延川縣新泰煤礦3G N00礦井設(shè)計與實踐

何滿潮，劉簡寧，劉冬橋，賀明珠，夏洪滿

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室；2. 中國礦業(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.沈陽焦煤股份有限公司，遼寧 沈陽 110122）

煤炭是世界上的主要能源之一。根據(jù)英國石油公司2021 年7 月發(fā)布的《bp 世界能源統(tǒng)計年鑒》，2020 年全世界一次能源消費主要來源于石油、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)下中國國民經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的一部分［2］。隨著中國經(jīng)濟的增長，煤炭消費經(jīng)歷了規(guī)模速度型增長（2000—2011 年）、高速增長（2012—2018 年）再到現(xiàn)在高質(zhì)量發(fā)展階段，煤炭消費量總量雖在增長，但增速在下降［3］。依據(jù)中國國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，一次能源生產(chǎn)方面，中國在整個“十三五”期間原煤生產(chǎn)占比降至67.3%；一次能源消費方面，中國在整個“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46.1%［4］。如圖1C所示針對全世界一次能源消費結(jié)構(gòu)的變化趨勢，U.S.Energy Information Administration預(yù)測2050 年煤炭會成為一次能源消費結(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，中國有望在“十四五”時期末實現(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 一次能源消費結(jié)構(gòu)統(tǒng)計[1,4-5]

煤炭工業(yè)的發(fā)展研究需要總結(jié)出煤炭開采技術(shù)發(fā)展的歷史規(guī)律?；仡櫴澜缑禾堪l(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。伴隨人類社會對煤炭依賴度的不斷增加，開采工法不斷革新，其發(fā)展歷程如圖2所示［6-7］。18 世紀以前，全世界煤礦的開采方式是房柱式開采，房柱式開采無法滿足發(fā)展需求，因此，1706年英國什羅普郡便采用傳統(tǒng)的長壁開采法（121工法，如圖2A 所示），提高煤炭資源回收率［8-9］。長壁開采121 工法顧名思義，其需要在回采之前保留1 個煤柱和提前掘進2 條巷道［6］。該工法雖然增加了工作面的產(chǎn)量，但隨之而來的是大量煤柱資源的浪費以及采掘接續(xù)緊張等問題［10］。以延安地區(qū)為例，其煤炭資源具有蘊藏豐富和品種優(yōu)良的特點，其開采行業(yè)自抗戰(zhàn)時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，其資源開采條件簡單，儲量豐富（已探明56.15 億t），其中子長、黃陵礦區(qū)為優(yōu)質(zhì)動力煤與氣化用煤［15-16］。延安地區(qū)大多數(shù)煤礦都在使用著18 世紀初英國發(fā)明的長壁開采121 工法［6-7］。隨著煤炭開采深度與強度的增加，傳統(tǒng)工藝俞發(fā)無法滿足技術(shù)對于高產(chǎn)、高效、安全和環(huán)保的需求［10，17］。面對傳統(tǒng)開采所帶來的問題，無煤柱開采技術(shù)在現(xiàn)場試驗逐漸成了煤炭科學(xué)研究的熱點。最早的無煤柱開采技術(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，見圖2B），111 工法巷道一側(cè)為煤柱，另一側(cè)為高支撐力和強度的充填墻體作為支撐載體［6］。隨著煤炭科技的發(fā)展，無煤柱開采技術(shù)在不斷發(fā)展，截至目前無煤柱開采工藝有沿空留巷技術(shù)以及無煤柱自成巷工法等。

