CN111535844A - 用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采装备系统及方法 - Google Patents

Abstract

涉及煤炭的井工开采技术，本申请提供一种用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采装备系统及方法，在采空区一侧的留巷区同步进行了充填作业，并且还进行了切顶卸压以及顶板锚固，切断了坚硬顶板悬臂长度，缓解了留巷围岩应力，且在充填体上方进行了支护，与充填体一起联合支护围岩，使得留巷围岩的变形量大大降低，有效保证坚硬顶板条件下沿空留巷围岩的稳定性。

Description

用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采装备系统及方法

技术领域

本申请涉及煤炭的井工开采技术领域，尤其涉及一种用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采装备系统及方法。

背景技术

传统的煤炭开采方式是通过留设煤柱、沿空掘巷来进行的，每个工作面需要掘进两条顺槽，留设一个煤柱，虽然万吨掘进率高，但煤炭回收率低。随着大规模的煤炭开采，煤炭资源量日益减少，传统的留设煤柱、沿空掘巷的开采方式造成的开采成本高，煤炭回收率低等问题日益突出。

沿空留巷是一项安全高效的无煤柱开采技术，能够提高资源回收率，缓解采掘接替紧张，构成工作面Y型通风系统，解决上隅角瓦斯积聚问题，并且消除了因煤柱应力集中而产生的冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害，是我国煤炭可持续发展及科学采矿的重要发展方向之一。

我国沿空留巷多采用巷旁充填方式，在很多矿区均已取得了较好的应用效果，经济效益显著。但是在坚硬顶板条件下进行沿空留巷困难很大，主要原因是坚硬顶板具有较高的强度和完整性，工作面回采推过后在采空区侧向形成大面积顶板悬露，不易垮落，坚硬顶板侧向长悬臂梁结构致使巷旁充填体和煤帮承受了较大的附加应力，巷旁充填体和煤帮受高应力作用易产生鼓出、劈裂等现象，从而导致沿空留巷围岩变形严重，甚至留巷失败。此外，当大面积的悬顶发生突然垮落时对墙体产生冲击作用，易于诱发安全事故。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请针对坚硬顶板沿空留巷所存在的问题，本发明设计了一种用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采装备系统及方法，可有效保证坚硬顶板条件下沿空留巷围岩的稳定性。

第一方面，本申请提供了一种适用于坚硬顶板条件的沿空留巷无煤柱开采装备系统，在一采煤通道内进行采煤作业，所述采煤通道外端连通上顺槽，所述采煤通道内端连通下顺槽；所述下顺槽为留巷区，所述上顺槽和下顺槽基本平行于采煤机系统开采前进方向，所述采煤通道后侧与所述留巷区外侧之间的区域为采空卸压区；

所述装备系统包括一个联合支架，所述联合支架包括底座、顶梁、支柱、充填档板和固定板；所述顶梁在顶部支撑顶部岩体，所述顶梁开设有切缝作业槽，所述充填档板铰接于所述顶梁，所述支柱可伸缩地支撑在所述底座与顶梁之间；

所述联合支架支撑在所述采煤通道与采空卸压区之间；所述联合支架的架体包括开放部和充填作业部；在所述开放部，所述底座与顶梁之间留空，所述开放部能支撑于所述采煤通道内；所述充填作业部支撑于采空卸压区边缘，所述充填档板和固定板固定在所述充填作业部外侧，将所述联合支架后半部围成向后侧开放的充填区。

