何滿潮，劉簡(jiǎn)寧，劉冬橋，賀明珠，夏洪滿

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.延川新泰煤礦，陜西 延川 717208；4.沈陽(yáng)焦煤股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110122）

煤炭是世界上的主要能源之一。根據(jù)英國(guó)石油公司2021 年7 月發(fā)布的《bp 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》，2020 年全世界一次能源消費(fèi)主要來(lái)源于石油、天然氣、煤炭、核能、水電和可再生能源，其中煤炭占全世界一次能源消費(fèi)的27.2%［1］（如圖1A所示）。煤炭產(chǎn)業(yè)不僅僅作為全世界能源結(jié)構(gòu)的支柱產(chǎn)業(yè)，鑒于中國(guó)煤炭資源豐富、天然氣資源少、石油資源稀缺的能源架構(gòu)特征，煤炭依舊是新常態(tài)下中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的一部分［2］。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，煤炭消費(fèi)經(jīng)歷了規(guī)模速度型增長(zhǎng)（2000—2011 年）、高速增長(zhǎng)（2012—2018 年）再到現(xiàn)在高質(zhì)量發(fā)展階段，煤炭消費(fèi)量總量雖在增長(zhǎng)，但增速在下降［3］。依據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，一次能源生產(chǎn)方面，中國(guó)在整個(gè)“十三五”期間原煤生產(chǎn)占比降至67.3%；一次能源消費(fèi)方面，中國(guó)在整個(gè)“十三五”期間煤炭占比較高，以2022 年為例（如圖1B 所示），煤炭占比可達(dá)46.1%［4］。如圖1C所示針對(duì)全世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)，U.S.Energy Information Administration預(yù)測(cè)2050 年煤炭會(huì)成為一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比為19.94%的能源［5］。即使到2050年，煤炭依舊是一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在能源需求發(fā)展的大背景下，中國(guó)有望在“十四五”時(shí)期末實(shí)現(xiàn)煤炭資源需求接近峰值，但占比最多下降8%，仍占能源結(jié)構(gòu)的四分之一［4］。

圖1 一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)[1,4-5]

煤炭工業(yè)的發(fā)展研究需要總結(jié)出煤炭開(kāi)采技術(shù)發(fā)展的歷史規(guī)律。回顧世界煤炭發(fā)展的歷史，不難得出這樣的結(jié)論：煤炭產(chǎn)量主要與采煤技術(shù)有關(guān)，每一次采煤技術(shù)的變革都必然導(dǎo)致煤炭產(chǎn)量的急劇增加。伴隨人類(lèi)社會(huì)對(duì)煤炭依賴度的不斷增加，開(kāi)采工法不斷革新，其發(fā)展歷程如圖2所示［6-7］。18 世紀(jì)以前，全世界煤礦的開(kāi)采方式是房柱式開(kāi)采，房柱式開(kāi)采無(wú)法滿足發(fā)展需求，因此，1706年英國(guó)什羅普郡便采用傳統(tǒng)的長(zhǎng)壁開(kāi)采法（121工法，如圖2A 所示），提高煤炭資源回收率［8-9］。長(zhǎng)壁開(kāi)采121 工法顧名思義，其需要在回采之前保留1 個(gè)煤柱和提前掘進(jìn)2 條巷道［6］。該工法雖然增加了工作面的產(chǎn)量，但隨之而來(lái)的是大量煤柱資源的浪費(fèi)以及采掘接續(xù)緊張等問(wèn)題［10］。以延安地區(qū)為例，其煤炭資源具有蘊(yùn)藏豐富和品種優(yōu)良的特點(diǎn)，其開(kāi)采行業(yè)自抗戰(zhàn)時(shí)期至今一直受黨和政府高度重視［11］。煤炭能源化工作為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的龍頭產(chǎn)業(yè)，延安煤炭產(chǎn)業(yè)的高產(chǎn)高效發(fā)展對(duì)于城市的發(fā)展有著關(guān)鍵作用［12-14］。延安作為煤炭資源型城市，其資源開(kāi)采條件簡(jiǎn)單，儲(chǔ)量豐富（已探明56.15 億t），其中子長(zhǎng)、黃陵礦區(qū)為優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤與氣化用煤［15-16］。延安地區(qū)大多數(shù)煤礦都在使用著18 世紀(jì)初英國(guó)發(fā)明的長(zhǎng)壁開(kāi)采121 工法［6-7］。隨著煤炭開(kāi)采深度與強(qiáng)度的增加，傳統(tǒng)工藝俞發(fā)無(wú)法滿足技術(shù)對(duì)于高產(chǎn)、高效、安全和環(huán)保的需求［10，17］。面對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)采所帶來(lái)的問(wèn)題，無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)逐漸成了煤炭科學(xué)研究的熱點(diǎn)。最早的無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)主要為起源于1937 年蘇聯(lián)的傳統(tǒng)沿空留巷工藝（111 工法，見(jiàn)圖2B），111 工法巷道一側(cè)為煤柱，另一側(cè)為高支撐力和強(qiáng)度的充填墻體作為支撐載體［6］。隨著煤炭科技的發(fā)展，無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)在不斷發(fā)展，截至目前無(wú)煤柱開(kāi)采工藝有沿空留巷技術(shù)以及無(wú)煤柱自成巷工法等。

