王亞軍，何滿潮，王 琦，楊 軍，王建文，劉 輝，陳 菲

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

18世紀初，英國什洛普郡煤礦首次出現(xiàn)井工長壁開采方法[1]。我國于20世紀30年代在山東省中興煤礦開始試驗[2]。歷經(jīng)300多年研究和實踐，長壁開采理論、技術(shù)和裝備體系已取得長足進展，并在我國各地礦井得到廣泛應用。根據(jù)采煤工作面-成巷方式-煤柱留設的布局關(guān)系，常見的長壁開采方式可歸為以下幾種類型：

(1)留大煤柱+雙巷掘進型。該方法每個采煤工作面需配套掘進2條回采巷道，同時在相鄰工作面之間留設一個10～20 m甚至更寬的護巷煤柱，利用煤柱來平衡礦山壓力[3-4]。該方法多見于我國的陜北、內(nèi)蒙古地區(qū)。

(2)留小煤柱+雙巷掘進型。采用該方法開采一個工作面同樣需要配套掘進2條回采巷道，但煤柱寬度減小至5 m左右，可大幅提高煤炭采出率，節(jié)約大量煤炭資源[5]。

(3)無煤柱+單巷掘進+充填留巷型。該方法又名沿空留巷，起源于20世紀30年代的蘇聯(lián)[6]。通過在采空區(qū)邊緣充填混凝土[7]、高水材料等作為巷旁支護[8]，利用充填體代替煤柱支撐頂板，可取消煤柱，提高資源采出率；同時將回采巷道在原位置保留下來供相鄰工作面繼續(xù)使用，每個工作面配套的回采巷道掘進量可減少50%，從而節(jié)約掘巷成本，并有利于緩解采掘接續(xù)問題。

(4)無煤柱+單巷掘進+切頂留巷型。該方法又名切頂卸壓自動成巷110工法(即每開采“1”個工作面，提前掘進“1”條巷道，留設“0”個煤柱)[9]，由筆者研究團隊提出并于2009年在川煤白皎煤礦首次試驗成功[10]。不同于充填沿空留巷，該方法利用主動切頂擴大一定范圍內(nèi)的采空區(qū)頂板垮落高度，利用巖體碎脹特性自行充填采出空間從而實現(xiàn)留巷[11]，無需留設煤柱和巷旁充填。

(5)無煤柱+無巷掘進+采后成巷型。該方法又名無煤柱自成巷N00工法(即開采盤區(qū)內(nèi)的“N”個工作面，提前掘進“0”條巷道，留設“0”個煤柱)[12]，由筆者團隊于2016年提出并在陜煤檸條塔煤礦成功應用。該方法改變了傳統(tǒng)采掘分離布局模式，可實現(xiàn)采煤過程中同步成巷，無需提前掘進回采巷道，同時無需留設護巷煤柱[13]，在提高資源采出率、降低巷道掘進量、消減煤柱引起的應力集中等方面具有一定優(yōu)勢[14]。

相比其他幾種開采方式，無煤柱自成巷N00工法形成了采掘布局、圍巖控制和裝備系統(tǒng)3個方面的創(chuàng)新設計。自2016年N00工法被提出以來，筆者團隊針對N00工法關(guān)鍵技術(shù)、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等開展了大量研究和試驗工作。

在前期研究實踐的基礎上，筆者進一步從采掘布局、圍巖控制、裝備系統(tǒng)3個方面梳理了N00工法核心設計思路，明確了N00工法碎脹平衡降壓+動靜耦合支護圍巖控制和采留一體化裝備關(guān)鍵設計內(nèi)容，相關(guān)設計在檸條塔煤礦取得成功應用。同時，根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果，指出了N00工法設計層面還需進一步攻關(guān)解決的關(guān)鍵問題，為N00工法設計研究提供了方向。

