無煤柱自成巷N00工法采留一體化裝備與圍巖控制關(guān)鍵設(shè)計(jì)

王亞軍，何滿潮，王 琦，楊 軍，王建文，劉 輝，陳 菲

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

18世紀(jì)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(jì)30年代在山東省中興煤礦開始試驗(yàn)[2]。歷經(jīng)300多年研究和實(shí)踐，長壁開采理論、技術(shù)和裝備體系已取得長足進(jìn)展，并在我國各地礦井得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)采煤工作面-成巷方式-煤柱留設(shè)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(jìn)型。該方法每個(gè)采煤工作面需配套掘進(jìn)2條回采巷道，同時(shí)在相鄰工作面之間留設(shè)一個(gè)10～20 m甚至更寬的護(hù)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(jìn)型。采用該方法開采一個(gè)工作面同樣需要配套掘進(jìn)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(jìn)+充填留巷型。該方法又名沿空留巷，起源于20世紀(jì)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(hù)[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(shí)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(gè)工作面配套的回采巷道掘進(jìn)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(jìn)+切頂留巷型。該方法又名切頂卸壓自動(dòng)成巷110工法(即每開采“1”個(gè)工作面，提前掘進(jìn)“1”條巷道，留設(shè)“0”個(gè)煤柱)[9]，由筆者研究團(tuán)隊(duì)提出并于2009年在川煤白皎煤礦首次試驗(yàn)成功[10]。不同于充填沿空留巷，該方法利用主動(dòng)切頂擴(kuò)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(shí)現(xiàn)留巷[11]，無需留設(shè)煤柱和巷旁充填。

(5)無煤柱+無巷掘進(jìn)+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(gè)工作面，提前掘進(jìn)“0”條巷道，留設(shè)“0”個(gè)煤柱)[12]，由筆者團(tuán)隊(duì)于2016年提出并在陜煤檸條塔煤礦成功應(yīng)用。該方法改變了傳統(tǒng)采掘分離布局模式，可實(shí)現(xiàn)采煤過程中同步成巷，無需提前掘進(jìn)回采巷道，同時(shí)無需留設(shè)護(hù)巷煤柱[13]，在提高資源采出率、降低巷道掘進(jìn)量、消減煤柱引起的應(yīng)力集中等方面具有一定優(yōu)勢(shì)[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(gè)方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。自2016年N00工法被提出以來，筆者團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(yàn)工作。

在前期研究實(shí)踐的基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步從采掘布局、圍巖控制、裝備系統(tǒng)3個(gè)方面梳理了N00工法核心設(shè)計(jì)思路，明確了N00工法碎脹平衡降壓+動(dòng)靜耦合支護(hù)圍巖控制和采留一體化裝備關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容，相關(guān)設(shè)計(jì)在檸條塔煤礦取得成功應(yīng)用。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果，指出了N00工法設(shè)計(jì)層面還需進(jìn)一步攻關(guān)解決的關(guān)鍵問題，為N00工法設(shè)計(jì)研究提供了方向。

1 N00工法采掘布局設(shè)計(jì)

無煤柱自成巷N00工法的核心設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，筆者研究團(tuán)隊(duì)提出了分階段1G～5G N00工法研究規(guī)劃[12]。其中，1G N00工法實(shí)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(shè)問題，首采工作面開采還需提前掘進(jìn)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(jìn)一步解決邊界巷道掘進(jìn)問題。3G N00工法實(shí)現(xiàn)采后形成開拓大巷，可進(jìn)一步降低整個(gè)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(duì)1G N00工法。對(duì)于全新盤區(qū)，首采工作面開采前，首先掘進(jìn)采盤區(qū)四周邊界開巷道(包括邊界運(yùn)輸巷、邊界回風(fēng)巷和邊界開切眼)圈定開采范圍，形成外圍運(yùn)輸和通風(fēng)系統(tǒng)。首采工作面開采時(shí)，邊界運(yùn)輸巷作為首采工作面運(yùn)輸巷，同時(shí)采用N00工法在采煤過程中同步形成回風(fēng)巷，新鮮風(fēng)流從軌道/運(yùn)輸大巷經(jīng)邊界運(yùn)輸巷流入工作面，污風(fēng)經(jīng)工作面流入回風(fēng)巷，經(jīng)邊界回風(fēng)巷流入回風(fēng)大巷，工作面區(qū)域形成“Z”型通風(fēng)系統(tǒng)。接續(xù)面開采時(shí)，上一工作面留下的回風(fēng)巷作為本工作面運(yùn)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(fēng)巷。以此類推，直至采盤區(qū)內(nèi)的“N”個(gè)工作面全部開采完畢。

