延川县新泰煤矿3G N00矿井设计与实践

何满潮，刘简宁，刘冬桥，贺明珠，夏洪满

（1. 中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室；2. 中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083；3.延川新泰煤矿，陕西 延川 717208；4.沈阳焦煤股份有限公司，辽宁 沈阳 110122）

煤炭是世界上的主要能源之一。根据英国石油公司2021 年7 月发布的《bp 世界能源统计年鉴》，2020 年全世界一次能源消费主要来源于石油、天然气、煤炭、核能、水电和可再生能源，其中煤炭占全世界一次能源消费的27.2%［1］（如图1A所示）。煤炭产业不仅仅作为全世界能源结构的支柱产业，鉴于中国煤炭资源丰富、天然气资源少、石油资源稀缺的能源架构特征，煤炭依旧是新常态下中国国民经济发展不可或缺的一部分［2］。随着中国经济的增长，煤炭消费经历了规模速度型增长（2000—2011 年）、高速增长（2012—2018 年）再到现在高质量发展阶段，煤炭消费量总量虽在增长，但增速在下降［3］。依据中国国家统计局数据，一次能源生产方面，中国在整个“十三五”期间原煤生产占比降至67.3%；一次能源消费方面，中国在整个“十三五”期间煤炭占比较高，以2022 年为例（如图1B 所示），煤炭占比可达46.1%［4］。如图1C所示针对全世界一次能源消费结构的变化趋势，U.S.Energy Information Administration预测2050 年煤炭会成为一次能源消费结构中占比为19.94%的能源［5］。即使到2050年，煤炭依旧是一次能源消费结构的重要组成部分。在能源需求发展的大背景下，中国有望在“十四五”时期末实现煤炭资源需求接近峰值，但占比最多下降8%，仍占能源结构的四分之一［4］。

图1 一次能源消费结构统计[1,4-5]

煤炭工业的发展研究需要总结出煤炭开采技术发展的历史规律。回顾世界煤炭发展的历史，不难得出这样的结论：煤炭产量主要与采煤技术有关，每一次采煤技术的变革都必然导致煤炭产量的急剧增加。伴随人类社会对煤炭依赖度的不断增加，开采工法不断革新，其发展历程如图2所示［6-7］。18 世纪以前，全世界煤矿的开采方式是房柱式开采，房柱式开采无法满足发展需求，因此，1706年英国什罗普郡便采用传统的长壁开采法（121工法，如图2A 所示），提高煤炭资源回收率［8-9］。长壁开采121 工法顾名思义，其需要在回采之前保留1 个煤柱和提前掘进2 条巷道［6］。该工法虽然增加了工作面的产量，但随之而来的是大量煤柱资源的浪费以及采掘接续紧张等问题［10］。以延安地区为例，其煤炭资源具有蕴藏丰富和品种优良的特点，其开采行业自抗战时期至今一直受党和政府高度重视［11］。煤炭能源化工作为地方经济发展的龙头产业，延安煤炭产业的高产高效发展对于城市的发展有着关键作用［12-14］。延安作为煤炭资源型城市，其资源开采条件简单，储量丰富（已探明56.15 亿t），其中子长、黄陵矿区为优质动力煤与气化用煤［15-16］。延安地区大多数煤矿都在使用着18 世纪初英国发明的长壁开采121 工法［6-7］。随着煤炭开采深度与强度的增加，传统工艺俞发无法满足技术对于高产、高效、安全和环保的需求［10，17］。面对传统开采所带来的问题，无煤柱开采技术在现场试验逐渐成了煤炭科学研究的热点。最早的无煤柱开采技术主要为起源于1937 年苏联的传统沿空留巷工艺（111 工法，见图2B），111 工法巷道一侧为煤柱，另一侧为高支撑力和强度的充填墙体作为支撑载体［6］。随着煤炭科技的发展，无煤柱开采技术在不断发展，截至目前无煤柱开采工艺有沿空留巷技术以及无煤柱自成巷工法等。