面對(duì)111 工法尚未優(yōu)化采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)，沿空巷道承載壓力較大等問(wèn)題是該工法自身必然存在的問(wèn)題。從根源上解決此類(lèi)問(wèn)題，必然要從工法入手，需要一套創(chuàng)新性開(kāi)采工藝［18］。中國(guó)雖然為世界上產(chǎn)煤大國(guó)之一，也是最早開(kāi)始采煤的國(guó)家之一，但使用的采煤工藝均為國(guó)外科技發(fā)展的結(jié)果。為解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)眾多科研工作者做了大量研究。直至2009年，中國(guó)才有了自主研發(fā)的煤炭開(kāi)采技術(shù)——無(wú)煤柱自成巷110/N00 工法［6-7，18］。面對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，本項(xiàng)目組于2009 年研發(fā)了無(wú)煤柱開(kāi)采110工法（見(jiàn)圖2C），利用礦壓自動(dòng)成巷，取消工作面保護(hù)煤柱以及一半巷道掘進(jìn)［6］。無(wú)煤柱自成巷1G N00 工法（見(jiàn)圖2D）是本項(xiàng)目組于2016 年提出并于次年在陜西檸條塔礦完成了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［10］，其在110工法的成功試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用改變傳統(tǒng)采煤關(guān)鍵技術(shù)和配套裝備，實(shí)現(xiàn)了工作面單側(cè)采留一體化，從而實(shí)現(xiàn)回采面取消巷道掘進(jìn)和保護(hù)煤柱留設(shè)［17］。在1G N00 工法成功試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目組于2018 年研發(fā)了2G N00 工法（見(jiàn)圖2E）［6］，該工法實(shí)現(xiàn)了工作面雙側(cè)自動(dòng)成巷，取消了局部通風(fēng)；取消采區(qū)內(nèi)100%順槽巷道掘進(jìn)；取消了采區(qū)煤柱；采出率可以提高15%~25%，利用平衡開(kāi)采原理，實(shí)現(xiàn)地表環(huán)境不破壞。3G N00 礦井（見(jiàn)圖2F）為本項(xiàng)目組于2019 年在2G N00 工法的基礎(chǔ)上所提出的一個(gè)全新的建井概念，其大幅度簡(jiǎn)化礦井系統(tǒng)，取消大巷、井下變電所、井底車(chē)場(chǎng)工程，減少建井周期，實(shí)現(xiàn)了全礦井范圍無(wú)煤柱開(kāi)采、無(wú)巷道掘進(jìn)，使井田范圍內(nèi)煤炭資源的采出率從不足一半直接提高至理論意義中的全部采出。3G N00 礦井的實(shí)施意味著掘進(jìn)工種的消失，掘進(jìn)事故的消失，可以挽救成千上萬(wàn)煤礦工人的生命。

圖2 煤炭開(kāi)采工法發(fā)展歷程[6-7]

取消保護(hù)煤柱保留沿空巷道的確可以回收大量被遺棄的煤炭資源以及解決采掘接續(xù)緊張的問(wèn)題。一項(xiàng)成熟的工藝不僅僅體現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用過(guò)程中，還應(yīng)體現(xiàn)在科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)是否成了研究熱點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)的系統(tǒng)評(píng)論可以得出無(wú)煤柱開(kāi)采領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。為了分析CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中自1993年至2021年所有關(guān)于無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的核心期刊與EI，利用Citespace 實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)的研究領(lǐng)域可視化分析以及系統(tǒng)科學(xué)計(jì)量評(píng)價(jià)［19-20］。如圖3A所示（見(jiàn)封二），從文獻(xiàn)作者分析可以得出，自何滿潮院士2009 年研發(fā)無(wú)煤柱自成巷110工法，2016年研發(fā)N00工法以后，無(wú)煤柱開(kāi)采相關(guān)論文的作者主要以何滿潮院士團(tuán)隊(duì)為主，進(jìn)而可以得出無(wú)煤柱開(kāi)采相關(guān)文獻(xiàn)主要以無(wú)煤柱自成巷110/N00工法為主。并且隨著時(shí)間的推移，無(wú)煤柱自成巷110/N00工法相關(guān)論文越來(lái)越多，幾乎一半以上的無(wú)煤柱開(kāi)采文獻(xiàn)均與110/N00工法相關(guān)。由知網(wǎng)文獻(xiàn)可視化分析結(jié)果可以得出，國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)由傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)逐漸變?yōu)?10/N00工法。為了增加無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)文獻(xiàn)分析的合理性，分析了Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中自1998年至2021年所有關(guān)于主題包含“non coal pillar mining/nonpillar-mining/gob-side entry”的359篇SCI論文［21］。如圖3B 所示（見(jiàn)封二），無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的Log-Likelihood Ratio 聚類(lèi)分析結(jié)果表明，21.5%的SCI論文主題關(guān)于“roof cutting”，并且主要集中在2013年至今。無(wú)煤柱自成巷110/N00工法便是以“roof cutting”為核心技術(shù)的無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)。如圖3C所示（見(jiàn)封二），以被引作者作為分析條件，分析結(jié)果表明，何滿潮院士關(guān)于無(wú)煤柱自成巷110 工法的論文在引用量上逐漸成了熱點(diǎn)，其2017 年所寫(xiě)關(guān)于論文引用量截止2021 年底便超過(guò)40次。因此，無(wú)煤柱自成巷110/N00工法的興起，掀起了世界煤炭技術(shù)發(fā)展的第三次革命［6-7，18，22］。