面對111 工法尚未優(yōu)化采場覆巖結(jié)構(gòu)，沿空巷道承載壓力較大等問題是該工法自身必然存在的問題。從根源上解決此類問題，必然要從工法入手，需要一套創(chuàng)新性開采工藝［18］。中國雖然為世界上產(chǎn)煤大國之一，也是最早開始采煤的國家之一，但使用的采煤工藝均為國外科技發(fā)展的結(jié)果。為解決這些問題，國內(nèi)眾多科研工作者做了大量研究。直至2009年，中國才有了自主研發(fā)的煤炭開采技術(shù)——無煤柱自成巷110/N00 工法［6-7，18］。面對此類問題，本項目組于2009 年研發(fā)了無煤柱開采110工法（見圖2C），利用礦壓自動成巷，取消工作面保護煤柱以及一半巷道掘進［6］。無煤柱自成巷1G N00 工法（見圖2D）是本項目組于2016 年提出并于次年在陜西檸條塔礦完成了現(xiàn)場試驗［10］，其在110工法的成功試驗的基礎(chǔ)上，利用改變傳統(tǒng)采煤關(guān)鍵技術(shù)和配套裝備，實現(xiàn)了工作面單側(cè)采留一體化，從而實現(xiàn)回采面取消巷道掘進和保護煤柱留設(shè)［17］。在1G N00 工法成功試驗基礎(chǔ)上，本項目組于2018 年研發(fā)了2G N00 工法（見圖2E）［6］，該工法實現(xiàn)了工作面雙側(cè)自動成巷，取消了局部通風；取消采區(qū)內(nèi)100%順槽巷道掘進；取消了采區(qū)煤柱；采出率可以提高15%~25%，利用平衡開采原理，實現(xiàn)地表環(huán)境不破壞。3G N00 礦井（見圖2F）為本項目組于2019 年在2G N00 工法的基礎(chǔ)上所提出的一個全新的建井概念，其大幅度簡化礦井系統(tǒng)，取消大巷、井下變電所、井底車場工程，減少建井周期，實現(xiàn)了全礦井范圍無煤柱開采、無巷道掘進，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 礦井的實施意味著掘進工種的消失，掘進事故的消失，可以挽救成千上萬煤礦工人的生命。

圖2 煤炭開采工法發(fā)展歷程[6-7]

取消保護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)緊張的問題。一項成熟的工藝不僅僅體現(xiàn)在現(xiàn)場推廣應(yīng)用過程中，還應(yīng)體現(xiàn)在科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)是否成了研究熱點問題。針對無煤柱開采技術(shù)相關(guān)文獻的系統(tǒng)評論可以得出無煤柱開采領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。為了分析CNKI數(shù)據(jù)庫中自1993年至2021年所有關(guān)于無煤柱開采技術(shù)的核心期刊與EI，利用Citespace 實現(xiàn)文獻的研究領(lǐng)域可視化分析以及系統(tǒng)科學(xué)計量評價［19-20］。如圖3A所示（見封二），從文獻作者分析可以得出，自何滿潮院士2009 年研發(fā)無煤柱自成巷110工法，2016年研發(fā)N00工法以后，無煤柱開采相關(guān)論文的作者主要以何滿潮院士團隊為主，進而可以得出無煤柱開采相關(guān)文獻主要以無煤柱自成巷110/N00工法為主。并且隨著時間的推移，無煤柱自成巷110/N00工法相關(guān)論文越來越多，幾乎一半以上的無煤柱開采文獻均與110/N00工法相關(guān)。由知網(wǎng)文獻可視化分析結(jié)果可以得出，國內(nèi)研究熱點由傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)逐漸變?yōu)?10/N00工法。為了增加無煤柱開采技術(shù)文獻分析的合理性，分析了Web of Science 數(shù)據(jù)庫中自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（見封二），無煤柱開采技術(shù)的Log-Likelihood Ratio 聚類分析結(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。無煤柱自成巷110/N00工法便是以“roof cutting”為核心技術(shù)的無煤柱開采技術(shù)。如圖3C所示（見封二），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)于無煤柱自成巷110 工法的論文在引用量上逐漸成了熱點，其2017 年所寫關(guān)于論文引用量截止2021 年底便超過40次。因此，無煤柱自成巷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)國內(nèi)外研究成果，無煤柱自成巷110/N00工法是第三次礦業(yè)技術(shù)革命的標志，具有突出的技術(shù)、經(jīng)濟和安全優(yōu)勢。新泰N00 工法試驗工程的礦井設(shè)計采用3G N00 礦井開采布局以及工作面回采工藝采用2G N00工法，此類試驗項目截至目前國內(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、科學(xué)實踐3個方面介紹了國內(nèi)外首例3G N00礦井工業(yè)化試驗。建設(shè)國內(nèi)外首例3G N00礦井示范工程，落實高科技精準幫扶，促進革命老區(qū)地方經(jīng)濟發(fā)展，實現(xiàn)中國煤礦安全、高效、節(jié)約、綠色開采的巨大進步。