1 N00工法采掘布局設計

無煤柱自成巷N00工法的核心設計理念在于突破傳統(tǒng)長壁開采“采掘分離”式的布局模式，建立無煤柱自成巷“采留一體化”新模式，即利用系列關(guān)鍵技術(shù)和裝備，實現(xiàn)采煤過程中在工作面后方同步形成回采巷道，從而大幅降低提前掘巷工程量和煤柱資源損失。N00工法采掘模式如圖1所示。

圖1 N00工法采掘布局示意Fig.1 Layout of mining and excavation for N00 mining method

為了實現(xiàn)上述目標，筆者研究團隊提出了分階段1G～5G N00工法研究規(guī)劃[12]。其中，1G N00工法實現(xiàn)工作面采后單側(cè)形成1條巷道，可解決采盤區(qū)內(nèi)除首采工作面外的接續(xù)工作面提前掘巷和煤柱留設問題，首采工作面開采還需提前掘進采盤區(qū)邊界巷道。2G N00工法能夠?qū)崿F(xiàn)工作面采后雙側(cè)形成2條巷道，可進一步解決邊界巷道掘進問題。3G N00工法實現(xiàn)采后形成開拓大巷，可進一步降低整個礦井掘巷量和煤柱損失，簡化礦井生產(chǎn)系統(tǒng)。4G～5G N00工法將利用簡化后的礦井系統(tǒng)，最終形成全礦井智能化生產(chǎn)體系。本文研究內(nèi)容主要針對1G N00工法。對于全新盤區(qū)，首采工作面開采前，首先掘進采盤區(qū)四周邊界開巷道(包括邊界運輸巷、邊界回風巷和邊界開切眼)圈定開采范圍，形成外圍運輸和通風系統(tǒng)。首采工作面開采時，邊界運輸巷作為首采工作面運輸巷，同時采用N00工法在采煤過程中同步形成回風巷，新鮮風流從軌道/運輸大巷經(jīng)邊界運輸巷流入工作面，污風經(jīng)工作面流入回風巷，經(jīng)邊界回風巷流入回風大巷，工作面區(qū)域形成“Z”型通風系統(tǒng)。接續(xù)面開采時，上一工作面留下的回風巷作為本工作面運輸巷使用，并在采煤過程中采用N00工法繼續(xù)形成本工作面的回風巷。以此類推，直至采盤區(qū)內(nèi)的“N”個工作面全部開采完畢。

2 N00工法圍巖控制設計

2.1 碎脹平衡降壓+動靜耦合支護設計思路

根據(jù)無煤柱自成巷N00工法的目標與原理，研究團隊設計了N00工法工藝體系[12]，核心在于利用采煤系統(tǒng)直接割出巷道所需空間，同時利用定向精準切頂降壓、全斷面高預應力補償支護、動壓承載臨時支護和擋矸防沖支護等系列關(guān)鍵技術(shù)將該空間保留下來形成巷道，如圖2所示。

圖2 N00工法成巷過程Fig.2 Process of entry formation in N00 mining method

定向精準切頂?shù)淖饔脼椋孩?切落頂板部分巖體作為巷幫，同時切斷采空區(qū)頂板和巷道頂板之間的傳力路徑，避免采空區(qū)巖體垮落對巷道頂板造成破壞，使巷道上方頂板形成短臂梁結(jié)構(gòu)并保持穩(wěn)定；② 利用切落巖體自身碎脹特性形成對高位頂板的有效支撐，減小高位頂板斷裂巖梁回轉(zhuǎn)下沉變形，充分發(fā)揮巖梁結(jié)構(gòu)本身承載作用，保證巷道整體穩(wěn)定。所謂精準是指通過精確的切頂設計和有效的切頂質(zhì)量，控制垮落巖體碎脹體積在一定范圍內(nèi)滿足如下平衡方程：

ΔVB=ΔVm=(K-1)HcS

(1)