面对111 工法尚未优化采场覆岩结构，沿空巷道承载压力较大等问题是该工法自身必然存在的问题。从根源上解决此类问题，必然要从工法入手，需要一套创新性开采工艺［18］。中国虽然为世界上产煤大国之一，也是最早开始采煤的国家之一，但使用的采煤工艺均为国外科技发展的结果。为解决这些问题，国内众多科研工作者做了大量研究。直至2009年，中国才有了自主研发的煤炭开采技术——无煤柱自成巷110/N00 工法［6-7，18］。面对此类问题，本项目组于2009 年研发了无煤柱开采110工法（见图2C），利用矿压自动成巷，取消工作面保护煤柱以及一半巷道掘进［6］。无煤柱自成巷1G N00 工法（见图2D）是本项目组于2016 年提出并于次年在陕西柠条塔矿完成了现场试验［10］，其在110工法的成功试验的基础上，利用改变传统采煤关键技术和配套装备，实现了工作面单侧采留一体化，从而实现回采面取消巷道掘进和保护煤柱留设［17］。在1G N00 工法成功试验基础上，本项目组于2018 年研发了2G N00 工法（见图2E）［6］，该工法实现了工作面双侧自动成巷，取消了局部通风；取消采区内100%顺槽巷道掘进；取消了采区煤柱；采出率可以提高15%~25%，利用平衡开采原理，实现地表环境不破坏。3G N00 矿井（见图2F）为本项目组于2019 年在2G N00 工法的基础上所提出的一个全新的建井概念，其大幅度简化矿井系统，取消大巷、井下变电所、井底车场工程，减少建井周期，实现了全矿井范围无煤柱开采、无巷道掘进，使井田范围内煤炭资源的采出率从不足一半直接提高至理论意义中的全部采出。3G N00 矿井的实施意味着掘进工种的消失，掘进事故的消失，可以挽救成千上万煤矿工人的生命。

图2 煤炭开采工法发展历程[6-7]

取消保护煤柱保留沿空巷道的确可以回收大量被遗弃的煤炭资源以及解决采掘接续紧张的问题。一项成熟的工艺不仅仅体现在现场推广应用过程中，还应体现在科学研究领域内是否成了研究热点问题。针对无煤柱开采技术相关文献的系统评论可以得出无煤柱开采领域内的研究热点。为了分析CNKI数据库中自1993年至2021年所有关于无煤柱开采技术的核心期刊与EI，利用Citespace 实现文献的研究领域可视化分析以及系统科学计量评价［19-20］。如图3A所示（见封二），从文献作者分析可以得出，自何满潮院士2009 年研发无煤柱自成巷110工法，2016年研发N00工法以后，无煤柱开采相关论文的作者主要以何满潮院士团队为主，进而可以得出无煤柱开采相关文献主要以无煤柱自成巷110/N00工法为主。并且随着时间的推移，无煤柱自成巷110/N00工法相关论文越来越多，几乎一半以上的无煤柱开采文献均与110/N00工法相关。由知网文献可视化分析结果可以得出，国内研究热点由传统沿空留巷技术逐渐变为110/N00工法。为了增加无煤柱开采技术文献分析的合理性，分析了Web of Science 数据库中自1998年至2021年所有关于主题包含“non coal pillar mining/nonpillar-mining/gob-side entry”的359篇SCI论文［21］。如图3B 所示（见封二），无煤柱开采技术的Log-Likelihood Ratio 聚类分析结果表明，21.5%的SCI论文主题关于“roof cutting”，并且主要集中在2013年至今。无煤柱自成巷110/N00工法便是以“roof cutting”为核心技术的无煤柱开采技术。如图3C所示（见封二），以被引作者作为分析条件，分析结果表明，何满潮院士关于无煤柱自成巷110 工法的论文在引用量上逐渐成了热点，其2017 年所写关于论文引用量截止2021 年底便超过40次。因此，无煤柱自成巷110/N00工法的兴起，掀起了世界煤炭技术发展的第三次革命［6-7，18，22］。

