工作面前方的围岩破坏范围扩大阶段、工作面后方顶板断裂阶段以及巷旁支护后的蠕变与稳定阶段；
[0070]
(2)分析(1)中各阶段支护需求，采用不同的辅助支护方式；
[0071]
①
针对工作面前方的围岩破坏范围扩大阶段，采用超前加强支护，即在工作面前方20米范围内，靠工作面一侧顶板上，打走向锚索梁；具体参数为工字钢梁长度2.4m，一梁两索，锚索长度7.5m，直径14mm，破断力20吨；方向朝工作面方向倾斜，角度与铅垂线60-70
°
；
[0072]
②
针对工作面后方顶板断裂阶段，采用留巷施工段的临时支护，即在工作面后方50m范围内，靠采空区侧支一排单体液压支柱，一梁两柱，柱间距1m；在工作面后方矸石墙的里侧，支3-5根单体支柱，这些支柱随工作面推进依次回撤和支设；此阶段顶板断裂的动压主要由单体支柱承担；
[0073]
③
针对巷旁支护后的蠕变与稳定阶段，采用动压作用后的补强支护；经过矿压观测，确定岩层运动稳定后，可以回撤单体液压支柱。一般回撤的距离为距离工作面60-80m，期间可以对单体支柱多次少量卸压，让矸石墙慢慢承载，由于沿走向煤层地质条件和采高等变化很大，需要根据围岩稳定情况(由矿压观测决定)，确定何时、采用何种动压作用后的补强支护。辅助支护参数如下：
[0074]
a、工作面前方的超前加强支护：工作面前方增打长度位2.4m的走向锚索梁。
[0075]
b、留巷施工段的临时支护：工作面后方打间距1m的点柱。
[0076]
c、动压作用后的补强支护：根据矿压观测结果确定。
[0077]
进一步的，步骤s7中，在沿空留巷段设3个测站，每个测站内安装压力测点和位移测点，见图10所示；相邻测站距离30m，第一测站安设在工作面超前支承压力作用范围之外(薄及中厚煤层一般在工作面前方30m)，然后为第二测站和第三测站，当压力和变形测点安
设完毕，开始对压力和位移测点进行记录。
[0078]
进一步的，步骤s7中，监测如下内容：
[0079]
(1)压力观测：在构筑墙体时，将液压枕安装在主墙体中，液压表在墙体外，在充填体的两个界面处各放一个，深度0.75m，锚杆接触压力观测的目的是掌握不同阶段锚杆受力随围岩变形的增长情况，为评价支护参数是否合理、调整支护设计提供依据；
[0080]
(2)巷道变形规律观测：为了得到沿空留巷的矿压规律，为下一步改进参数和评价留巷效果提供科学依据，每隔50m设一个观测断面，观测顶底板移近和两帮移近规律；
[0081]
(3)锚杆锚索受力：每隔30m设一个观测断面，安装锚杆和锚索应力计，观测锚杆和锚索的应力变化规律，为优化锚杆锚索支护设计提供科学依据；
[0082]
(4)墙体受力与变形：重点监测墙体变形量和内部应力变化规律，变形量用钢卷尺量测，墙体内部应力采用深度0.75m的液压枕量测；
[0083]
(5)墙体密封性能监测：对巷道内的瓦斯和co的浓度进行监测，用于评价墙体的密封性。
[0084]
本发明的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法充分利用井下和井上煤矸石，对采空区进行矸石充填，置换呆滞煤炭，将有效解决煤矸石地面排放、污染与占地，提高煤炭资源回收率等问题，预计将大幅减少煤矸石的产出量、提升煤矿石的综合利用率，为实现矿区的绿色开采、资源综合利用，生态环境保护提供参考及技术支撑。本发明提出的煤矿沿空留巷支护结构及复合充填墙体制备方法，是系统、完整研究复合矸石墙充填沿空留巷的方法，与现有技术相比，本发明在提高煤炭资源回收率、沿空留巷技术以及开采技术方面具有创新性。主要在以下三个方面：
[0085]
(1)研究沿空留巷充填作用机制，提出可压缩矸石砖墙沿空留巷方法。