式中，ΔVB為垮落巖體碎脹體積；ΔVm為煤層采空體積；K為垮落巖體碎脹系數(shù)；Hc為定向切頂高度；S為切頂影響垮落面積。

在切縫效果得到保證的情況下，垮落巖體能夠充滿采出空間并對切縫上方的高位頂板發(fā)揮承載作用，從而減緩切縫上方高位頂板運動，降低周期性礦山壓力[15]。在保證高位頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎上，全斷面高預應力錨索補償支護的作用是將巷道上方的短臂梁頂板與高位頂板緊密錨固形成整體，當垮落巖體被壓實后，高位頂板在矸石和煤體的共同支撐作用下形成新的平衡，短臂梁頂板也將在錨索支護的作用下保持穩(wěn)定[16]。

另外，在高位頂板巖梁斷裂和運動過程中，巷道仍會受到一定的動壓影響，為了保證巷道穩(wěn)定，需在此過程中施加動壓承載臨時支護，防止動壓期間短臂梁頂板被擠壓破壞，待頂板運動結(jié)束以后方可撤除。同時，采空區(qū)垮落巖體也將在擋矸防沖支護的控制下有序垮落堆積，最終形成巷道。

綜上，N00工法圍巖控制不僅要考慮短臂梁頂板、高位頂板、矸石巷幫等圍巖結(jié)構(gòu)在空間上整體穩(wěn)定，還要保證各結(jié)構(gòu)在巷道形成、采空區(qū)巖體垮落、高位頂板運動等全過程中保持穩(wěn)定?；诖?，筆者提出“碎脹平衡降壓+動靜耦合支護”圍巖控制設計思路，實現(xiàn)將采煤系統(tǒng)割出的部分空間保留下來形成巷道，并為其創(chuàng)造一個相對穩(wěn)定的低應力環(huán)境，包括3個控制對象、4種控制技術(shù)、8項設計標準?？傮w設計思路如圖3所示。

2.2 定向精準切頂降壓設計

根據(jù)已有研究，切縫上方的頂板巖梁結(jié)構(gòu)是上覆巖層壓力的主要承載體[17]，其承載能力及運動狀態(tài)直接影響到下方巷道的穩(wěn)定[18]。一般情況下，煤層采出后，切縫高度范圍內(nèi)的頂板自下而上逐層垮落。由于頂板切縫高度和效果不同，頂板結(jié)構(gòu)可能呈現(xiàn)的狀態(tài)如圖4所示。

圖4 不同切頂狀態(tài)頂板結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Roof structure with different roof cutting condition

若切頂高度設計合理且切頂效果良好，垮落巖體碎脹后恰好充滿采空區(qū)，高位頂板一旦下沉便與之接觸，隨后不斷將其壓實直至穩(wěn)定，形成如圖4(a)所示的平衡結(jié)構(gòu)。整個過程中，巷道圍巖會在巖塊B下沉擠壓作用下逐漸產(chǎn)生變形，但由于巖塊始終處于碎脹巖體支撐狀態(tài)，巷道內(nèi)并不會產(chǎn)生過于劇烈的突發(fā)性礦壓顯現(xiàn)；采空區(qū)巖體壓實后，斷裂巖塊B在煤體、采空區(qū)巖體以及相鄰巖塊A，C的共同作用下形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

若切頂高度不足或切頂效果不佳，切頂高度范圍內(nèi)的頂板巖體全部垮落后仍無法充滿采空區(qū)，垮落巖體與高位頂板之間存在一定空隙，如圖4(b)所示。當巖塊B產(chǎn)生斷裂以后，由于其采空區(qū)側(cè)的端頭缺乏支撐，巖梁將產(chǎn)生快速旋轉(zhuǎn)下沉，導致巷道內(nèi)產(chǎn)生激增性礦壓顯現(xiàn)，直至巖塊B的一端觸矸以后，巷道礦壓顯現(xiàn)才會逐漸緩和。該狀態(tài)下，巖梁B的旋轉(zhuǎn)角度通常較大，其下方的巷道圍巖受擠壓變形更加明顯。