本申请实施例中，所述充填档板设置一个或多个对拉锚杆开槽，所述对拉锚杆开槽向所述联合支架后侧开放。

本申请实施例中，所述联合支架另具有一铺网装置，在所述联合支架前将防护网顺顶部岩体底面进行铺设，所述防护网布置于所述联合支架顶面与顶部岩体底面之间。

本申请实施例中，所述充填档板及/或固定板上开设有至少一个观察孔，所述观察孔由透明材料封闭。

本申请实施例中，所述装备系统还包括挡矸支架，所述挡矸支架包括底座、顶梁、支柱、挡矸档板和后档板；所述顶梁在顶部支撑顶部岩体；所述支柱可伸缩地支撑在所述底座与顶梁之间；所述挡矸支架支撑在所述联合支架内侧；所述挡矸支架的架体包括开放部和挡矸作业部，所述挡矸档板和后档板固定在所述挡矸作业部外侧，将所述挡矸支架后半部围成向所述联合支架开放的挡矸作业部。

另一方面，本申请提供了一种用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法，包括步骤：

工作面回采推进过程时，在联合支架前端向顶板输送金属网，并通过铁丝将金属网与原巷道顶板金属网连接；

工作面回采至一个充填步距时，透过联合支架的顶梁留孔以锚索钻机向顶板施工锚索钻孔，钻孔施工完成后并安装锚索及托盘；

锚索施工的同时，通过所述联合支架与挡矸支架间的空隙，使用切缝钻车按一定间距向顶板施工切缝爆破钻孔，爆破钻孔施工完毕后，进行定向爆破，从而在坚硬顶板内沿巷道走向形成预裂切缝面，从而切断采空区顶板与留巷顶板的力学联系；

所述联合支架后端以充填挡板和后方充填体形成的封闭的充填空间，所述充填空间内悬挂充填包，充填包悬挂好后，从充填包上的专用锚杆孔洞插入对拉锚杆杆体，并在挡矸支架提供的空间内安装采空区侧的托盘与螺母，但不紧固，完成后向充填包注入充填浆体；

充填完成后，待充填浆体完全凝固后，联合支架和挡矸支架向前迈进，联合支架和挡矸支架均设置有躲避对拉锚杆的开槽，从而避免了支架向前迈进过程中对对拉锚杆的损坏，联合支架和挡矸支架前移一个步距后，安装对拉锚杆留巷侧的托盘与螺母，并施加一定的预紧力。对拉锚杆可提高充填体的抗压及抗剪强度，从而更好地维护留巷围岩。

工作面继续向前推进，采空区坚硬顶板沿预裂切缝迅速垮落，大大缩短了坚硬顶板采空区侧悬臂长度，从而缓解了巷旁充填体及留巷围岩的压力，与巷旁锚索形成联合支护体系。

根据本申请一实施例，所述锚索钻孔穿过坚硬顶板打入老顶，锚索的锚固端深入老顶内进行固定。

根据本申请一实施例，在所述联合支架后侧通过三个悬挂于顶梁的挡板及后方充填体对于所述充填包进行定型限位。

根据本申请一实施例，其中一侧的所述挡板上开设有至少一个窥视口。

根据本申请一实施例，所述联合支架的顶梁面向顶板的一侧开设有向后延伸的开槽，该开槽由所述顶梁留孔连通至所述联合支架的后端。

根据本申请一实施例，所述联合支架的顶梁上从前向后开设有三个相互间隔的顶梁留孔。

根据本申请一实施例，所述充填包与所述顶板间预留有变形间隙，以适应顶板变形，所述变形间隙满足条件：

其中：E₁、E₂为充填体和坚硬顶板的弹性模量，实体煤帮塑性区范围x₀，σ为塑性区煤体对顶板的支撑力；c，

分别为煤层与顶底板岩层交界面的粘聚力和内摩擦角，x为块体B上某点距其煤体侧断裂点的水平距离；K为坚硬顶板的碎胀系数；h为坚硬顶板厚度；m为煤层厚度；L为块体B的长度，a为沿空留巷宽度；b为充填体宽度，l为工作面的长度；L′为工作面周期垮落步距，其中F_s为安全系数，取1.2～1.3。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的该方法，由于切断了坚硬顶板悬臂长度，缓解了留巷围岩应力，且在充填体上方进行了支护，与充填体一起联合支护围岩，使得留巷围岩的变形量大大降低。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中提供的联合支架结构示意图。