[0086]
(2)提出协调矿压的“分段分级”承载理论。研究采动条件下留巷充填体变形和载荷变化规律，研发一套完整的沿空留巷“分段分级”承载与施工工艺。
[0087]
(3)提出可压缩矸石砖墙的设计、性能分析及制备工艺。建模计算矸石墙体关键参数(抗压强度、压缩量等)，确立主、副墙体(复合墙体)的材料选择、设计参数、施工方案等参数，设计一套复合矸石砖墙生产及现场施工工艺。
附图说明
[0088]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
[0089]
图1为本发明中系统总体流程图。
[0090]
图2为本发明中新型留巷墙体的下部主墙体和上部副墙体示意图。
[0091]
图3为本发明中矸石留巷墙体支撑力计算模型图。
[0092]
图4为本发明中巷旁支护变形量计算模型图。
[0093]
图5为本发明中副墙体高度计算图。
[0094]
图6为本发明中墙体“分段分级”承载和施工示意图。
[0095]
图7为本发明中走向锚索梁超前支护图。
[0096]
图8为本发明中留巷施工段的临时支护剖面图。
[0097]
图9(a)为压力测点安装初始位置(与工作面的相对位置)。
[0098]
图9(b)为工作面推进过程中测点位置。
[0099]
图9(c)为工作面推过所有测点位置。
[0100]
图10为本发明中留巷段测点布置示意图。
具体实施方式
[0101]
结合图1，本发明的煤矿可压缩矸石砖墙沿空留巷支护方法包括如下步骤：
[0102]
步骤s1：根据沿空留巷承载原理，为使深部开采沿空留巷在留巷段处的围岩矿山压力与充填体压力与所需的变形相适应，且满足防止瓦斯泄漏的需求，煤矿沿空留巷支护结构分为上下两部分：留巷下部分为主墙体，用矸石砖堆砌而成，用于支护顶板的压力，留巷上部分为副墙体，用于对顶板岩层的变形进行压力释放以及防止瓦斯泄漏，副墙体所需材料应具有高压缩量、密封性好、不开裂等特性，新型留巷墙体如图2所示；
[0103]
步骤s2：由于矸石砖墙仅承受来自直接顶的作用力，因此对老顶采取让压策略，计算其支护体的压力、巷旁支护变形量及预留变形量；
[0104]
步骤s3：计算充填体(矸石墙)的关键参数，包括充填体的理论单项抗压强度、设计强度、可压缩量；
[0105]
步骤s4：设计、堆砌主墙体，主要包括如下步骤：
[0106]
步骤s41：确立矸石砖的关键参数，制作矸石砖标准试件；
[0107]
(1)根据混凝土配比设计标准，选择水、水泥、细集料矸石、粗集料矸石作为制作矸石砖的原材料，并确定矸石砖材料配比按质量份计为：水：水泥：细集料矸石：粗集料矸石＝0.48:1:1.364:3.182；
[0108]
(2)矸石砖标准试件的制作与养护；根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的相关规定，确定本试验中矸石砖标准试件的试模类型及养护天数：
[0109]
a、试件为立方体，尺寸为100mm
×
10mm
×
100mm；
[0110]
b、取水量为225g作为基准，选取水灰比为0.45，灰矸比为0.299，砂率为0.25，得出水：灰：砂：石＝1:2.222:1.861:5.583，经过计算得到：水泥为500g，细骨料为418.75g，粗骨料为1256.25g；
[0111]
c、分别称量水、水泥、细骨料和粗骨料的用量，将之混合进行充分的搅拌；
[0112]
d、将试模内壁用矿物油抹均匀，将步骤(2)得到的矸石混凝土铲到试模中，并用捣棒人工捣实；
[0113]
e、由于试验龄期的不同对矸石砖强度有着较大的影响，因此选取龄期为4天、7天和28天，根据优化选择最佳龄期；