总结国内外研究成果，无煤柱自成巷110/N00工法是第三次矿业技术革命的标志，具有突出的技术、经济和安全优势。新泰N00 工法试验工程的矿井设计采用3G N00 矿井开采布局以及工作面回采工艺采用2G N00工法，此类试验项目截至目前国内外尚属首例。为此，本文以延安市延川新泰煤矿N00 矿井为工程背景，从基础理论、关键设计、科学实践3个方面介绍了国内外首例3G N00矿井工业化试验。建设国内外首例3G N00矿井示范工程，落实高科技精准帮扶，促进革命老区地方经济发展，实现中国煤矿安全、高效、节约、绿色开采的巨大进步。

1 3G N00矿井基础理论

1.1 N00工法平衡开采理论

地下矿山开采诱发应力分布主要与采空区上顶板层结构相关。煤炭回采过后采空区顶板岩层在空间上发生改变，具体表现为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，并伴随着地表下沉［24］。将采矿三带所带来的损伤用K1、K2和K3表示［6］。其中，K1为地表沉降损伤变量，K2为裂隙损伤变量，K3为矸石碎胀损伤变量。对于采矿工程来说，采矿活动在三带中产生的损伤变量虽然是千变万化的，但是始终满足采矿损伤不变量方程：

式中，∆VS为地表沉降体积；∆Vm为采矿体积；∆VC为裂隙带中的裂隙体积；∆VB为顶板垮落岩体的碎胀体积。

不同采矿工法所得出的开采模型不同（见图4）。对于传统121 工法而言，由于顶板垮落岩体的碎胀体积∆VB不足以补偿采矿体积∆Vm。为保证损伤不变量方程的成立，需要出现裂隙带中的较大的裂隙体积∆VC与地表沉降体积∆VS来补偿剩余的采矿体积。因此，传统121 工法所带来岩层和地表的损伤是不可避免的。反观110/N00 工法，由于顶板切缝实现了采空区内顶板崩塌形成了矸石的碎胀充填，其中矸石碎胀量几乎等于采矿量。依据损伤不变量方程的要求，裂隙带中的裂隙体积∆VC与地表沉降体积∆VS可以接近于0。裂隙带之上不会出现弯曲下沉带，只会出现缓沉带。

图4 采矿工程开采模型[6]

相比较传统121工法，110/N00工法所表现出的采矿量与矸石碎胀量之间的平衡关系。由于矸石具有自承载作用力，随着矸石被不断压缩，自承载作用力不断增加［10］。N00工法实现的采空区双侧均有顶板切缝，在此作用下矸石碎胀充满采空区的现象更为明显。由此剖析可以得出，3G N00矿井工作面采空区顶板存在应力平衡分布特征。

1.2 “切顶短臂梁”应力补偿特征

在110/N00 工法中，定向切缝技术在切断顶板应力传递路径的同时将煤层顶板分为2 个部分［22］。其一在NPR 锚索的支护下得以保留，形成“切顶短臂梁”结构并作为自成巷的顶板；其二则受矿山压力与自身重力的作用破碎形成矸石，并碎胀充填采空区，支撑采空区顶板（基本顶）。切顶短臂梁结构如图5所示［22，25］。

图5 “切顶短臂梁”结构[22,25]