1 3G N00礦井基礎(chǔ)理論

1.1 N00工法平衡開采理論

地下礦山開采誘發(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。對于采礦工程來說，采礦活動在三帶中產(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采模型不同（見圖4）。對于傳統(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來補償剩余的采礦體積。因此，傳統(tǒng)121 工法所帶來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。裂隙帶之上不會出現(xiàn)彎曲下沉帶，只會出現(xiàn)緩沉帶。

圖4 采礦工程開采模型[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)力傳遞路徑的同時將煤層頂板分為2 個部分［22］。其一在NPR 錨索的支護下得以保留，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]

本文利用庫倫強度準則［26］來分析煤層開采誘導(dǎo)“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)（見圖6）。假設(shè)將采場周邊煤巖體進行簡化，其應(yīng)力分布問題作為平面問題進行分析，其中待切頂板在回采之前處于初始狀態(tài)，最大主應(yīng)力方向為水平方向，平均水平應(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］。開采誘導(dǎo)采場覆巖應(yīng)力重新分布，其應(yīng)力集中系數(shù)可以達到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假設(shè)由σ3減小至σ3（*）。與此同時，煤層開挖導(dǎo)致“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)飽受開采擾動影響。該開采擾動狀態(tài)導(dǎo)致整個地下采場垂直方向應(yīng)力集中，當現(xiàn)場工程所處高應(yīng)力環(huán)境時，普通錨索無法提供較高預(yù)應(yīng)力時，此時“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，當應(yīng)力圓的點超出了抗剪強度曲線時，“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)達到自身強度極限，進而發(fā)生破壞。面對該問題，何滿潮院士提出“應(yīng)力補償”的概念，利用NPR 錨索獨有恒阻高預(yù)應(yīng)力的特征，對“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)反向補償應(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變小，假設(shè)為σ1（**）或者更小?！扒许敹瘫哿骸痹谟砷_采擾動狀態(tài)變?yōu)閼?yīng)力補償狀態(tài)。應(yīng)力補償狀態(tài)中應(yīng)力圓的半徑比開采擾動狀態(tài)（安裝普通錨索）小，應(yīng)力圓的所有點均未超出了抗剪強度曲線的概率比開采擾動狀態(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)力補償特征為應(yīng)力分布的最后一個狀態(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)錨索在成巷過程中極易達到極限拉伸荷載，支護一旦失效便會誘發(fā)“切頂短臂梁”無法實現(xiàn)應(yīng)力補償，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，進而實現(xiàn)恒阻高預(yù)應(yīng)力特征［28］。室內(nèi)靜力學(xué)實驗可以實現(xiàn)模擬“切頂短臂梁”變形過程對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室內(nèi)拉伸實驗數(shù)據(jù)來表明。

實驗選取6 根NPR 錨索做室內(nèi)拉伸實驗，NPR錨索拉伸實驗數(shù)據(jù)變化趨勢與錨固作用對應(yīng)關(guān)系如圖7 所示。依據(jù)拉伸實驗數(shù)據(jù)的變化趨勢，大致可以分為3個階段（階段Ⅰ、階段Ⅱ和階段Ⅲ），并且這3 個階段都可對應(yīng)NPR 錨索對“切頂短臂梁”支護作用中的3個階段。其中拉伸實驗初始階段Ⅰ對應(yīng)NPR 錨索支護作用中的初始階段。階段Ⅱ則對應(yīng)著“切頂短臂梁”變形過程中NPR 錨索的實現(xiàn)恒阻階段，其中NPR 錨索中鋼絞線與恒阻器的相對位移在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。階段Ⅲ表明了NPR 錨索在忍受“切頂短臂梁”大變形過程中保證支護阻力恒定，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?。ㄆ骄钪翟?3.02~70.06 kN 范圍內(nèi)），鋼絞線與恒阻器的極限相對位移在398.79~435.11 mm 范圍內(nèi)。該階段NPR 錨索對“切頂短臂梁”結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了吸能讓壓、高恒阻、大變形支護。其最大支護阻力可以達到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)開采工藝中的巷道頂板模型，其通過NPR 錨索高強支護力實現(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)定的全過程中表現(xiàn)出應(yīng)力補償?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)變化趨勢與支護作用對應(yīng)關(guān)系