2 N00工法圍巖控制設(shè)計(jì)

2.1 碎脹平衡降壓+動(dòng)靜耦合支護(hù)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)無煤柱自成巷N00工法的目標(biāo)與原理，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)利用定向精準(zhǔn)切頂降壓、全斷面高預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù)、動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)和擋矸防沖支護(hù)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(zhǔn)切頂?shù)淖饔脼椋孩?切落頂板部分巖體作為巷幫，同時(shí)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(duì)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(duì)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(zhǔn)是指通過精確的切頂設(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)動(dòng)，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(chǔ)上，全斷面高預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)償支護(hù)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(dāng)垮落巖體被壓實(shí)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(hù)的作用下保持穩(wěn)定[16]。

另外，在高位頂板巖梁斷裂和運(yùn)動(dòng)過程中，巷道仍會(huì)受到一定的動(dòng)壓影響，為了保證巷道穩(wěn)定，需在此過程中施加動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)，防止動(dòng)壓期間短臂梁頂板被擠壓破壞，待頂板運(yùn)動(dòng)結(jié)束以后方可撤除。同時(shí)，采空區(qū)垮落巖體也將在擋矸防沖支護(hù)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(yùn)動(dòng)等全過程中保持穩(wěn)定。基于此，筆者提出“碎脹平衡降壓+動(dòng)靜耦合支護(hù)”圍巖控制設(shè)計(jì)思路，實(shí)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(gè)相對(duì)穩(wěn)定的低應(yīng)力環(huán)境，包括3個(gè)控制對(duì)象、4種控制技術(shù)、8項(xiàng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

2.2 定向精準(zhǔn)切頂降壓設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)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(shí)直至穩(wěn)定，形成如圖4(a)所示的平衡結(jié)構(gòu)。整個(gè)過程中，巷道圍巖會(huì)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(huì)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(shí)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(dāng)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(dǎo)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(huì)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切頂，利用切落巖體對(duì)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(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

(1)切頂高度設(shè)計(jì)。通過合理的切頂高度設(shè)計(jì)，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(duì)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(shè)計(jì)。切頂角度的設(shè)計(jì)需滿足一定“剪滑準(zhǔn)則”[19]，實(shí)現(xiàn)有效消減水平應(yīng)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(duì)巷道頂板造成影響，實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)通常為10°～20°。

(3)切頂質(zhì)量設(shè)計(jì)。一是確保頂板切縫的連通率達(dá)到80%以上，防止采空區(qū)巖體垮落時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)施過程中還需結(jié)合巖性變化和裂縫率監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整切頂參數(shù)。

2.3 全斷面高預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù)設(shè)計(jì)

圖5 高預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù)原理Fig.5 Principle of high prestressed and energy absorption cable

不難看出，圍巖變形運(yùn)動(dòng)前期，錨索支護(hù)主要發(fā)揮應(yīng)力補(bǔ)償作用，即通過施加高預(yù)應(yīng)力促使圍巖盡快恢復(fù)三向應(yīng)力平衡狀態(tài)；圍巖變形運(yùn)動(dòng)后期，錨索支護(hù)主要發(fā)揮懸吊作用，即利用錨索的高強(qiáng)支護(hù)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(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