總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果，無(wú)煤柱自成巷110/N00工法是第三次礦業(yè)技術(shù)革命的標(biāo)志，具有突出的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全優(yōu)勢(shì)。新泰N00 工法試驗(yàn)工程的礦井設(shè)計(jì)采用3G N00 礦井開(kāi)采布局以及工作面回采工藝采用2G N00工法，此類(lèi)試驗(yàn)項(xiàng)目截至目前國(guó)內(nèi)外尚屬首例。為此，本文以延安市延川新泰煤礦N00 礦井為工程背景，從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵設(shè)計(jì)、科學(xué)實(shí)踐3個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外首例3G N00礦井工業(yè)化試驗(yàn)。建設(shè)國(guó)內(nèi)外首例3G N00礦井示范工程，落實(shí)高科技精準(zhǔn)幫扶，促進(jìn)革命老區(qū)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)中國(guó)煤礦安全、高效、節(jié)約、綠色開(kāi)采的巨大進(jìn)步。

1 3G N00礦井基礎(chǔ)理論

1.1 N00工法平衡開(kāi)采理論

地下礦山開(kāi)采誘發(fā)應(yīng)力分布主要與采空區(qū)上頂板層結(jié)構(gòu)相關(guān)。煤炭回采過(guò)后采空區(qū)頂板巖層在空間上發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，并伴隨著地表下沉［24］。將采礦三帶所帶來(lái)的損傷用K1、K2和K3表示［6］。其中，K1為地表沉降損傷變量，K2為裂隙損傷變量，K3為矸石碎脹損傷變量。對(duì)于采礦工程來(lái)說(shuō)，采礦活動(dòng)在三帶中產(chǎn)生的損傷變量雖然是千變?nèi)f化的，但是始終滿足采礦損傷不變量方程：

式中，?VS為地表沉降體積；?Vm為采礦體積；?VC為裂隙帶中的裂隙體積；?VB為頂板垮落巖體的碎脹體積。

不同采礦工法所得出的開(kāi)采模型不同（見(jiàn)圖4）。對(duì)于傳統(tǒng)121 工法而言，由于頂板垮落巖體的碎脹體積?VB不足以補(bǔ)償采礦體積?Vm。為保證損傷不變量方程的成立，需要出現(xiàn)裂隙帶中的較大的裂隙體積?VC與地表沉降體積?VS來(lái)補(bǔ)償剩余的采礦體積。因此，傳統(tǒng)121 工法所帶來(lái)巖層和地表的損傷是不可避免的。反觀110/N00 工法，由于頂板切縫實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)內(nèi)頂板崩塌形成了矸石的碎脹充填，其中矸石碎脹量幾乎等于采礦量。依據(jù)損傷不變量方程的要求，裂隙帶中的裂隙體積?VC與地表沉降體積?VS可以接近于0。裂隙帶之上不會(huì)出現(xiàn)彎曲下沉帶，只會(huì)出現(xiàn)緩沉帶。

圖4 采礦工程開(kāi)采模型[6]

相比較傳統(tǒng)121工法，110/N00工法所表現(xiàn)出的采礦量與矸石碎脹量之間的平衡關(guān)系。由于矸石具有自承載作用力，隨著矸石被不斷壓縮，自承載作用力不斷增加［10］。N00工法實(shí)現(xiàn)的采空區(qū)雙側(cè)均有頂板切縫，在此作用下矸石碎脹充滿采空區(qū)的現(xiàn)象更為明顯。由此剖析可以得出，3G N00礦井工作面采空區(qū)頂板存在應(yīng)力平衡分布特征。

1.2 “切頂短臂梁”應(yīng)力補(bǔ)償特征

在110/N00 工法中，定向切縫技術(shù)在切斷頂板應(yīng)力傳遞路徑的同時(shí)將煤層頂板分為2 個(gè)部分［22］。其一在NPR 錨索的支護(hù)下得以保留，形成“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)并作為自成巷的頂板；其二則受礦山壓力與自身重力的作用破碎形成矸石，并碎脹充填采空區(qū)，支撐采空區(qū)頂板（基本頂）。切頂短臂梁結(jié)構(gòu)如圖5所示［22，25］。

圖5 “切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)[22,25]