图2为本申请实施例中提供的联合支架侧面结构示意图。

图3为本申请实施例中提供的联合支架前视结构示意图。

图4为本申请实施例中提供的联合支架俯视结构示意图。

图5为用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法开采面布置方式示意图；

图6为A-A剖面示意图；

图7为B-B剖面示意图；

图8为C-C剖面示意图；

图9为D-D剖面示意图；

图10为传统的用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法留巷截面示意图；

图11为本申请实施例中老顶断裂前后示意图；

图12为本申请实施例中简化的力学模型示意图；

图13为本申请实施例中提供的挡矸支架结构示意图。

图14为本申请实施例中提供的挡矸支架侧面结构示意图。

图15为本申请实施例中提供的挡矸支架前视结构示意图。

图16为本申请实施例中提供的对拉锚杆结构示意图。

图中，1-顶梁，2-底座，3-立柱，4-顶板铺网装置，5-锚索钻机，6-切缝钻车，7-充填挡板，8-锚索预留孔，9-锚索开槽，10-开槽盖板，11-窥视孔，12-锚索，13-金属网。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例为了解决坚硬顶板条件下进行沿空留巷充填体易产生鼓出﹑劈裂等现象的技术问题，本申请实施例提供了一种用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采装备系统及开采方法，在采空区一侧的留巷区同步进行了充填作业，并且还进行了切顶卸压以及顶板锚固，切断了坚硬顶板悬臂长度，缓解了留巷围岩应力，且在充填体上方进行了支护，与充填体一起联合支护围岩，使得留巷围岩的变形量大大降低，有效保证坚硬顶板条件下沿空留巷围岩的稳定性。

图1为本申请实施例中提供的联合支架结构示意图，图2为本申请实施例中提供的联合支架侧面结构示意图，图3为本申请实施例中提供的联合支架前视结构示意图，以及图4为本申请实施例中提供的联合支架俯视结构示意图。

如图所示意，本申请实施例提供一种联合支架，其选择布置在工作面端头，主要包括顶梁1、底座2、立柱3、顶板铺网装置4、锚索钻机5、切缝钻车6及充填挡板7等构件组成。

顶梁1上设计有锚索预留孔8和开槽9，预留孔8作为施工安装顶板锚索时使用，开槽9为了液压支架前进过程中防止顶梁1将锚索外漏部分或托盘拉坏﹑挤坏，躲避锚索和托盘使用。所述端部支架的顶梁上从前向后开设有三个或多个相互间隔的顶梁预留孔8，以便于多个锚索进行同时施工，同时也可以方便地选择钻孔位置。

底座2在下侧支撑于底部岩板，底座2可以是由钢梁与钢板焊接而成的板状结构，增加底部支撑面积，减少应力集中。顶梁1在顶部支撑顶部岩体，顶梁1可以是由钢梁与钢板焊接而成的板状结构，增加顶部支撑面积。

支柱3受控制可伸缩地支撑在底座2与顶梁1之间，以便于平时支撑于底座2与顶梁1之间，防止作业区垮塌，需要移架时，支柱3能缩回，以便于移架作业。支柱3具体可以选用液压缸以及相配套液压站及控制装置。

所述顶梁铺网装置4位于支架顶梁1的前端，用以铺设顶板金属网，且所铺设金属网与原巷道顶网用铁丝搭接。顶梁铺网装置4主要由滑轮和顶网组成，开始时首先将顶网端部挂在顶板上，随着支架前移，铁丝网在滑轮作用下自动伸长以适应前移的距离，当采煤机及联合支架推过一段距离后施工顶板锚索，该金属网成为顶板支护网。

所述锚索钻机5位于底座2的前端，通过锚索预留孔向顶板施工锚索钻孔，并安装锚索及托盘。钻机可以采用激光定位系统，保证切缝钻孔在一条直线上。在采煤机走一个来回的时间内，切缝钻机要将一个采煤步距内的钻孔全部施工完毕。紧跟切缝钻机布置有裂缝机，在施工切缝钻孔的同时，通过裂缝机对已施工完毕的钻孔进行张拉预裂，形成一条裂缝，工作面煤层回采后，顶板沿切缝面垮落形成留巷区巷帮。