本文利用库伦强度准则［26］来分析煤层开采诱导“切顶短臂梁”结构的应力状态（见图6）。假设将采场周边煤岩体进行简化，其应力分布问题作为平面问题进行分析，其中待切顶板在回采之前处于初始状态，最大主应力方向为水平方向，平均水平应力普遍大于竖直应力，其中大部分情况下比值小于1.5［24］。开采诱导采场覆岩应力重新分布，其应力集中系数可以达到2~5［24］。该情况下最大主应力方向变为竖直方向，最小主应力方向变为水平方向。顶板切缝使得待切顶板形成了“切顶短臂梁”结构，“切顶短臂梁”所受的水平方向作用力此时假设由σ3减小至σ3（*）。与此同时，煤层开挖导致“切顶短臂梁”结构饱受开采扰动影响。该开采扰动状态导致整个地下采场垂直方向应力集中，当现场工程所处高应力环境时，普通锚索无法提供较高预应力时，此时“切顶短臂梁”结构所受垂直方向的应力增加至σ1（*）或者更大。该状态中应力圆的半径增大，当应力圆的点超出了抗剪强度曲线时，“切顶短臂梁”结构达到自身强度极限，进而发生破坏。面对该问题，何满潮院士提出“应力补偿”的概念，利用NPR 锚索独有恒阻高预应力的特征，对“切顶短臂梁”结构反向补偿应力。在其他方向应力不变的情况下，使“切顶短臂梁”在垂直方向所受的作用力相对变小，假设为σ1（**）或者更小。“切顶短臂梁”在由开采扰动状态变为应力补偿状态。应力补偿状态中应力圆的半径比开采扰动状态（安装普通锚索）小，应力圆的所有点均未超出了抗剪强度曲线的概率比开采扰动状态（安装普通锚索）高。因此，“切顶短臂梁”结构安装NPR锚索时的稳定性高。

图6 “切顶短臂梁”结构应力状态演变特征

“切顶短臂梁”能以应力补偿特征为应力分布的最后一个状态，主要依赖NPR 锚索恒阻高预应力特征。巷道在服务期内经历顶板变形诱发冲击荷载影响，传统锚索在成巷过程中极易达到极限拉伸荷载，支护一旦失效便会诱发“切顶短臂梁”无法实现应力补偿，巷道围岩结构即刻出现失稳现象［27］。NPR 锚索不同于传统锚索，其具有高恒阻、大变形、可吸能特性，进而实现恒阻高预应力特征［28］。室内静力学实验可以实现模拟“切顶短臂梁”变形过程对NPR 锚索所产生的持久拉伸作用［28］，所以该特征便可以通过室内拉伸实验数据来表明。

实验选取6 根NPR 锚索做室内拉伸实验，NPR锚索拉伸实验数据变化趋势与锚固作用对应关系如图7 所示。依据拉伸实验数据的变化趋势，大致可以分为3个阶段（阶段Ⅰ、阶段Ⅱ和阶段Ⅲ），并且这3 个阶段都可对应NPR 锚索对“切顶短臂梁”支护作用中的3个阶段。其中拉伸实验初始阶段Ⅰ对应NPR 锚索支护作用中的初始阶段。阶段Ⅱ则对应着“切顶短臂梁”变形过程中NPR 锚索的实现恒阻阶段，其中NPR 锚索中钢绞线与恒阻器的相对位移在78.88~99.47 mm 范围内，锚索所受拉力在338.39~366.32 kN 范围内。该阶段NPR 锚索实现了恒阻的概念，在此之后锚索所能承受的拉力值均在该阶段工作阻力上下浮动。阶段Ⅲ表明了NPR 锚索在忍受“切顶短臂梁”大变形过程中保证支护阻力恒定，其中NPR 锚索在所承受的应力与阶段Ⅱ中最大应力差值较小（平均差值在43.02~70.06 kN 范围内），钢绞线与恒阻器的极限相对位移在398.79~435.11 mm 范围内。该阶段NPR 锚索对“切顶短臂梁”结构实现了吸能让压、高恒阻、大变形支护。其最大支护阻力可以达到370.06 kN，其极限变形范围在398.79~435.11 mm内。

“切顶短臂梁”模型不同于传统开采工艺中的巷道顶板模型，其通过NPR 锚索高强支护力实现了“切顶短臂梁”结构变化所需的应力。“切顶短臂梁”应力分布特征从结构变形到稳定的全过程中表现出应力补偿的特征。因此，分析结果表明，“切顶短臂梁”结构应力补偿特征意味着巷道所需承载的应力弱化。