本文利用庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則［26］來(lái)分析煤層開(kāi)采誘導(dǎo)“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)（見(jiàn)圖6）。假設(shè)將采場(chǎng)周邊煤巖體進(jìn)行簡(jiǎn)化，其應(yīng)力分布問(wèn)題作為平面問(wèn)題進(jìn)行分析，其中待切頂板在回采之前處于初始狀態(tài)，最大主應(yīng)力方向?yàn)樗椒较?，平均水平?yīng)力普遍大于豎直應(yīng)力，其中大部分情況下比值小于1.5［24］。開(kāi)采誘導(dǎo)采場(chǎng)覆巖應(yīng)力重新分布，其應(yīng)力集中系數(shù)可以達(dá)到2~5［24］。該情況下最大主應(yīng)力方向變?yōu)樨Q直方向，最小主應(yīng)力方向變?yōu)樗椒较?。頂板切縫使得待切頂板形成了“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)，“切頂短臂梁”所受的水平方向作用力此時(shí)假設(shè)由σ3減小至σ3（*）。與此同時(shí)，煤層開(kāi)挖導(dǎo)致“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)飽受開(kāi)采擾動(dòng)影響。該開(kāi)采擾動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致整個(gè)地下采場(chǎng)垂直方向應(yīng)力集中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工程所處高應(yīng)力環(huán)境時(shí)，普通錨索無(wú)法提供較高預(yù)應(yīng)力時(shí)，此時(shí)“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)所受垂直方向的應(yīng)力增加至σ1（*）或者更大。該狀態(tài)中應(yīng)力圓的半徑增大，當(dāng)應(yīng)力圓的點(diǎn)超出了抗剪強(qiáng)度曲線時(shí)，“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)達(dá)到自身強(qiáng)度極限，進(jìn)而發(fā)生破壞。面對(duì)該問(wèn)題，何滿潮院士提出“應(yīng)力補(bǔ)償”的概念，利用NPR 錨索獨(dú)有恒阻高預(yù)應(yīng)力的特征，對(duì)“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)反向補(bǔ)償應(yīng)力。在其他方向應(yīng)力不變的情況下，使“切頂短臂梁”在垂直方向所受的作用力相對(duì)變小，假設(shè)為σ1（**）或者更小?！扒许敹瘫哿骸痹谟砷_(kāi)采擾動(dòng)狀態(tài)變?yōu)閼?yīng)力補(bǔ)償狀態(tài)。應(yīng)力補(bǔ)償狀態(tài)中應(yīng)力圓的半徑比開(kāi)采擾動(dòng)狀態(tài)（安裝普通錨索）小，應(yīng)力圓的所有點(diǎn)均未超出了抗剪強(qiáng)度曲線的概率比開(kāi)采擾動(dòng)狀態(tài)（安裝普通錨索）高。因此，“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)安裝NPR錨索時(shí)的穩(wěn)定性高。

圖6 “切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)演變特征

“切頂短臂梁”能以應(yīng)力補(bǔ)償特征為應(yīng)力分布的最后一個(gè)狀態(tài)，主要依賴NPR 錨索恒阻高預(yù)應(yīng)力特征。巷道在服務(wù)期內(nèi)經(jīng)歷頂板變形誘發(fā)沖擊荷載影響，傳統(tǒng)錨索在成巷過(guò)程中極易達(dá)到極限拉伸荷載，支護(hù)一旦失效便會(huì)誘發(fā)“切頂短臂梁”無(wú)法實(shí)現(xiàn)應(yīng)力補(bǔ)償，巷道圍巖結(jié)構(gòu)即刻出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象［27］。NPR 錨索不同于傳統(tǒng)錨索，其具有高恒阻、大變形、可吸能特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒阻高預(yù)應(yīng)力特征［28］。室內(nèi)靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)模擬“切頂短臂梁”變形過(guò)程對(duì)NPR 錨索所產(chǎn)生的持久拉伸作用［28］，所以該特征便可以通過(guò)室內(nèi)拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)表明。

實(shí)驗(yàn)選取6 根NPR 錨索做室內(nèi)拉伸實(shí)驗(yàn)，NPR錨索拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與錨固作用對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7 所示。依據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，大致可以分為3個(gè)階段（階段Ⅰ、階段Ⅱ和階段Ⅲ），并且這3 個(gè)階段都可對(duì)應(yīng)NPR 錨索對(duì)“切頂短臂梁”支護(hù)作用中的3個(gè)階段。其中拉伸實(shí)驗(yàn)初始階段Ⅰ對(duì)應(yīng)NPR 錨索支護(hù)作用中的初始階段。階段Ⅱ則對(duì)應(yīng)著“切頂短臂梁”變形過(guò)程中NPR 錨索的實(shí)現(xiàn)恒阻階段，其中NPR 錨索中鋼絞線與恒阻器的相對(duì)位移在78.88~99.47 mm 范圍內(nèi)，錨索所受拉力在338.39~366.32 kN 范圍內(nèi)。該階段NPR 錨索實(shí)現(xiàn)了恒阻的概念，在此之后錨索所能承受的拉力值均在該階段工作阻力上下浮動(dòng)。階段Ⅲ表明了NPR 錨索在忍受“切頂短臂梁”大變形過(guò)程中保證支護(hù)阻力恒定，其中NPR 錨索在所承受的應(yīng)力與階段Ⅱ中最大應(yīng)力差值較小（平均差值在43.02~70.06 kN 范圍內(nèi)），鋼絞線與恒阻器的極限相對(duì)位移在398.79~435.11 mm 范圍內(nèi)。該階段NPR 錨索對(duì)“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了吸能讓壓、高恒阻、大變形支護(hù)。其最大支護(hù)阻力可以達(dá)到370.06 kN，其極限變形范圍在398.79~435.11 mm內(nèi)。