因此，能否實現(xiàn)精準切頂，利用切落巖體對切縫上方巖梁形成有效承載結(jié)構(gòu)，是N00工法成巷穩(wěn)定性控制最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。核心設計內(nèi)容包括：

(1)切頂高度設計。通過合理的切頂高度設計，使切頂范圍內(nèi)頂板巖體垮落后恰好充滿采空區(qū)，形成對上方巖層的承載結(jié)構(gòu)，消除垮落矸石和未垮頂板之間的空隙，減緩頂板巖梁旋轉(zhuǎn)下沉，促使其盡快形成新的平衡。

(2)切頂角度設計。切頂角度的設計需滿足一定“剪滑準則”[19]，實現(xiàn)有效消減水平應力傳遞，使采空區(qū)側(cè)的巖梁沿切頂面發(fā)生滑落而不對巷道頂板造成影響，實際應用設計通常為10°～20°。

(3)切頂質(zhì)量設計。一是確保頂板切縫的連通率達到80%以上，防止采空區(qū)巖體垮落時因頂板未徹底切斷而影響巷道穩(wěn)定；二是確保切頂裂縫按照設計方向(巷道走向)發(fā)育，避免短臂梁頂板受到損傷。根據(jù)頂板巖性變化，實施過程中還需結(jié)合巖性變化和裂縫率監(jiān)測結(jié)果及時動態(tài)調(diào)整切頂參數(shù)。

2.3 全斷面高預應力補償支護設計

圖5 高預應力補償支護原理Fig.5 Principle of high prestressed and energy absorption cable

不難看出，圍巖變形運動前期，錨索支護主要發(fā)揮應力補償作用，即通過施加高預應力促使圍巖盡快恢復三向應力平衡狀態(tài)；圍巖變形運動后期，錨索支護主要發(fā)揮懸吊作用，即利用錨索的高強支護力使短臂梁頂板與上方穩(wěn)定頂板緊密錨固，從而保證巷道穩(wěn)定。其核心設計內(nèi)容包括：

(1)高預應力設計。巷道空間開挖以后，圍巖中的原始應力平衡狀態(tài)被破壞，圍巖內(nèi)部應力重新分布，從巷道表面向里部分巖體產(chǎn)生塑性變形，圍巖自身承載性能顯著降低[22]。因此，在圍巖尚未發(fā)生大范圍塑性破壞前完成支護并施加高預應力，最大程度補償巷道自由面徑向應力喪失，是防止圍巖破壞的關(guān)鍵之一。

(2)支護強度設計。將短臂梁結(jié)構(gòu)錨固在上方穩(wěn)定巖層，是錨索支護要發(fā)揮的重要長期作用。錨索支護強度設計應滿足使短臂梁結(jié)構(gòu)保持靜力平衡的力學條件，即在高位頂板結(jié)構(gòu)不再運動的情況下，錨索支護力與實體煤幫支撐力、短臂梁自身重力共同作用，能夠保持短臂梁結(jié)構(gòu)處于應力平衡狀態(tài)。

2.4 動壓承載臨時支護設計

無煤柱自成巷N00工法形成的巷道位于采空區(qū)邊緣，受采空區(qū)垮落以及高位頂板斷裂巖梁回轉(zhuǎn)運動影響，成巷初期巷道通常表現(xiàn)出較明顯的動壓顯現(xiàn)[23]。若不能在此期間對頂板變形進行有效控制，將導致圍巖被擠壓破壞，不利于巷道穩(wěn)定。因此，采用N00工法開采時，在高預應力補償支護的基礎上，還應采用動壓承載臨時支護技術(shù)對動壓影響期間的巷道進行臨時承載支護，以防止巷道短臂梁頂板受高位頂板運動擠壓影響產(chǎn)生劇烈變形甚至失穩(wěn)。動壓承載臨時支護與高預應力補償支護相輔相成、協(xié)同作用，能夠大幅度提高圍巖的自身穩(wěn)定性?；谠撛O計思路，筆者團隊設計了N00動壓承載臨時支護裝置，如圖6所示。