图7 NPR锚索拉伸数据变化趋势与支护作用对应关系

2 3G N00矿井关键设计

2.1 3G N00矿井开采设计

3G N00 矿井开采设计如图8 所示，全矿井无需提前布置大巷工程，首采面所留巷道为整个矿井的大巷。生产系统大大简化，运输路线中煤炭由工作面经刮板输送机运往运输顺槽皮带输送机，经过胶带运输巷到达煤仓，最后经斜井运输到地面；井下所需材料经副立井的副井联络巷、轨道运输巷/监测硐室、运输巷/回风巷，最后到达工作面；行人经由主斜井经过石门（行人通道）、回风巷到达工作面或轨道运输巷至运输巷最后到达工作面。3G N00矿井供电系统设计设计将井下高压配电室设置在地面变电所内，下井电缆由主斜井井筒敷设至井下采煤工作面及井底配电硐室（监测硐室和副井联络巷等）。3G N00 矿井通风系统设计中主斜井和副立井进风，回风立井回风。其中从副立井开始的进回风路线为副立井到轨道运输巷、运输巷、工作面、回风巷、回风石门、回风立井；从主斜井开始的进回风路线为主斜井到胶带运输巷、运输巷、工作面、回风巷、回风石门、回风立井。其余排水系统、防灭火系统、监测监控系统等均利用少量巷道或者自成巷布置。3G N00矿井首采工作面为N00 5101 工作面，其平均埋深为60 m，工作面长度为240 m，走向长度为1 000 m。

图8 3G N00矿井开采设计

3G N00矿井作为一种创新的建井模式，以简单的生产系统为基础，实现了全矿井开拓布局新模式，简化井底车场工程、大巷工程、井下水泵房与变电所工程。如表1所示，相比较传统矿井设计，矿井掘进工程减少80%以上，缩短建井工期19个月；大幅减少巷道保护煤柱，使全矿井采出率提高至80%以上。

表1 3G N00矿井与传统采煤工艺设计参数比较

2.2 3G N00矿井工作面关键工艺与装备体系

相比无煤柱自成巷1G N00工法工作面开采单侧留巷，在110工法与1G N00工法成功实施的基础上，笔者于2018年提出了2G N00工法关键技术［6］。3G N00矿井工作面主要采用2G N00关键工艺与装备体系。

2G N00 工法关键技术可以实现全盘（采）区无煤柱留设与无巷道掘进，其大致分为两部分工艺，如图9所示，工艺Ⅰ（工作面位置）与工艺Ⅱ（巷道位置）。其中工艺Ⅰ主要分为首先“采”、然后“支”、最后“切”3个工序。“采”工序跟传统采煤略有区别，除了正常割煤、推溜、移架等工序外，还增加了工作面双侧端头割巷、扒装端头位置的矿石、并将矿石转运至刮板机和皮带机工序。“支”工序则为顶板自动铺网、顶板NPR 恒阻大变形锚索/杆支护、实体煤帮锚杆。“切”工序为顶板切缝钻孔安装与顶板定向切缝。工艺Ⅰ目的是形成巷道空间，其所有工序均在一个割煤循环内完成。工艺Ⅰ完成之后便开始工艺Ⅱ。工艺Ⅱ分为首先“护”和最后“封”2 个工序。“护”工序为碎石帮铺设高强挡矸金属网、门式护巷支架（临时支护）、U 型钢挡矸支护。等待巷道围岩结构基本稳定之后，开始“封”工序。“封”工序为高分子挡风材料喷浆封闭采空区。

相比无煤柱自成巷110 工法1G N00 工法工作面开采单侧留巷，2G N00工法在装备系统方面进一步升级，实现工作面两侧留巷，从而达到整个盘区的无煤柱开采和无巷道掘进。截至目前，2G N00工法装备系统只研发两套，如图9 所示，其一为2G N00 工法采挖成巷装备系统，其二为2G N00 工法采锚切一体化装备系统。两个装备系统在巷道装备系统中均采用门式支架作为巷内临时支护装备，二者的区别主要在工作面装备方面。