2 3G N00礦井關(guān)鍵設(shè)計

2.1 3G N00礦井開采設(shè)計

3G N00 礦井開采設(shè)計如圖8 所示，全礦井無需提前布置大巷工程，首采面所留巷道為整個礦井的大巷。生產(chǎn)系統(tǒng)大大簡化，運輸路線中煤炭由工作面經(jīng)刮板輸送機運往運輸順槽皮帶輸送機，經(jīng)過膠帶運輸巷到達煤倉，最后經(jīng)斜井運輸?shù)降孛?；井下所需材料?jīng)副立井的副井聯(lián)絡(luò)巷、軌道運輸巷/監(jiān)測硐室、運輸巷/回風巷，最后到達工作面；行人經(jīng)由主斜井經(jīng)過石門（行人通道）、回風巷到達工作面或軌道運輸巷至運輸巷最后到達工作面。3G N00礦井供電系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計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)測硐室和副井聯(lián)絡(luò)巷等）。3G N00 礦井通風系統(tǒng)設(shè)計中主斜井和副立井進風，回風立井回風。其中從副立井開始的進回風路線為副立井到軌道運輸巷、運輸巷、工作面、回風巷、回風石門、回風立井；從主斜井開始的進回風路線為主斜井到膠帶運輸巷、運輸巷、工作面、回風巷、回風石門、回風立井。其余排水系統(tǒng)、防滅火系統(tǒng)、監(jiān)測監(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，工作面長度為240 m，走向長度為1 000 m。

圖8 3G N00礦井開采設(shè)計

3G N00礦井作為一種創(chuàng)新的建井模式，以簡單的生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了全礦井開拓布局新模式，簡化井底車場工程、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，礦井掘進工程減少80%以上，縮短建井工期19個月；大幅減少巷道保護煤柱，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

相比無煤柱自成巷1G N00工法工作面開采單側(cè)留巷，在110工法與1G N00工法成功實施的基礎(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)可以實現(xiàn)全盤（采）區(qū)無煤柱留設(shè)與無巷道掘進，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)運至刮板機和皮帶機工序?！爸А惫ば騽t為頂板自動鋪網(wǎng)、頂板NPR 恒阻大變形錨索/桿支護、實體煤幫錨桿?！扒小惫ば驗轫敯迩锌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割煤循環(huán)內(nèi)完成。工藝Ⅰ完成之后便開始工藝Ⅱ。工藝Ⅱ分為首先“護”和最后“封”2 個工序?！白o”工序為碎石幫鋪設(shè)高強擋矸金屬網(wǎng)、門式護巷支架（臨時支護）、U 型鋼擋矸支護。等待巷道圍巖結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定之后，開始“封”工序?！胺狻惫ば驗楦叻肿訐躏L材料噴漿封閉采空區(qū)。

相比無煤柱自成巷110 工法1G N00 工法工作面開采單側(cè)留巷，2G N00工法在裝備系統(tǒng)方面進一步升級，實現(xiàn)工作面兩側(cè)留巷，從而達到整個盤區(qū)的無煤柱開采和無巷道掘進。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)。兩個裝備系統(tǒng)在巷道裝備系統(tǒng)中均采用門式支架作為巷內(nèi)臨時支護裝備，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)長壁開采工作面裝備系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改裝了2個鉤機開挖裝置。其中運輸巷的鉤機采挖裝置（機頭）采用一主兩副液壓支架搭配鉤機代替端頭支架，回風巷的鉤機采挖裝置（機尾）則在端頭支架下方刮板機機尾處安裝鉤機。將巷道成型之后所產(chǎn)生的礦渣裝運至刮板機和運輸機。該裝置隨著工作面的推進及時前移，嚴格控制空頂范圍，并在該裝置的掩護下完成支護工藝。