動壓承載臨時支護的關(guān)鍵作用是在切縫上方巖梁斷裂運動過程中為短臂梁頂板提供強支撐力，避免其在高位巖梁擠壓作用下產(chǎn)生塑性破壞或斷裂，因此動壓承載支護裝置需設計有高初撐力、快速增阻的特性，能夠在成巷初期動壓影響階段對短臂梁頂板起到“限定變形”支護作用。同時，由于高位巖梁對巷道頂板和支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的是“給定變形”，巷內(nèi)支護通常無法完全阻止該變形[24]。

圖6 動壓承載臨時支護裝置Fig.6 Temporary support device for dynamic pressure

為了避免支護結(jié)構(gòu)破壞，動壓承載支護裝置還必須具有良好的讓壓可縮功能，以適應頂板“給定變形”。

2.5 矸石幫擋矸防沖組合支護設計

傳統(tǒng)巷道圍巖通常由巖體、煤體或充填體等實體結(jié)構(gòu)組成。而N00工法形成的巷道一側(cè)為散體矸石巷幫，矸石巷幫不同于普通實體巷幫，其圍巖成分是由采空區(qū)垮落的巖體組成，巖體之間并非緊密排列，而是存在眾多空隙，傳統(tǒng)的錨桿/錨索支護方式無法適用。因此，根據(jù)N00工法工藝特點和矸石巷幫結(jié)構(gòu)特性，研究團隊提出矸石巷幫擋矸防沖組合支護技術(shù)設計思路，即利用“防沖+擋矸”組合支護結(jié)構(gòu)，抵抗采空區(qū)垮落矸石運動過程中的沖擊載荷和靜壓作用下的鼓出變形，控制矸石沿擋矸結(jié)構(gòu)設計位置有序堆積形成穩(wěn)定的矸石巷幫，其原理如圖7所示。

圖7 矸石巷幫擋矸防沖支護Fig.7 Gangue support with anti-impact function

其中，防沖結(jié)構(gòu)主要包括“擋矸防沖支架+防沖護板”，防沖護板連接于防沖支架尾部，隨工作面采煤不斷前移，主要在采空區(qū)巖體垮落期間起臨時防沖擊作用。擋矸結(jié)構(gòu)為長期支護結(jié)構(gòu)，通常由U型鋼、工字鋼、金屬網(wǎng)等組成，其主要作用是控制垮落巖體在礦壓作用下的擠壓鼓出變形。

3 N00工法裝備系統(tǒng)設計

3.1 采留一體化裝備布局設計思路

無煤柱自成巷N00工法取消了回采巷道掘進系統(tǒng)，利用工作面采煤同步形成巷道，這對傳統(tǒng)采煤裝備提出新的要求。為了實現(xiàn)上述目標，研究團隊研發(fā)了N00工法采留一體化裝備系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)采掘分離式的裝備布局，形成了N00工法采留一體化裝備布局新模式，如圖8所示。

圖8 N00工法裝備系統(tǒng)組成Fig.8 Equipment system for N00 mining method

N00工法采留一體化裝備系統(tǒng)由N00采煤裝備系統(tǒng)和N00成巷裝備系統(tǒng)組成。其中，N00采煤裝備系統(tǒng)的設計目標在于利用N00采煤機、N00刮板輸送機和N00支架系統(tǒng)之間的協(xié)同配套，實現(xiàn)工作面前方無掘巷條件下采煤，并在采煤過程中形成巷道所需空間。N00成巷裝備系統(tǒng)的設計目標在于利用N00架鉆一體化支護裝備，為高預應力補償支護、定向精準切頂、動壓承載支護和擋矸防沖支護提供采煤同步成巷的作業(yè)平臺，通過N00采煤裝備系統(tǒng)與成巷裝備系統(tǒng)協(xié)同控制，實現(xiàn)工作面采后成巷，最終實現(xiàn)無煤柱自成巷的采留一體化開采模式，N00工法裝備系統(tǒng)的總體設計思路如圖9所示。