“切頂短臂梁”模型不同于傳統(tǒng)開(kāi)采工藝中的巷道頂板模型，其通過(guò)NPR 錨索高強(qiáng)支護(hù)力實(shí)現(xiàn)了“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)變化所需的應(yīng)力。“切頂短臂梁”應(yīng)力分布特征從結(jié)構(gòu)變形到穩(wěn)定的全過(guò)程中表現(xiàn)出應(yīng)力補(bǔ)償?shù)奶卣?。因此，分析結(jié)果表明，“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)應(yīng)力補(bǔ)償特征意味著巷道所需承載的應(yīng)力弱化。

圖7 NPR錨索拉伸數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與支護(hù)作用對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 3G N00礦井關(guān)鍵設(shè)計(jì)

2.1 3G N00礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)

3G N00 礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)如圖8 所示，全礦井無(wú)需提前布置大巷工程，首采面所留巷道為整個(gè)礦井的大巷。生產(chǎn)系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，運(yùn)輸路線中煤炭由工作面經(jīng)刮板輸送機(jī)運(yùn)往運(yùn)輸順槽皮帶輸送機(jī)，經(jīng)過(guò)膠帶運(yùn)輸巷到達(dá)煤倉(cāng)，最后經(jīng)斜井運(yùn)輸?shù)降孛妫痪滤璨牧辖?jīng)副立井的副井聯(lián)絡(luò)巷、軌道運(yùn)輸巷/監(jiān)測(cè)硐室、運(yùn)輸巷/回風(fēng)巷，最后到達(dá)工作面；行人經(jīng)由主斜井經(jīng)過(guò)石門(mén)（行人通道）、回風(fēng)巷到達(dá)工作面或軌道運(yùn)輸巷至運(yùn)輸巷最后到達(dá)工作面。3G N00礦井供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)將井下高壓配電室設(shè)置在地面變電所內(nèi)，下井電纜由主斜井井筒敷設(shè)至井下采煤工作面及井底配電硐室（監(jiān)測(cè)硐室和副井聯(lián)絡(luò)巷等）。3G N00 礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主斜井和副立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。其中從副立井開(kāi)始的進(jìn)回風(fēng)路線為副立井到軌道運(yùn)輸巷、運(yùn)輸巷、工作面、回風(fēng)巷、回風(fēng)石門(mén)、回風(fēng)立井；從主斜井開(kāi)始的進(jìn)回風(fēng)路線為主斜井到膠帶運(yùn)輸巷、運(yùn)輸巷、工作面、回風(fēng)巷、回風(fēng)石門(mén)、回風(fēng)立井。其余排水系統(tǒng)、防滅火系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等均利用少量巷道或者自成巷布置。3G N00礦井首采工作面為N00 5101 工作面，其平均埋深為60 m，工作面長(zhǎng)度為240 m，走向長(zhǎng)度為1 000 m。

圖8 3G N00礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)

3G N00礦井作為一種創(chuàng)新的建井模式，以簡(jiǎn)單的生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了全礦井開(kāi)拓布局新模式，簡(jiǎn)化井底車(chē)場(chǎng)工程、大巷工程、井下水泵房與變電所工程。如表1所示，相比較傳統(tǒng)礦井設(shè)計(jì)，礦井掘進(jìn)工程減少80%以上，縮短建井工期19個(gè)月；大幅減少巷道保護(hù)煤柱，使全礦井采出率提高至80%以上。

表1 3G N00礦井與傳統(tǒng)采煤工藝設(shè)計(jì)參數(shù)比較

2.2 3G N00礦井工作面關(guān)鍵工藝與裝備體系

相比無(wú)煤柱自成巷1G N00工法工作面開(kāi)采單側(cè)留巷，在110工法與1G N00工法成功實(shí)施的基礎(chǔ)上，筆者于2018年提出了2G N00工法關(guān)鍵技術(shù)［6］。3G N00礦井工作面主要采用2G N00關(guān)鍵工藝與裝備體系。