除以上裂缝机实施例外，所述切缝钻车6位于底座2的后端，也可以选择通过联合支架和挡矸支架间的空隙向顶板施工爆破钻孔，爆破钻孔向采空区偏转一定的角度，有利于回采后坚硬顶板的垮落。所述爆破钻孔爆破时采用定向爆破，使坚硬顶板沿巷道走向形成预裂切缝面，切断了坚硬顶板侧向悬臂长度，缓解了巷旁充填体及留巷围岩压力。

所述充填挡板7悬挂于顶梁1后端，共有三块组成，与后方充填体结合形成封闭的充填空间，靠近留巷外侧充填挡板留设有窥视孔，充填过程中可通过窥视孔观察充填情况。

充填挡板7还设置有两个水平方向的对拉锚杆开槽14，以便于在充填垛内预置水平对拉锚杆15，对拉锚杆开槽14向充填垛方向开放，以便于向前移架时，水平对拉锚杆15可以通过对拉锚杆开槽14脱离充填挡板7。

本发明实施例的用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法的装备系统，工作面配套装备系统总体布局图可以选择为如图5所示，本装备系统的实施并不依赖于具体方位关系。

可以选择以此装备系统在采区进行坚硬顶板条件的沿空留巷无煤柱开采作业，所述装备系统可主要包括：联合支架90、挡矸支架80、以及普通支架70。采煤机系统在采煤通道内进行采煤作业，采煤机沿上顺槽延伸方向采煤前进(图中实心箭头所示方向)，且采煤通道外端连通上顺槽，采煤通道内端连通下顺槽。这里下顺槽为开采中不断留巷作业形成，这其中上顺槽和下顺槽基本平行于采煤机系统开采方向，采煤通道后侧与下顺槽(也称留巷区)外侧之间的区域可为采空卸压区，是采煤机系统不断运行产生的后侧采空区。

图5用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法开采面布置方式示意图，图6为A-A剖面示意图，图7为B-B剖面示意图，图8为C-C剖面示意图，以及图9为D-D剖面示意图。本说明书中所述采煤机系统开采方向是指整体前进方向，如图5中实心箭头所示方向，采煤机系统中采煤机在采煤通道内向左或向右沿前壁开采，以实现向前进方向的推进。上顺槽和下顺槽基本平行于采煤机系统开采方向，其中基本平行是说开采中难免存在的偏差；另外，有时也需要根据煤层与地质的特殊情形进行调整，但基本处于平行状态即可。因为顺槽均是通过开采作业不断留巷形成。

本申请实施例在采空区与留巷区之间设置有充填垛60，充填垛60在联合支架90后侧不断形成，以便于在沿空留巷区与采空区之间进行有效支撑，并对于采空区的碎石帮进行挡矸支护。

图10为传统的用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法留巷截面示意图，图11为本申请实施例中老顶断裂前后示意图，以及图12为本申请实施例中简化的力学模型示意图；下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

(1)工作面回采推进过程时，通过顶板铺网装置4向顶板输送金属网13，并通过铁丝将金属网13与原巷道顶板金属网连接。

(2)工作面回采至一个充填步距时，首先打开开槽盖板10，通过锚索钻机5向顶板施工锚索钻孔，钻孔施工完成后并安装锚索12及托盘，安装完毕后关闭开槽盖板10。巷旁充填体上方采用锚索支护有两大优点：一是锚索提供较大的支护阻力，可减小巷旁充填体所受压力，并将顶板岩层锚固在一起，可减少留巷初期顶板的离层，提高围岩的自承能力；二是巷旁锚索加强支护可超前充填工序进行安装，弥补了巷旁充填滞后支护的缺点，从而减小了沿空留巷的围岩变形。