圖9 N00工法裝備系統(tǒng)總體設計思路Fig.9 Design idea for equipment system in N00 mining method

3.2 N00工法采煤裝備系統(tǒng)設計

為了使采煤機能夠割出巷道空間，需對傳統(tǒng)采煤機、刮板輸送機和部分液壓支架進行功能改造和配套新設計，關(guān)鍵設計內(nèi)容包括：① 通過刮板輸送機齒軌超前變線和遠距離增限設計，增大采煤機向外運行距離，使采煤機滾筒能夠超越刮板輸送機端頭進行割煤。② 調(diào)整刮板輸送機端頭起坡結(jié)構(gòu)，降低動力部高度，使采煤機滾筒在截割巷道時，增大搖臂下擺空間，保證滾筒具有充足臥底量。③ 為了將端頭割下的煤運出，在刮板輸送機端頭裝配可伸縮弧形擋煤裝置和鏟煤裝置，使大部分落煤沿擋煤疏煤裝置直接滑落至刮板輸送機溜槽中，遺留的煤可在刮板輸送機前移時，利用鏟煤裝置鏟至溜槽中，最后由刮板輸送機運出。④ 配套設計擋矸防沖支架系統(tǒng)，支架后方連接擋矸防沖結(jié)構(gòu)，控制矸石垮落沖擊動壓，保證成巷三角區(qū)穩(wěn)定，如圖10所示。

圖10 N00工法采煤裝備系統(tǒng)Fig.10 Mining equipment system for N00 mining method

3.3 N00工法成巷裝備系統(tǒng)設計

為了將采煤機割出的巷道空間保留下來，研究團隊配套設計了N00成巷裝備系統(tǒng)，包括N00定向切頂鉆機、N00高預應力錨索鉆機、N00動壓承載臨時支護裝置和N00架鉆一體支護裝備，實現(xiàn)了工作面采后成巷。關(guān)鍵設計內(nèi)容包括：① N00定向切頂鉆機具有多孔同時鉆進、多方位立體動態(tài)調(diào)整等功能，能夠確保多孔同面，實現(xiàn)定向精準切頂；② N00高預應力錨索鉆機具有鉆-擴-裝-錨一體化、三維自適應孔位調(diào)節(jié)等特征，并配備高預應力張拉裝置，確保錨索預應力和孔位精準，實現(xiàn)高預應力及時主動支護控制頂板；③ N00動壓承載臨時支護裝置具有高工阻、快增阻、自適應讓壓等特征，初期對直接頂發(fā)揮“限定變形”支護作用，后期在基本頂“給定變形”作用下具備讓壓功能，實現(xiàn)動壓影響期間巷道穩(wěn)定性控制；④ N00架鉆一體支護裝備具有自動鋪網(wǎng)、采煤同步精準調(diào)位等功能，能夠為成巷裝備提供與采煤同步的調(diào)控平臺，控制采煤裝備和成巷裝備間的協(xié)同聯(lián)動，最終實現(xiàn)采煤同步成巷，如圖11所示。

圖11 N00工法成巷裝備系統(tǒng)Fig.11 Roadway forming equipment system for N00 mining method

4 N00工法實踐應用與新挑戰(zhàn)

4.1 工程地質(zhì)條件

無煤柱自成巷N00工法在陜煤檸條塔煤礦進行了首次工程應用，工作面和巷道布置如圖12所示。圖12中S1201-II工作面為留巷試驗工作面，工作面傾向長度280 m，走向長度2 344 m，煤厚平均4.11 m，埋深115～170 m[6]。S12013工作面為留巷復用驗證工作面，工作面傾向長度333 m，走向長度1 784 m。工作面附近鉆孔柱狀如圖13所示。

圖12 試驗工作面概況Fig.12 General situation of test mining face

圖13 工作面附近鉆孔柱狀Fig.13 Drill columns near the test mining face

4.2 試驗參數(shù)設計

(1)定向切頂參數(shù)設計。根據(jù)切頂高度范圍內(nèi)巖體垮落碎脹后能夠完全充填采出空間的原則，理論切頂高度可根據(jù)式(2)[25]計算：

Hc=Hm/(K-1)