(1)高預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。巷道空間開挖以后，圍巖中的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，圍巖內(nèi)部應(yīng)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(hù)并施加高預(yù)應(yīng)力，最大程度補(bǔ)償巷道自由面徑向應(yīng)力喪失，是防止圍巖破壞的關(guān)鍵之一。

(2)支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。將短臂梁結(jié)構(gòu)錨固在上方穩(wěn)定巖層，是錨索支護(hù)要發(fā)揮的重要長期作用。錨索支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足使短臂梁結(jié)構(gòu)保持靜力平衡的力學(xué)條件，即在高位頂板結(jié)構(gòu)不再運(yùn)動(dòng)的情況下，錨索支護(hù)力與實(shí)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(yīng)力平衡狀態(tài)。

2.4 動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)影響，成巷初期巷道通常表現(xiàn)出較明顯的動(dòng)壓顯現(xiàn)[23]。若不能在此期間對(duì)頂板變形進(jìn)行有效控制，將導(dǎo)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(shí)，在高預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)采用動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)技術(shù)對(duì)動(dòng)壓影響期間的巷道進(jìn)行臨時(shí)承載支護(hù)，以防止巷道短臂梁頂板受高位頂板運(yùn)動(dòng)擠壓影響產(chǎn)生劇烈變形甚至失穩(wěn)。動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)與高預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù)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(shè)計(jì)思路，筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了N00動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)裝置，如圖6所示。

動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)的關(guān)鍵作用是在切縫上方巖梁斷裂運(yùn)動(dòng)過程中為短臂梁頂板提供強(qiáng)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(dòng)壓承載支護(hù)裝置需設(shè)計(jì)有高初撐力、快速增阻的特性，能夠在成巷初期動(dòng)壓影響階段對(duì)短臂梁頂板起到“限定變形”支護(hù)作用。同時(shí)，由于高位巖梁對(duì)巷道頂板和支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的是“給定變形”，巷內(nèi)支護(hù)通常無法完全阻止該變形[24]。

圖6 動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)裝置Fig.6 Temporary support device for dynamic pressure

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

2.5 矸石幫擋矸防沖組合支護(hù)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)巷道圍巖通常由巖體、煤體或充填體等實(shí)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(shí)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(hù)方式無法適用。因此，根據(jù)N00工法工藝特點(diǎn)和矸石巷幫結(jié)構(gòu)特性，研究團(tuán)隊(duì)提出矸石巷幫擋矸防沖組合支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)思路，即利用“防沖+擋矸”組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，抵抗采空區(qū)垮落矸石運(yùn)動(dòng)過程中的沖擊載荷和靜壓作用下的鼓出變形，控制矸石沿?fù)蹴方Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(hù)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(hù)板”，防沖護(hù)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(shí)防沖擊作用。擋矸結(jié)構(gòu)為長期支護(hù)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(shè)計(jì)

3.1 采留一體化裝備布局設(shè)計(jì)思路

無煤柱自成巷N00工法取消了回采巷道掘進(jìn)系統(tǒng)，利用工作面采煤同步形成巷道，這對(duì)傳統(tǒng)采煤裝備提出新的要求。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)目標(biāo)在于利用N00采煤機(jī)、N00刮板輸送機(jī)和N00支架系統(tǒng)之間的協(xié)同配套，實(shí)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(shè)計(jì)目標(biāo)在于利用N00架鉆一體化支護(hù)裝備，為高預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù)、定向精準(zhǔn)切頂、動(dòng)壓承載支護(hù)和擋矸防沖支護(hù)提供采煤同步成巷的作業(yè)平臺(tái)，通過N00采煤裝備系統(tǒng)與成巷裝備系統(tǒng)協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)工作面采后成巷，最終實(shí)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(shè)計(jì)思路如圖9所示。