2G N00 工法關(guān)鍵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全盤(pán)（采）區(qū)無(wú)煤柱留設(shè)與無(wú)巷道掘進(jìn)，其大致分為兩部分工藝，如圖9所示，工藝Ⅰ（工作面位置）與工藝Ⅱ（巷道位置）。其中工藝Ⅰ主要分為首先“采”、然后“支”、最后“切”3個(gè)工序?！安伞惫ば蚋鷤鹘y(tǒng)采煤略有區(qū)別，除了正常割煤、推溜、移架等工序外，還增加了工作面雙側(cè)端頭割巷、扒裝端頭位置的礦石、并將礦石轉(zhuǎn)運(yùn)至刮板機(jī)和皮帶機(jī)工序?！爸А惫ば騽t為頂板自動(dòng)鋪網(wǎng)、頂板NPR 恒阻大變形錨索/桿支護(hù)、實(shí)體煤幫錨桿?！扒小惫ば?yàn)轫敯迩锌p鉆孔安裝與頂板定向切縫。工藝Ⅰ目的是形成巷道空間，其所有工序均在一個(gè)割煤循環(huán)內(nèi)完成。工藝Ⅰ完成之后便開(kāi)始工藝Ⅱ。工藝Ⅱ分為首先“護(hù)”和最后“封”2 個(gè)工序。“護(hù)”工序?yàn)樗槭瘞弯佋O(shè)高強(qiáng)擋矸金屬網(wǎng)、門(mén)式護(hù)巷支架（臨時(shí)支護(hù)）、U 型鋼擋矸支護(hù)。等待巷道圍巖結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定之后，開(kāi)始“封”工序?！胺狻惫ば?yàn)楦叻肿訐躏L(fēng)材料噴漿封閉采空區(qū)。

相比無(wú)煤柱自成巷110 工法1G N00 工法工作面開(kāi)采單側(cè)留巷，2G N00工法在裝備系統(tǒng)方面進(jìn)一步升級(jí)，實(shí)現(xiàn)工作面兩側(cè)留巷，從而達(dá)到整個(gè)盤(pán)區(qū)的無(wú)煤柱開(kāi)采和無(wú)巷道掘進(jìn)。截至目前，2G N00工法裝備系統(tǒng)只研發(fā)兩套，如圖9 所示，其一為2G N00 工法采挖成巷裝備系統(tǒng)，其二為2G N00 工法采錨切一體化裝備系統(tǒng)。兩個(gè)裝備系統(tǒng)在巷道裝備系統(tǒng)中均采用門(mén)式支架作為巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)裝備，二者的區(qū)別主要在工作面裝備方面。

2G N00 工法采挖成巷裝備系統(tǒng)是在傳統(tǒng)長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面裝備系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改裝了2個(gè)鉤機(jī)開(kāi)挖裝置。其中運(yùn)輸巷的鉤機(jī)采挖裝置（機(jī)頭）采用一主兩副液壓支架搭配鉤機(jī)代替端頭支架，回風(fēng)巷的鉤機(jī)采挖裝置（機(jī)尾）則在端頭支架下方刮板機(jī)機(jī)尾處安裝鉤機(jī)。將巷道成型之后所產(chǎn)生的礦渣裝運(yùn)至刮板機(jī)和運(yùn)輸機(jī)。該裝置隨著工作面的推進(jìn)及時(shí)前移，嚴(yán)格控制空頂范圍，并在該裝置的掩護(hù)下完成支護(hù)工藝。

2G N00 工法采錨切一體化裝備系統(tǒng)在傳統(tǒng)長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面裝備系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用采錨切一體化裝置取代了端頭支架。采錨切一體化裝置主要由前端截割結(jié)構(gòu)（形成巷道空間）、裝煤結(jié)構(gòu)（裝運(yùn)礦渣至刮板運(yùn)輸機(jī)）、錨桿（索）安裝結(jié)構(gòu)（可伸縮鉆機(jī)及時(shí)支護(hù)頂板和兩幫）、切縫結(jié)構(gòu)（切縫鉆機(jī)密集鉆孔實(shí)現(xiàn)頂板預(yù)裂切縫）、支護(hù)結(jié)構(gòu)（為各個(gè)工序提供足夠作業(yè)空間）和行走結(jié)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體自行前移）構(gòu)成。采錨切一體化裝備系統(tǒng)長(zhǎng)度不超過(guò)6 m，在實(shí)現(xiàn)端頭成巷、鉆孔與支護(hù)的同時(shí)，滿足安全通風(fēng)要求。

圖9 2G N00工法關(guān)鍵工藝與裝備系統(tǒng)

本項(xiàng)目組將延安市延川縣新泰煤礦5101 工作面選為國(guó)內(nèi)外首例3G N00 礦井試驗(yàn)首采工作面，其工業(yè)化試驗(yàn)關(guān)鍵工藝不變，但是裝備系統(tǒng)的試驗(yàn)過(guò)程大致可以分為2 個(gè)階段。其中第1 個(gè)階段裝備以2G N00 工法采挖成巷裝備系統(tǒng)為核心；第2 個(gè)階段裝備以2G N00 工法采錨切一體化裝備系統(tǒng)為核心。