(2)

其中，Hm為留巷附近的采高，取3.75 m；根據(jù)地質(zhì)勘探報告K取1.43。經(jīng)計算，可求得最佳理論切頂高度Hc=8.72 m，切頂角度設計為向采空區(qū)側(cè)傾斜10°，切頂深度為9.0 m。

(2)頂板錨索支護設計。巷道頂板采用全斷面高預應力錨索進行支護，根據(jù)研究團隊提出的設計方法[25]，每排布置5根直徑21.8 mm的高預應力錨索，錨索排距設計為0.8 m(采煤步距)，錨索預緊力設計為280 kN，錨索設計長度為10.5 m。實體煤幫采用“玻璃鋼錨桿+8號鉛絲網(wǎng)”進行支護，錨桿長度1.6 m，直徑18 mm，間排距1 200 mm×800 mm。支護斷面如圖14所示。

圖14 巷道支護設計斷面Fig.14 Front view of roadway support design

(3)動壓承載臨時支護設計。本次試驗設計的動壓承載臨時支護裝置工作阻力為4 000 kN，長1 950 mm，寬1 200 mm，兩架中心距2.4 m，根據(jù)礦壓影響范圍設計布置在工作面后方0～160 m區(qū)域[26]，如圖15所示。當巷道圍巖趨于穩(wěn)定后，再間隔性地將其回撤。

圖15 巷道支護設計平面Fig.15 Plan view of roadway support design

(4)擋矸防沖支護設計。采用“防沖+擋矸”組合結(jié)構(gòu)進行擋矸支護，防沖結(jié)構(gòu)包括“防沖支架+防沖護板”，擋矸結(jié)構(gòu)包括“U型鋼+金屬網(wǎng)”。U型鋼間距為600 mm，U型鋼豎直布置，并使用鐵絲將其與金屬網(wǎng)連接固定。安裝完成后利用動壓承載支護裝置自帶的擋矸橫梁抵緊U型鋼，布置方式如圖16所示。

圖16 巷道支護設計側(cè)視圖Fig.16 Side view of roadway support design

4.3 試驗結(jié)果

檸條塔煤礦N00工法試驗工作面(S1201-II)于2019年1月完成了推采、留巷，累計留巷長度2 344 m，最大單日推進度11.9 m。2019年11月，N00工法留巷驗證工作面(S12013)完成推采，最大單日推進度15.8 m。試驗工作面N00工法的實施，

共計節(jié)約掘巷工程量4 128 m，多采出煤柱資源28萬t，取得了良好的經(jīng)濟社會效益。

試驗過程中，整個留巷范圍內(nèi)每隔10 m布置一個頂?shù)装逡平勘O(jiān)測點，現(xiàn)場效果如圖17所示。圖17(a)為精準切頂現(xiàn)場應用效果，圖17(b)為全斷面高預應力錨索支護應用效果，圖17(c)為動壓承載臨時支護應用效果，圖17(d)為頂?shù)装逡平勘O(jiān)測結(jié)果。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，留巷范圍內(nèi)頂?shù)装逡平孔畲鬄?45 mm，平均為116 mm，圍巖控制效果良好，完全滿足安全生產(chǎn)要求。

圖17 現(xiàn)場應用效果Fig.17 Effect of field application

4.4 N00工法面臨新挑戰(zhàn)

無煤柱自成巷N00工法工業(yè)性試驗結(jié)果表明，該方法可成功實現(xiàn)在不提前掘進回采巷道的情況下完成采煤，并利用相應降壓和支護技術(shù)在工作面采煤過程中同步形成巷道，從而取消回采巷道掘進，取消煤柱留設。本次試驗較好地驗證了N00工法的可行性，為節(jié)約煤炭資源、降低開采成本提供了一條新路徑。同時通過試驗發(fā)現(xiàn)，N00工法作為新的開采方法探索，在解決傳統(tǒng)開采固有問題的同時也會迎來新的挑戰(zhàn)。為了提高新工法的適用性，以下關(guān)鍵設計問題仍需進一步研究攻關(guān)：