[0114]
f、捣实后的试模在温度为15℃～25℃的环境中静置养护一昼夜24小时，然后编号、拆模。拆模后应将试件放在支架上，彼此间隔10～20mm，养护28天；
[0115]
(3)矸石砖标准试件的单轴抗压强度的测定；试件的单轴抗压强度rc是指，当无侧限试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比；采用标准试件规格，尺寸为100mm
×
100mm
×
100mm的正立方体；试件单轴抗压强度的测定步骤如下：
[0116]
a、测试件尺寸(试件直径应在其高度中部两个互相垂直的方向量测，取算术平均值)填入记录表内；
[0117]
b、选择压力机度盘：一般应满足0.2p＜p
max
＜0.8p，p
max
——预计最大破坏载荷，单
位：kn；
[0118]
c、p——压力机度盘最大值，单位：kn；
[0119]
d、开动压力机，使其处于可用状态，将试件置于压力机承压板中心，调整球形座，使试件上下受力均匀，0.5～1.0mpa/s的速度加载直至破坏；
[0120]
e、计算试件的抗压强度r：r＝p/f；
[0121]
式中：r——试件抗压强度，mpa；p——试件破坏载荷，单位：n；f——试件面积，单位：mm2；
[0122]
步骤s42：使用矸石砖砌墙体；
[0123]
步骤s5：副墙体参数设计与材料选择；
[0124]
副墙体的高度δh计算：结合图5，根据直接顶、老顶及副墙体的位置关系，由三角形相似可以得到：式中，sa—未垮落岩层在触矸处的沉降量，sa的范围为0.1h～0.5h，一般采场为sa的范围为0.25h～0.3h，h—采高，单位：m；c—运动步距，单位：m；lb——控顶距，单位：m；
[0125]
副墙体的充填材料为黄泥或散矸石或化学发泡材料；
[0126]
步骤s6：针对充填过程“主墙体 副墙体”的施工过程，开展分阶段、分区域的充填操作步骤；具体而言，分阶段(分区分级)是指根据矿压规律充填体扮演的角色不同，充分考虑充填工艺和施工实际，按副墙体施工区、副墙体施工区、承载检测区进行分区施工处理；分级充填是指在不同阶段或时机进行不同的充填操作，如充填体承压阶段(所有充填工作已完成)、副墙体施工阶段(顶板下沉、逐步垮落，但尚未接顶)、主墙体施工阶段(工作面回采完成，老顶仍处于稳定状态，主墙体随采随垒砌)。同时要组织好各环节的人员配合等劳动组织，还要遵守相关安全管理规定等；
[0127]
步骤s7：现场测试方案设计及效果评价。对沿空留巷巷道矿山压力和开采过程中岩层运动规律进行研究，结合分段分级承载原理，为留巷段巷旁支护变形量及预留变形量的计算提供科学依据，同时为更准确计算支护体压力、更好把握留巷支护时机(留巷墙体成型和补强支护支设的时间和临界位置)、墙体强度设计等提供准确的现场监测依据。
[0128]
本实施例优选地，步骤s2中，结合图3所示的计算模型，支护体所承受的压力的计算方法为：
[0129]
式中，q—悬臂梁重量，l—巷道宽度，b—墙体宽度，r—墙体支撑力；
[0130]
由式(1)可得支撑力为：
[0131]
其中，悬臂梁重量的计算公式由式(3)可得：q＝(l b)
×m×
r(3)，式中，m—直接顶厚度，r—直接顶容量；
[0132]
将式(3)代入式(2)可得支护体压力为：
[0133]
本实施例优选地，步骤s2中，结合图4所示的计算模型，巷旁支护变形量及预留变形量的计算方法为：
[0134]
巷旁支护变形量计算公式为：式中，c—悬臂梁宽度，d—悬臂梁整体下沉量，即巷旁支护变形量；
[0135]
考虑到顶板压力变化和理论计算模型的误差，为了安全起见，预留变形量扩大2倍，预留变形量为巷旁支护变形量的2倍。