(3)锚索施工的同时，通过联合支架和挡矸支架间的空隙，使用切缝钻车6按一定间距向顶板施工切缝爆破钻孔，爆破钻孔施工完毕后，进行定向爆破，从而在坚硬顶板内沿巷道走向形成预裂切缝面，从而切断了采空区顶板与留巷顶板的力学联系。

(4)在充填挡板7形成的封闭空间内悬挂充填包，并向其注入充填浆体(混凝土砂浆或高水材料)，充填过程中，可通过窥视孔11观察充填包内的充填情况。锚索施工，切缝爆破钻孔施工和巷旁充填可同时进行，但进行定向爆破时应停止充填﹑锚索施工等一切工序，撤出所有工作人员。

(5)参见图9所示意，充填完成后，待充填浆体完全凝固后，工作面继续向前推进，采空区坚硬顶板沿预裂切缝迅速垮落，大大缩短了坚硬顶板采空区侧悬臂长度，从而缓解了巷旁充填体及留巷围岩的压力，与巷旁锚索形成联合支护体系，保证了坚硬顶板沿空留巷的稳定性。

前述实施例中，所述充填包与所述顶板间预留有变形间隙，所述变形间隙满足条件：

参照图12所示，基本顶断裂后在采空区侧向形成A、B、C三个关键块体，块体B的一端支撑在煤体侧岩层上，另一端向采空区发生回转下沉。下位岩体不足以阻止基本顶关键块B的回转下沉，而只能被动接受其施加的“给定变形”。给定变形量S为：

式中：x为块体B上某点距其煤体侧断裂点的水平距离；K为坚硬顶板的碎胀系数；h为坚硬顶板厚度；m为煤层厚度；L为块体B的长度。

充填体处老顶下沉量可取充填体中点处下沉量作为平均下沉量，因此，充填体处老顶下沉量为：

式中：x₀实体煤帮塑性区范围；a为沿空留巷宽度；b为充填体宽度。其中，关键块长度L可用下式计算：

式中，l为工作面的长度，m；L′为工作面周期垮落步距。实体煤帮塑性区范围x₀可用下式计算：

式中，σ为塑性区煤体对顶板的支撑力；c，

分别为煤层与顶底板岩层交界面的粘聚力和内摩擦角；A为侧压系数；k为最大应力集中系数；γ为岩层平均容重；H为开采深度；P_x为煤帮支护阻力。

基本顶的给定变形量相对较大，如果充填墙体的可缩性不足，则往往发生破裂失稳。因此，为避免此类情况发生可在充填体上方预留一定的变形间隙Δ，以适应顶板变形。老顶给定变形量与坚硬顶板压缩变形量S₂、充填体压缩变形量S₁和预留变形间隙Δ存在以下关系：

S-Δ＝S₁+S₂ (3)

并将坚硬直接顶板、巷旁墙体视为具有不同刚度的可变形体。根据材料力学知识，充填体和坚硬顶板的刚度系数分别为：

式中：E₁、E₂为充填体和坚硬顶板的弹性模量。

充填体所受压力P与各部分变形量的关系为：

P＝K₁S₁＝K₂S₂ (5)

假设充填体抗压强度为[σ]，充填体所受压力P所极限值为[σ]b，考虑到一定的安全系数，可取压力P为：

其中F_s为安全系数，取1.2～1.3。

联立式(4)、(5)、(6)可得：

将式(7)代入式(3)解得：

图13为本申请实施例中提供的挡矸支架结构示意图。图14为本申请实施例中提供的挡矸支架侧面结构示意图。图15为本申请实施例中提供的挡矸支架前视结构示意图。图16为本申请实施例中提供的对拉锚杆结构示意图。