(1)超前探測地質(zhì)保障系統(tǒng)設計。煤層地質(zhì)條件復雜多變，取消提前掘巷，意味著無法通過巷道掘進超前進行地質(zhì)勘探，需進一步配套設計隨采地質(zhì)勘探技術(shù)和裝備，以便及時掌握地質(zhì)狀況并隨時調(diào)整開采方案。

(2)一通三防安全保障系統(tǒng)設計。① 工作面采用“Z”型通風系統(tǒng)，工作面和回風巷夾角區(qū)域為易漏風區(qū)。對于煤厚不穩(wěn)定遺煤多且易自燃的煤層條件，需進一步配套研究采空區(qū)快速封閉和自然發(fā)火防治技術(shù)設計。② 采煤過程中形成的巷道通常作為回風巷使用，導致留巷作業(yè)環(huán)境中存在大量煤塵，需進一步完善工作面降塵設計或優(yōu)化通風方式，降低作業(yè)環(huán)境中的粉塵含量。

(3)機械化和智能化裝備設計。① 試驗期間頂板定向切縫主要以爆破方式為主，火工品用量大，易導致生產(chǎn)受限；同時長遠來看，爆破工藝復雜，難以實現(xiàn)自動化，需進一步研發(fā)設計機械化物理切頂技術(shù)和配套裝備。② 工作面機尾端頭區(qū)域需完成采煤、切頂、支護、擋矸等多項工序，作業(yè)設備多、人員密度大，不利于作業(yè)效率的提升，需進一步提高各裝備智能化程度，減少集中作業(yè)人員數(shù)量。

(4)復雜工程地質(zhì)條件適用性。① 對于比較薄的煤層條件，工作面采高通常小于巷道高度，采煤機成巷過程中需截割大量巖石，影響采煤機壽命，還需進一步研發(fā)設計適應薄煤層條件的采留一體化裝備系統(tǒng)。② 根據(jù)N00工法實踐，該工法目前最佳適用條件為工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相對簡單、煤層賦存穩(wěn)定、煤層自然發(fā)火期短的礦井，最佳適用采高為4.0 m以下，下步還需進一步開展復雜條件下N00工法關(guān)鍵技術(shù)裝備攻關(guān)和實踐應用。

5 結(jié) 論

(1)無煤柱自成巷N00工法的核心設計理念在于突破傳統(tǒng)長壁開采“采掘分離”式的布局模式，建立無煤柱自成巷“采留一體化”新模式，利用系列關(guān)鍵技術(shù)和配套裝備，實現(xiàn)采煤過程中同步形成巷道，減少掘巷工程量和煤柱資源損失。

(2)無煤柱自成巷N00工法采留一體化裝備系統(tǒng)由N00采煤裝備系統(tǒng)和N00成巷裝備系統(tǒng)組成。前者實現(xiàn)工作面前無巷采煤，后者實現(xiàn)工作面采后同步成巷，通過兩系統(tǒng)間的協(xié)同配套，可實現(xiàn)無煤柱無掘巷的采留一體化開采模式。

(3)無煤柱自成巷N00工法利用“碎脹平衡降壓+動靜耦合支護”圍巖控制設計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)將采煤系統(tǒng)割出的部分空間保留下來形成巷道，并為其創(chuàng)造一個相對穩(wěn)定的低應力環(huán)境，保證N00工法開采條件下的安全生產(chǎn)。

(4)無煤柱自成巷N00在檸條塔煤礦的成功應用，驗證了N00工法和成套裝備的可行性，為提高礦井采出率、節(jié)約煤炭資源、減少巷道掘進、降低開采成本以及緩解采掘接續(xù)問題提供了新途徑。