圖9 N00工法裝備系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

為了使采煤機(jī)能夠割出巷道空間，需對(duì)傳統(tǒng)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和部分液壓支架進(jìn)行功能改造和配套新設(shè)計(jì)，關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：① 通過刮板輸送機(jī)齒軌超前變線和遠(yuǎn)距離增限設(shè)計(jì)，增大采煤機(jī)向外運(yùn)行距離，使采煤機(jī)滾筒能夠超越刮板輸送機(jī)端頭進(jìn)行割煤。② 調(diào)整刮板輸送機(jī)端頭起坡結(jié)構(gòu)，降低動(dòng)力部高度，使采煤機(jī)滾筒在截割巷道時(shí)，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(yùn)出，在刮板輸送機(jī)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?fù)趺菏杳貉b置直接滑落至刮板輸送機(jī)溜槽中，遺留的煤可在刮板輸送機(jī)前移時(shí)，利用鏟煤裝置鏟至溜槽中，最后由刮板輸送機(jī)運(yùn)出。④ 配套設(shè)計(jì)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(dòng)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(shè)計(jì)

為了將采煤機(jī)割出的巷道空間保留下來，研究團(tuán)隊(duì)配套設(shè)計(jì)了N00成巷裝備系統(tǒng)，包括N00定向切頂鉆機(jī)、N00高預(yù)應(yīng)力錨索鉆機(jī)、N00動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)裝置和N00架鉆一體支護(hù)裝備，實(shí)現(xiàn)了工作面采后成巷。關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：① N00定向切頂鉆機(jī)具有多孔同時(shí)鉆進(jìn)、多方位立體動(dòng)態(tài)調(diào)整等功能，能夠確保多孔同面，實(shí)現(xiàn)定向精準(zhǔn)切頂；② N00高預(yù)應(yīng)力錨索鉆機(jī)具有鉆-擴(kuò)-裝-錨一體化、三維自適應(yīng)孔位調(diào)節(jié)等特征，并配備高預(yù)應(yīng)力張拉裝置，確保錨索預(yù)應(yīng)力和孔位精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)高預(yù)應(yīng)力及時(shí)主動(dòng)支護(hù)控制頂板；③ N00動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)裝置具有高工阻、快增阻、自適應(yīng)讓壓等特征，初期對(duì)直接頂發(fā)揮“限定變形”支護(hù)作用，后期在基本頂“給定變形”作用下具備讓壓功能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓影響期間巷道穩(wěn)定性控制；④ N00架鉆一體支護(hù)裝備具有自動(dòng)鋪網(wǎng)、采煤同步精準(zhǔn)調(diào)位等功能，能夠?yàn)槌上镅b備提供與采煤同步的調(diào)控平臺(tái)，控制采煤裝備和成巷裝備間的協(xié)同聯(lián)動(dòng)，最終實(shí)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(shí)踐應(yīng)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(jìn)行了首次工程應(yīng)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(yàn)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(fù)用驗(yàn)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(yàn)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(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)定向切頂參數(shù)設(shè)計(jì)。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(jì)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(bào)告K取1.43。經(jīng)計(jì)算，可求得最佳理論切頂高度Hc=8.72 m，切頂角度設(shè)計(jì)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(hù)設(shè)計(jì)。巷道頂板采用全斷面高預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)提出的設(shè)計(jì)方法[25]，每排布置5根直徑21.8 mm的高預(yù)應(yīng)力錨索，錨索排距設(shè)計(jì)為0.8 m(采煤步距)，錨索預(yù)緊力設(shè)計(jì)為280 kN，錨索設(shè)計(jì)長度為10.5 m。實(shí)體煤幫采用“玻璃鋼錨桿+8號(hào)鉛絲網(wǎng)”進(jìn)行支護(hù)，錨桿長度1.6 m，直徑18 mm，間排距1 200 mm×800 mm。支護(hù)斷面如圖14所示。

圖14 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面Fig.14 Front view of roadway support design

(3)動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)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(shè)計(jì)布置在工作面后方0～160 m區(qū)域[26]，如圖15所示。當(dāng)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(hù)設(shè)計(jì)平面Fig.15 Plan view of roadway support design