2.3 3G N00礦井留巷參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)工作面開(kāi)采煤層為5 號(hào)煤，其特點(diǎn)為近水平、埋藏淺（平均40 m）、薄煤層（平均厚度為1.2 m）、煤層賦存穩(wěn)定。試驗(yàn)工作面兩側(cè)巷道參數(shù)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與巖層特征相同（見(jiàn)圖10）。運(yùn)輸平巷寬度為4.6 m，高度為2.6 m，回風(fēng)平巷寬度為4.6 m，高度為2.2 m。頂板切縫長(zhǎng)度為5 m，角度為15 °。支護(hù)參數(shù)如圖10 所示，頂板支護(hù)材料采用NPR 錨 索（φ21.6 mm × 6.5 m）與 螺 紋 鋼 錨 桿（φ20 mm × 2 m）。錨索間排距為1.6 m × 0.8 m，頂板錨桿間排距為1.6 m × 0.8 m，N00 運(yùn)輸巷實(shí)體幫錨桿排距為0.8 m，間距分別為1.0 m 和0.8 m，N00回風(fēng)巷實(shí)體幫錨桿間排距為0.8 m×0.8 m。臨時(shí)支護(hù)采用2G N00工法配套門(mén)式支架，支架設(shè)計(jì)排距為0.8 m，工作阻力為1 800 kN。擋矸支護(hù)則采用2G N00工法“可伸縮U型鋼+門(mén)式液壓支架+金屬網(wǎng)”串聯(lián)式非對(duì)稱擋矸支護(hù)模式，擋矸支護(hù)設(shè)計(jì)排距為0.8 m。巖層特征方面，5 號(hào)煤層頂板巖層多為厚層狀。其中直接頂為1.5 m 的砂質(zhì)泥巖，基本頂為7 m的中粒砂巖。

圖10 試驗(yàn)工作面留巷關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與巖層特征

3 3G N00礦井科學(xué)實(shí)踐

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

2020 年6 月1 日設(shè)備到礦，2020 年7 月13 日設(shè)備開(kāi)始安裝，2020 年9 月5 日N00 工作面開(kāi)始試生產(chǎn)。截 至2021 年11 月4 日，3G N00 礦井首采工 作面成功留巷161.38 m?；仫L(fēng)巷與運(yùn)輸巷留巷情況如圖11所示，巷道輪廓完整。

圖11 留巷效果

理論分析結(jié)果表明N00 工作面采空區(qū)頂板出現(xiàn)應(yīng)力平衡特征“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力補(bǔ)償特征，可以得出開(kāi)采誘導(dǎo)頂板應(yīng)力分布出現(xiàn)兩端應(yīng)力較低，中間應(yīng)力均衡的特征。為驗(yàn)證理論分析的可靠性，本文開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)研究。以回風(fēng)巷的鉤機(jī)開(kāi)挖裝置（機(jī)頭）為1#測(cè)點(diǎn)，沿著工作面間隔5 個(gè)支架布置1 個(gè)礦壓測(cè)點(diǎn)，直至運(yùn)輸巷的鉤機(jī)開(kāi)挖裝置（機(jī)尾）。測(cè)點(diǎn)總計(jì)23個(gè)，其中設(shè)備質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致15#測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)，本文不做分析該測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。筆者以2021 年5 月20 日至9 月25 日 為數(shù)據(jù)采集 時(shí)間。為了便于分析，每個(gè)測(cè)點(diǎn)每天選取1個(gè)數(shù)據(jù)（12點(diǎn)鐘數(shù)據(jù)）作為研究目標(biāo)。為了進(jìn)一步分析礦壓分布特征，引入聚類(lèi)分析中的k-means 法對(duì)礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。以工作面支架礦壓數(shù)據(jù)為分析實(shí)例，確定每組樣本的聚類(lèi)中心，計(jì)算樣本點(diǎn)與聚類(lèi)中心的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架礦壓數(shù)據(jù)的分類(lèi)。

圖12 試驗(yàn)工作面礦壓分布特征

如圖12所示，統(tǒng)計(jì)支護(hù)礦壓數(shù)據(jù)的聚類(lèi)中心和聚類(lèi)個(gè)數(shù)。工作面靠近留巷一側(cè)的1#~3#測(cè)點(diǎn)以及22#~23#測(cè)點(diǎn)壓力值普遍較低（聚類(lèi)中心的值均少于25 MPa）。這2個(gè)部分區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)域，1#~3#測(cè)點(diǎn)低壓區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)域J，22#~23#測(cè)點(diǎn)低壓區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)域N。其中，低壓區(qū)域中處于巷道中的1#測(cè)點(diǎn)與23#測(cè)點(diǎn)聚類(lèi)中心的值均少于13 MPa，遠(yuǎn)小于其余測(cè)點(diǎn)中聚類(lèi)中心的最大值39.72 MPa。低壓區(qū)域J比低壓區(qū)域N 多1 組數(shù)據(jù)，但與3#測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的21#測(cè)點(diǎn)中77%的數(shù)據(jù)所處的聚類(lèi)中心的值不高（小于30 MPa），該類(lèi)現(xiàn)象可能由于該區(qū)域矸石垮落不及時(shí)所造成的。工作面其余區(qū)域?yàn)轭?lèi)均壓區(qū)域，具體表現(xiàn)為礦壓分布特征基本相似，4#~21#測(cè)點(diǎn)中76.5%的測(cè)點(diǎn)存在一個(gè)高聚類(lèi)中心（大于30 MPa），該聚類(lèi)中心的個(gè)數(shù)與總數(shù)的平均占比為42.3%。綜合研究表明N00 工法開(kāi)采誘導(dǎo)頂板礦壓分布特征為兩側(cè)“類(lèi)弱壓”中間“類(lèi)均壓”。不同于傳統(tǒng)121 工藝中采場(chǎng)應(yīng)力出現(xiàn)越靠近工作面中部壓力越大的現(xiàn)象［29-30］。N00工法開(kāi)采誘導(dǎo)頂板兩側(cè)“類(lèi)弱壓”意味著巷道一側(cè)壓力較小，表明了N00 工法的切頂卸壓特征，N00工法開(kāi)采誘導(dǎo)頂板中間“類(lèi)均壓”意味著采空區(qū)除巷道一側(cè)整個(gè)礦壓分布較為均衡，間接證明了N00 工法采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力平衡開(kāi)采特征。