2G N00 工法采錨切一體化裝備系統(tǒng)在傳統(tǒng)長壁開采工作面裝備系統(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)（裝運礦渣至刮板運輸機）、錨桿（索）安裝結(jié)構(gòu)（可伸縮鉆機及時支護頂板和兩幫）、切縫結(jié)構(gòu)（切縫鉆機密集鉆孔實現(xiàn)頂板預(yù)裂切縫）、支護結(jié)構(gòu)（為各個工序提供足夠作業(yè)空間）和行走結(jié)構(gòu)（實現(xiàn)系統(tǒng)整體自行前移）構(gòu)成。采錨切一體化裝備系統(tǒng)長度不超過6 m，在實現(xiàn)端頭成巷、鉆孔與支護的同時，滿足安全通風要求。

圖9 2G N00工法關(guān)鍵工藝與裝備系統(tǒng)

本項目組將延安市延川縣新泰煤礦5101 工作面選為國內(nèi)外首例3G N00 礦井試驗首采工作面，其工業(yè)化試驗關(guān)鍵工藝不變，但是裝備系統(tǒng)的試驗過程大致可以分為2 個階段。其中第1 個階段裝備以2G N00 工法采挖成巷裝備系統(tǒng)為核心；第2 個階段裝備以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

試驗工作面開采煤層為5 號煤，其特點為近水平、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（見圖10）。運輸平巷寬度為4.6 m，高度為2.6 m，回風平巷寬度為4.6 m，高度為2.2 m。頂板切縫長度為5 m，角度為15 °。支護參數(shù)如圖10 所示，頂板支護材料采用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 運輸巷實體幫錨桿排距為0.8 m，間距分別為1.0 m 和0.8 m，N00回風巷實體幫錨桿間排距為0.8 m×0.8 m。臨時支護采用2G N00工法配套門式支架，支架設(shè)計排距為0.8 m，工作阻力為1 800 kN。擋矸支護則采用2G N00工法“可伸縮U型鋼+門式液壓支架+金屬網(wǎng)”串聯(lián)式非對稱擋矸支護模式，擋矸支護設(shè)計排距為0.8 m。巖層特征方面，5 號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)實踐

3.1 現(xiàn)場試驗效果

2020 年6 月1 日設(shè)備到礦，2020 年7 月13 日設(shè)備開始安裝，2020 年9 月5 日N00 工作面開始試生產(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巷與運輸巷留巷情況如圖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)力補償特征，可以得出開采誘導(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。為驗證理論分析的可靠性，本文開展現(xiàn)場礦壓監(jiān)測研究。以回風巷的鉤機開挖裝置（機頭）為1#測點，沿著工作面間隔5 個支架布置1 個礦壓測點，直至運輸巷的鉤機開挖裝置（機尾）。測點總計23個，其中設(shè)備質(zhì)量問題導(dǎo)致15#測點數(shù)據(jù)出錯，本文不做分析該測點數(shù)據(jù)。筆者以2021 年5 月20 日至9 月25 日 為數(shù)據(jù)采集 時間。為了便于分析，每個測點每天選取1個數(shù)據(jù)（12點鐘數(shù)據(jù)）作為研究目標。為了進一步分析礦壓分布特征，引入聚類分析中的k-means 法對礦壓數(shù)據(jù)進行分類。以工作面支架礦壓數(shù)據(jù)為分析實例，確定每組樣本的聚類中心，計算樣本點與聚類中心的距離，實現(xiàn)對支架礦壓數(shù)據(jù)的分類。