(4)擋矸防沖支護(hù)設(shè)計(jì)。采用“防沖+擋矸”組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行擋矸支護(hù)，防沖結(jié)構(gòu)包括“防沖支架+防沖護(hù)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(dòng)壓承載支護(hù)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(hù)設(shè)計(jì)側(cè)視圖Fig.16 Side view of roadway support design

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

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

共計(jì)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(jì)社會(huì)效益。

試驗(yàn)過程中，整個(gè)留巷范圍內(nèi)每隔10 m布置一個(gè)頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場效果如圖17所示。圖17(a)為精準(zhǔn)切頂現(xiàn)場應(yīng)用效果，圖17(b)為全斷面高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)應(yīng)用效果，圖17(c)為動(dòng)壓承載臨時(shí)支護(hù)應(yīng)用效果，圖17(d)為頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)監(jiān)測(cè)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(yīng)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(yàn)結(jié)果表明，該方法可成功實(shí)現(xiàn)在不提前掘進(jìn)回采巷道的情況下完成采煤，并利用相應(yīng)降壓和支護(hù)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(jìn)，取消煤柱留設(shè)。本次試驗(yàn)較好地驗(yàn)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(shí)通過試驗(yàn)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(shí)也會(huì)迎來新的挑戰(zhàn)。為了提高新工法的適用性，以下關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題仍需進(jìn)一步研究攻關(guān)：

(1)超前探測(cè)地質(zhì)保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)。煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，取消提前掘巷，意味著無法通過巷道掘進(jìn)超前進(jìn)行地質(zhì)勘探，需進(jìn)一步配套設(shè)計(jì)隨采地質(zhì)勘探技術(shù)和裝備，以便及時(shí)掌握地質(zhì)狀況并隨時(shí)調(diào)整開采方案。

(2)一通三防安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)。① 工作面采用“Z”型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面和回風(fēng)巷夾角區(qū)域?yàn)橐茁╋L(fēng)區(qū)。對(duì)于煤厚不穩(wěn)定遺煤多且易自燃的煤層條件，需進(jìn)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(shè)計(jì)。② 采煤過程中形成的巷道通常作為回風(fēng)巷使用，導(dǎo)致留巷作業(yè)環(huán)境中存在大量煤塵，需進(jìn)一步完善工作面降塵設(shè)計(jì)或優(yōu)化通風(fēng)方式，降低作業(yè)環(huán)境中的粉塵含量。

(3)機(jī)械化和智能化裝備設(shè)計(jì)。① 試驗(yàn)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(dǎo)致生產(chǎn)受限；同時(shí)長遠(yuǎn)來看，爆破工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需進(jìn)一步研發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)械化物理切頂技術(shù)和配套裝備。② 工作面機(jī)尾端頭區(qū)域需完成采煤、切頂、支護(hù)、擋矸等多項(xiàng)工序，作業(yè)設(shè)備多、人員密度大，不利于作業(yè)效率的提升，需進(jìn)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(fù)雜工程地質(zhì)條件適用性。① 對(duì)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(jī)成巷過程中需截割大量巖石，影響采煤機(jī)壽命，還需進(jìn)一步研發(fā)設(shè)計(jì)適應(yīng)薄煤層條件的采留一體化裝備系統(tǒng)。② 根據(jù)N00工法實(shí)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(duì)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(jìn)一步開展復(fù)雜條件下N00工法關(guān)鍵技術(shù)裝備攻關(guān)和實(shí)踐應(yīng)用。

5 結(jié) 論

(1)無煤柱自成巷N00工法的核心設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)工作面前無巷采煤，后者實(shí)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(shí)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(dòng)靜耦合支護(hù)”圍巖控制設(shè)計(jì)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(gè)相對(duì)穩(wěn)定的低應(yīng)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(yīng)用，驗(yàn)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(jìn)、降低開采成本以及緩解采掘接續(xù)問題提供了新途徑。