本申请实施例中，挡矸支架80包括顶梁71、底座72与立柱73，且设置有侧挡板77和后挡板76，可阻挡采空区矸石，从而为对拉锚杆15安装、爆破装药等工序提供了一定的作业空间。充填包上设置有两排或多排的专用锚杆孔洞，充填时，充填包悬挂好后，从专用锚杆孔洞插入对拉锚杆15的杆体150，并在挡矸支架80提供的空间内安装采空区侧的托盘151与螺母152，但不紧固。充填完成，充填体达到设计的强度后，“充-切-支”联合支架和挡矸支架向前迈进，联合支架90和挡矸支架80均设置有躲避对拉锚杆的开槽75，从而避免了支架向前迈进过程中对对拉锚杆的损坏，“充-切-支”联合支架90和挡矸支架80前移一个步距后，安装对拉锚杆留巷侧的托盘与螺母，并施加一定的预紧力。对拉锚杆可提高充填体的抗压及抗剪强度，从而更好地维护留巷围岩。

本申请实施例中，在充填完成后，待充填浆体完全凝固后，联合支架和挡矸支架向前迈进，联合支架和挡矸支架均设置有躲避对拉锚杆的开槽，从而避免了支架向前迈进过程中对对拉锚杆的损坏，联合支架和挡矸支架前移一个步距后，安装对拉锚杆留巷侧的托盘与螺母，并施加一定的预紧力。对拉锚杆可提高充填体的抗压及抗剪强度，从而更好地维护留巷围岩。

工作面继续向前推进，采空区坚硬顶板沿预裂切缝迅速垮落，大大缩短了坚硬顶板采空区侧悬臂长度，从而缓解了巷旁充填体及留巷围岩的压力，与巷旁锚索形成联合支护体系。

上述多功能液压支架尤其适用于坚硬顶板条件下的沿空留巷工程，具有锚网索支护﹑切断顶板和巷旁充填等多种功能，可为坚硬顶板沿空留巷的成功实施奠定基础。

采用上述多功能液压支架进行沿空留巷时，由于切断了坚硬顶板悬臂长度，缓解了留巷围岩应力，且在充填体上方进行了支护，与充填体一起联合支护围岩，使得留巷围岩的变形量大大降低，采用多功能支架和普通支架留巷时的沿空留巷围岩变形量如表1所示。

表1不同类型支架留巷时围岩变形量对比

围岩变形量	煤帮鼓出量	充填帮鼓出	底臌量	顶板下沉量
					普通支架	169mm	28量4mm	512mm	319mm
联合支架	82mm	137mm	181mm	165mm
					备注	降低51.5	降低51.8﹪	降低64.6﹪	降低48.3﹪

由表1可知，采用多功能联合支架进行留巷比采用普通支架时围岩变形量降低了约50﹪左右，改进效果显著。

且采用普通支架进行留巷时，沿空留巷最终顶底板移近量高达831mm，已无法满足现场使用要求，需进行巷道返修，而返修巷道的成本为576元/m，而采用联合支架留巷时增加的费用为：

新打锚索+钻孔爆破＝52元/m+120元/m＝172元/m。

由于采用多功能联合支架进行留巷时，留巷最终顶底板移近量高仅为346mm，可满足现场使用要求，无需进行返修，可节省的费用为：

576元/m-172元/m＝404元/m。

因此，采用多功能支架进行留巷时每米留巷可节省404元。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采装备系统，其特征在于，在一采煤通道内进行采煤作业，所述采煤通道外端连通上顺槽，所述采煤通道内端连通下顺槽；所述下顺槽为留巷区，所述上顺槽和下顺槽基本平行于采煤机系统开采前进方向，所述采煤通道后侧与所述留巷区外侧之间的区域为采空卸压区；

所述装备系统包括一个联合支架，所述联合支架包括底座、顶梁、支柱、充填档板和固定板；所述顶梁在顶部支撑顶部岩体，所述顶梁开设有切缝作业槽，所述充填档板铰接于所述顶梁，所述支柱可伸缩地支撑在所述底座与顶梁之间；