圖12 試驗工作面礦壓分布特征

如圖12所示，統(tǒng)計支護礦壓數(shù)據(jù)的聚類中心和聚類個數(shù)。工作面靠近留巷一側(cè)的1#~3#測點以及22#~23#測點壓力值普遍較低（聚類中心的值均少于25 MPa）。這2個部分區(qū)域為低壓區(qū)域，1#~3#測點低壓區(qū)域為低壓區(qū)域J，22#~23#測點低壓區(qū)域為低壓區(qū)域N。其中，低壓區(qū)域中處于巷道中的1#測點與23#測點聚類中心的值均少于13 MPa，遠小于其余測點中聚類中心的最大值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#測點相對應(yīng)的21#測點中77%的數(shù)據(jù)所處的聚類中心的值不高（小于30 MPa），該類現(xiàn)象可能由于該區(qū)域矸石垮落不及時所造成的。工作面其余區(qū)域為類均壓區(qū)域，具體表現(xiàn)為礦壓分布特征基本相似，4#~21#測點中76.5%的測點存在一個高聚類中心（大于30 MPa），該聚類中心的個數(shù)與總數(shù)的平均占比為42.3%。綜合研究表明N00 工法開采誘導(dǎo)頂板礦壓分布特征為兩側(cè)“類弱壓”中間“類均壓”。不同于傳統(tǒng)121 工藝中采場應(yīng)力出現(xiàn)越靠近工作面中部壓力越大的現(xiàn)象［29-30］。N00工法開采誘導(dǎo)頂板兩側(cè)“類弱壓”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工法開采誘導(dǎo)頂板中間“類均壓”意味著采空區(qū)除巷道一側(cè)整個礦壓分布較為均衡，間接證明了N00 工法采場覆巖結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力平衡開采特征。

現(xiàn)場礦壓數(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)力補償狀態(tài)）。類均壓區(qū)域主要位于采空區(qū)，該區(qū)域的出現(xiàn)證實了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 工法開采誘導(dǎo)頂板應(yīng)力分布特征為兩側(cè)“類弱壓”中間“類均壓”。此類現(xiàn)象證實了3G N00 礦井工作面存在平衡開采特征，以及弱化后的采場礦壓特征極易保證試驗工作面的安全開采。

3.2 現(xiàn)場試驗經(jīng)濟效益

若礦井全部采用3G N00礦井，可實現(xiàn)整個礦井無巷道掘進、無煤柱留設(shè)的目標。在經(jīng)濟上，3G N00 礦井取消了巷道掘進，經(jīng)濟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，對企業(yè)和社會來說都是革命性的進步。針對新泰煤礦，設(shè)計對3G N00 礦井與傳統(tǒng)采煤工藝進行了簡要的經(jīng)濟比較，比較結(jié)果見表2。

表2 3G N00礦井與傳統(tǒng)采煤工藝的經(jīng)濟比較

由表2 可知，采用3G N00 礦井雖然裝備投入增加了4 545 萬元，但可以提高礦井35%的采出率，增加采出量312 萬t，增加經(jīng)濟效益15.6 億元（煤炭估算價格為500元/t），減少建井巷道掘進投資6 309萬元，投產(chǎn)后減少巷道掘進成本45 511 萬元。顯而易見，采用3G N00 礦井開采仍可增加經(jīng)濟效益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采損傷，結(jié)合矸石對采空區(qū)頂板的承載作用使其出現(xiàn)應(yīng)力平衡分布特征。NPR 錨索具有的高強支護力使得“切頂短臂梁”應(yīng)力分布特征從結(jié)構(gòu)變形到穩(wěn)定的全過程中表現(xiàn)出應(yīng)力補償?shù)奶卣鳎馕吨锏浪璩休d的應(yīng)力弱化。

2）3G N00 礦井全面革新了傳統(tǒng)煤礦開采模式。其以簡單的生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，簡化井巷工程，礦井掘進工程減少80%以上，縮短建井工期19 個月，減少巷道保護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，實現(xiàn)全盤（采）區(qū)無煤柱留設(shè)和無巷道掘進。

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)和類均壓區(qū)域。3G N00 礦井通過最大限度增加煤炭開采率，實現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟效益（11.048 9億元）。

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