[0136]
本实施例优选地，步骤s3中，充填体的理论单项抗压强度[d]由支护体压力公式(4)与墙体宽度b进一步求得：[d]＝r/b(6)，将式(4)代入至式(6)可得充填体的理论单项抗压强度计算公式为：
[0137]
本实施例优选地，步骤s3中，充填体的可压缩量sc根据式(8)求得：
[0138][0139]
式中，
[0140]
l0—煤壁内断裂线到充填体宽度中心轴线的距离，此距离通过测量求得；
[0141]
δs—老顶触矸处的最大沉降量，δs计算公式为：δs＝h
1-h2(k-1)(9)，式中，h1—煤层厚度；h2—直接顶高度；k—采空区冒落矸石的碎胀系数，k的范围为1.25～1.35；
[0142]
l—老顶侧向断裂跨度，l计算公式为：式中，s—工作面倾向宽度；d—周期来压步距；
[0143]
本实施例优选地，步骤s5中，副墙体的充填材料为minova国际材料公司的瑞米密闭3号，瑞米密闭3号有以下材料特点：
[0144]
(1)快速凝固，初凝仅3min，18min可达终凝强度0.8mpa，凝固后的泡沫可以承受岩层的变形，满足顶板岩层完整性维护的要求；
[0145]
(2)迅速形成强度，并且强度可调，采用最终单向抗压强度4mpa的方案；
[0146]
(3)长距离泵送可达300m，施工操作易于掌握；
[0147]
(4)膨胀率高，能够满足密封的要求；
[0148]
(5)适用范围：
[0149]
a.一般空穴和支架壁后充填；
[0150]
b.用于沿空留巷支架的壁后充填和沿空掘巷的小煤柱裂隙的封闭，隔离采空区瓦斯，防止煤炭自燃发火。
[0151]
本实施例优选地，步骤s6中，结合图6，根据分段分级承载原理，可压缩矸石砖墙沿空留巷施工工艺如下：
[0152]
(1)根据现场实测数据寻求矿压规律和实际地质情况，确立目标区域的充填阶段和时机，根据“分段分级”承载理论，确立主墙体施工区、副墙体施工区和承压区；
[0153]
(2)按照上述分段分级结果，按工作面推进时机，确立相应的沿空巷道充填范围和工艺，如第一阶段在主墙体施工区进行主墙体的垒砌，在第二阶段进行副墙体的施工，第三区域是前一阶段副墙体起作用时的状态，沿此过程不断循环前进(随工作面推进)，重新确
立新的主墙体施工区，原来的主墙体区域在下一阶段变为副墙体施工区，原来的副墙体施工区在下一阶段变为承压区；
[0154]
(3)具体的施工过程为：可压缩矸石砖墙墙基的清理，可压缩矸石砖墙主墙体的垒设，钢筋的入位；工作面内充填矸石时，使用抛矸机充填工作面采空区；灌装发泡化学材料包括：高强纤维布袋的铺设，灌装发泡化学材料，副墙体的成型；临时支护的回撤包括：待发泡材料凝固1h后回撤工作面后侧单体临时支护，发泡管道等回撤及清理；下一阶段主副墙体的施工；
[0155]
(4)在整个施工过程中，还需要进行相应的支护作业，留巷前的多种支护包括：超前锚索梁支护，超前支护，工作面后侧单体临时支护。
[0156]
本实施例优选地，步骤s6中，可压缩矸石砖墙具体施工方法主要包括以下步骤：
[0157]
(1)在留巷墙体施工时，根据工作面前后留巷段的巷道围岩的运动和矿压规律，将工作面前后巷道围岩的结构分为三个主要动压阶段，分别是工作面前方的围岩破坏范围扩大阶段、工作面后方顶板断裂阶段以及巷旁支护后的蠕变与稳定阶段；
[0158]
(2)分析(1)中各阶段支护需求，采用不同的辅助支护方式；
[0159]
①
针对工作面前方的围岩破坏范围扩大阶段，采用超前加强支护，即在工作面前方20m范围内，靠工作面一侧顶板上，打走向锚索梁；具体参数为工字钢梁长度2.4m，一梁两索，锚索长度7.5m，直径14mm，破断力20吨；方向朝工作面方向倾斜，角度与铅垂线60-70