所述联合支架支撑在所述采煤通道与采空卸压区之间；所述联合支架的架体包括开放部和充填作业部；在所述开放部，所述底座与顶梁之间留空，所述开放部能支撑于所述采煤通道内；所述充填作业部支撑于采空卸压区边缘，所述充填档板和固定板固定在所述充填作业部外侧，将所述联合支架后半部围成向后侧开放的充填区。

2.如权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述充填档板设置一个或多个对拉锚杆开槽，所述对拉锚杆开槽向所述联合支架后侧开放。

3.如权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述联合支架另具有一铺网装置，在所述联合支架前将防护网顺顶部岩体底面进行铺设，所述防护网布置于所述联合支架顶面与顶部岩体底面之间。

4.如权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述充填档板及/或固定板上开设有至少一个观察孔，所述观察孔由透明材料封闭。

5.如权利要求1至4任一项所述的装备系统，其特征在于，所述装备系统还包括挡矸支架，所述挡矸支架包括底座、顶梁、支柱、挡矸档板和后档板；所述顶梁在顶部支撑顶部岩体；所述支柱可伸缩地支撑在所述底座与顶梁之间；所述挡矸支架支撑在所述联合支架内侧；所述挡矸支架的架体包括开放部和挡矸作业部，所述挡矸档板和后档板固定在所述挡矸作业部外侧，将所述挡矸支架后半部围成向所述联合支架开放的挡矸作业部。

6.一种用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法，应用如权利要求1至5任一项所述的用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采装备系统，其特征在于，包括步骤：

工作面回采推进过程时，在支架前端向顶板输送金属网，并通过铁丝将金属网与原巷道顶板金属网连接；

工作面回采至一个充填步距时，透过端部支架的顶梁留孔以锚索钻机向顶板施工锚索钻孔，钻孔施工完成后并安装锚索及托盘；

锚索施工的同时，通过所述联合支架与挡矸支架间的空隙，使用切缝钻车按一定间距向顶板施工切缝爆破钻孔，爆破钻孔施工完毕后，进行定向爆破，从而在坚硬顶板内沿巷道走向形成预裂切缝面，从而切断采空区顶板与留巷顶板的力学联系；

所述联合支架后端以充填挡板和后方充填体形成的封闭的充填空间，所述充填空间内悬挂充填包，并向充填包注入充填浆体；

充填完成后，待充填浆体完全凝固后，工作面继续向前推进，采空区坚硬顶板沿预裂切缝迅速垮落，缩短了坚硬顶板采空区侧悬臂长度，从而缓解巷旁充填体及留巷围岩的压力，与巷旁锚索形成联合支护体系。

7.如权利要求6所述的用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法，其特征在于，所述锚索钻孔穿过坚硬顶板打入老顶，锚索的锚固端深入老顶内进行固定。

8.如权利要求6所述的用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法，其特征在于，在所述联合支架后侧通过三个悬挂于顶梁的挡板及后方充填体对于所述充填包进行定型限位。

9.如权利要求6所述的用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法，其特征在于，所述联合支架的顶梁面向顶板的一侧开设有向后延伸的开槽，该开槽由所述顶梁留孔连通至所述联合支架的后端。

10.如权利要求6至9任一项所述的用于坚硬顶板的沿空留巷无煤柱开采方法，其特征在于，所述充填包与所述顶板间预留有变形间隙，以适应顶板变形，所述变形间隙满足条件：

其中：E₁、E₂为充填体和坚硬顶板的弹性模量，实体煤帮塑性区范围x₀，σ为塑性区煤体对顶板的支撑力；c，

分别为煤层与顶底板岩层交界面的粘聚力和内摩擦角，x为块体B上某点距其煤体侧断裂点的水平距离；K为坚硬顶板的碎胀系数；h为坚硬顶板厚度；m为煤层厚度；L为块体B的长度，a为沿空留巷宽度；b为充填体宽度，l为工作面的长度；L′为工作面周期垮落步距，其中F_s为安全系数，取1.2～1.3。

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