現(xiàn)場(chǎng)礦壓數(shù)據(jù)中低壓區(qū)域位于“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)以及相鄰位置，該區(qū)域的出現(xiàn)可以證明“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)此刻承受垂直方向應(yīng)力較?。ǚ蠎?yīng)力補(bǔ)償狀態(tài)）。類(lèi)均壓區(qū)域主要位于采空區(qū)，該區(qū)域的出現(xiàn)證實(shí)了N00 工作面采空區(qū)頂板區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力平衡現(xiàn)象。綜合研究表明N00 工法開(kāi)采誘導(dǎo)頂板應(yīng)力分布特征為兩側(cè)“類(lèi)弱壓”中間“類(lèi)均壓”。此類(lèi)現(xiàn)象證實(shí)了3G N00 礦井工作面存在平衡開(kāi)采特征，以及弱化后的采場(chǎng)礦壓特征極易保證試驗(yàn)工作面的安全開(kāi)采。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)效益

若礦井全部采用3G N00礦井，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井無(wú)巷道掘進(jìn)、無(wú)煤柱留設(shè)的目標(biāo)。在經(jīng)濟(jì)上，3G N00 礦井取消了巷道掘進(jìn)，經(jīng)濟(jì)效益和安全效益均得到顯著提升，而且煤炭采出率也從之前的50%提高到理論上可全部采出，這是歷史性的變革，對(duì)企業(yè)和社會(huì)來(lái)說(shuō)都是革命性的進(jìn)步。針對(duì)新泰煤礦，設(shè)計(jì)對(duì)3G N00 礦井與傳統(tǒng)采煤工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要的經(jīng)濟(jì)比較，比較結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3G N00礦井與傳統(tǒng)采煤工藝的經(jīng)濟(jì)比較

由表2 可知，采用3G N00 礦井雖然裝備投入增加了4 545 萬(wàn)元，但可以提高礦井35%的采出率，增加采出量312 萬(wàn)t，增加經(jīng)濟(jì)效益15.6 億元（煤炭估算價(jià)格為500元/t），減少建井巷道掘進(jìn)投資6 309萬(wàn)元，投產(chǎn)后減少巷道掘進(jìn)成本45 511 萬(wàn)元。顯而易見(jiàn)，采用3G N00 礦井開(kāi)采仍可增加經(jīng)濟(jì)效益11.048 9億元。

4 結(jié)論

1）3G N00 礦井全面革新了傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采基礎(chǔ)理論。N00工作面利用切頂形成矸石的碎脹體積替代開(kāi)采損傷，結(jié)合矸石對(duì)采空區(qū)頂板的承載作用使其出現(xiàn)應(yīng)力平衡分布特征。NPR 錨索具有的高強(qiáng)支護(hù)力使得“切頂短臂梁”應(yīng)力分布特征從結(jié)構(gòu)變形到穩(wěn)定的全過(guò)程中表現(xiàn)出應(yīng)力補(bǔ)償?shù)奶卣?，意味著巷道所需承載的應(yīng)力弱化。

2）3G N00 礦井全面革新了傳統(tǒng)煤礦開(kāi)采模式。其以簡(jiǎn)單的生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化井巷工程，礦井掘進(jìn)工程減少80%以上，縮短建井工期19 個(gè)月，減少巷道保護(hù)煤柱可使全礦井采出率提高至80%以上。N00工作面采用雙側(cè)采留一體化關(guān)鍵工藝與裝備體系，實(shí)現(xiàn)全盤(pán)（采）區(qū)無(wú)煤柱留設(shè)和無(wú)巷道掘進(jìn)。

3）3G N00 礦井首采面成功留巷161.38 m，巷道輪廓完整。工作面礦壓分布特征出現(xiàn)低壓區(qū)和類(lèi)均壓區(qū)域。3G N00 礦井通過(guò)最大限度增加煤炭開(kāi)采率，實(shí)現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益（11.048 9億元）。

4）3G N00礦井理論可靠、技術(shù)先進(jìn)、設(shè)計(jì)可行，為今后無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用與推廣以及我國(guó)煤炭技術(shù)的發(fā)展奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。