°
，如图7所示；
[0160]
②
针对工作面后方顶板断裂阶段，采用留巷施工段的临时支护，即在工作面后方50m范围内，靠采空区侧支一排单体液压支柱，一梁两柱，柱间距1m；在工作面后方矸石墙的里侧，支3-5根单体支柱，这些支柱随工作面推进依次回撤和支设；如图8所示，此阶段顶板断裂的动压主要由单体支柱承担；
[0161]
③
针对巷旁支护后的蠕变与稳定阶段，采用动压作用后的补强支护；经过矿压观测，确定岩层运动稳定后，可以回撤单体液压支柱。一般回撤的距离为距离工作面60-80m，期间可以对单体支柱多次少量卸压，让矸石墙慢慢承载，由于沿走向煤层地质条件和采高等变化很大，需要根据围岩稳定情况(由矿压观测决定)，确定何时、采用何种动压作用后的补强支护。辅助支护参数如下：
[0162]
a、工作面前方的超前加强支护：工作面前方增打长度位2.4m的走向锚索梁。
[0163]
b、留巷施工段的临时支护：工作面后方打间距1m的点柱。
[0164]
c、动压作用后的补强支护：根据矿压观测结果确定。
[0165]
本实施例优选地，步骤s7中，在沿空留巷段设3个测站，每个测站内安装压力测点和位移测点，见图10所示；相邻测站距离30m，第一测站安设在工作面超前支承压力作用范围之外(薄及中厚煤层一般在工作面前方30m)，留巷施工段的压力和位移监测点布置平面示意图如图9(a)、图9(b)和图9(c)所示，然后为第二测站和第三测站，当压力和变形测点安设完毕，开始对压力和位移测点进行记录。
[0166]
本实施例优选地，步骤s7中，监测如下内容：
[0167]
(1)压力观测：在构筑墙体时，将液压枕安装在主墙体中，液压表在墙体外(见图10)，在充填体的两个界面处各放一个，深度0.75m，锚杆接触压力观测的目的是掌握不同阶段锚杆受力随围岩变形的增长情况，为评价支护参数是否合理、调整支护设计提供依据；
[0168]
(2)巷道变形规律观测：为了得到沿空留巷的矿压规律，为下一步改进参数和评价留巷效果提供科学依据，每隔50m设一个观测断面，观测顶底板移近和两帮移近规律；
[0169]
(3)锚杆锚索受力：每隔30m设一个观测断面，安装锚杆和锚索应力计，观测锚杆和锚索的应力变化规律，为优化锚杆锚索支护设计提供科学依据；
[0170]
(4)墙体受力与变形：重点监测墙体变形量和内部应力变化规律，变形量用钢卷尺量测，墙体内部应力采用深度0.75m的液压枕量测；
[0171]
(5)墙体密封性能监测：对巷道内的瓦斯和co的浓度进行监测，用于评价墙体的密封性。
[0172]
留巷工艺组织的一些具体要求如下：
[0173]
(1)可压缩矸石砖墙施工材料的准备：包括：矸石砖需用数量，高强纤维布袋的准备，钢筋数量的准备，单体液压支柱的使用数量，钢尺，清理矸石墙墙基的工具，瓦斯监测仪等。
[0174]
(2)可压缩矸石砖墙的技术参数：包括：矸石墙体的施工方案和施工图，临时支护施工图，主副墙体的施工参数，化学发泡材料的操作规程，高强纤维布袋的使用规定等。
[0175]
(3)施工安全技术措施：包括
①
支护要求：施工前，应保证施工地段的顶板安全，临时支护牢固可靠；
②
通风要求：要保证施工地段瓦斯等有害气体浓度在煤矿安全规程规定范围以内。
③
墙体垒设要求：首先矸石墙的地基应平整，坡面地段应先处理平整后再施工垒墙；
④
施工中，矸石砖窑应使用完整性好的矸石砖，有裂缝、不完整的矸石砖应避免使用。
⑤
副墙体施工要求：要保证副墙体完全接触顶板岩层，避免留巷段与采空区漏风，确保墙体的密封性。
[0176]
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。