2G N00 工法采挖成巷装备系统是在传统长壁开采工作面装备系统的基础上改装了2个钩机开挖装置。其中运输巷的钩机采挖装置（机头）采用一主两副液压支架搭配钩机代替端头支架，回风巷的钩机采挖装置（机尾）则在端头支架下方刮板机机尾处安装钩机。将巷道成型之后所产生的矿渣装运至刮板机和运输机。该装置随着工作面的推进及时前移，严格控制空顶范围，并在该装置的掩护下完成支护工艺。

2G N00 工法采锚切一体化装备系统在传统长壁开采工作面装备系统的基础上利用采锚切一体化装置取代了端头支架。采锚切一体化装置主要由前端截割结构（形成巷道空间）、装煤结构（装运矿渣至刮板运输机）、锚杆（索）安装结构（可伸缩钻机及时支护顶板和两帮）、切缝结构（切缝钻机密集钻孔实现顶板预裂切缝）、支护结构（为各个工序提供足够作业空间）和行走结构（实现系统整体自行前移）构成。采锚切一体化装备系统长度不超过6 m，在实现端头成巷、钻孔与支护的同时，满足安全通风要求。

图9 2G N00工法关键工艺与装备系统

本项目组将延安市延川县新泰煤矿5101 工作面选为国内外首例3G N00 矿井试验首采工作面，其工业化试验关键工艺不变，但是装备系统的试验过程大致可以分为2 个阶段。其中第1 个阶段装备以2G N00 工法采挖成巷装备系统为核心；第2 个阶段装备以2G N00 工法采锚切一体化装备系统为核心。

2.3 3G N00矿井留巷参数设计

试验工作面开采煤层为5 号煤，其特点为近水平、埋藏浅（平均40 m）、薄煤层（平均厚度为1.2 m）、煤层赋存稳定。试验工作面两侧巷道参数关键技术参数与岩层特征相同（见图10）。运输平巷宽度为4.6 m，高度为2.6 m，回风平巷宽度为4.6 m，高度为2.2 m。顶板切缝长度为5 m，角度为15 °。支护参数如图10 所示，顶板支护材料采用NPR 锚 索（φ21.6 mm × 6.5 m）与 螺 纹 钢 锚 杆（φ20 mm × 2 m）。锚索间排距为1.6 m × 0.8 m，顶板锚杆间排距为1.6 m × 0.8 m，N00 运输巷实体帮锚杆排距为0.8 m，间距分别为1.0 m 和0.8 m，N00回风巷实体帮锚杆间排距为0.8 m×0.8 m。临时支护采用2G N00工法配套门式支架，支架设计排距为0.8 m，工作阻力为1 800 kN。挡矸支护则采用2G N00工法“可伸缩U型钢+门式液压支架+金属网”串联式非对称挡矸支护模式，挡矸支护设计排距为0.8 m。岩层特征方面，5 号煤层顶板岩层多为厚层状。其中直接顶为1.5 m 的砂质泥岩，基本顶为7 m的中粒砂岩。

图10 试验工作面留巷关键技术参数与岩层特征

3 3G N00矿井科学实践

3.1 现场试验效果

2020 年6 月1 日设备到矿，2020 年7 月13 日设备开始安装，2020 年9 月5 日N00 工作面开始试生产。截 至2021 年11 月4 日，3G N00 矿井首采工 作面成功留巷161.38 m。回风巷与运输巷留巷情况如图11所示，巷道轮廓完整。

图11 留巷效果

理论分析结果表明N00 工作面采空区顶板出现应力平衡特征“切顶短臂梁”结构出现应力补偿特征，可以得出开采诱导顶板应力分布出现两端应力较低，中间应力均衡的特征。为验证理论分析的可靠性，本文开展现场矿压监测研究。以回风巷的钩机开挖装置（机头）为1#测点，沿着工作面间隔5 个支架布置1 个矿压测点，直至运输巷的钩机开挖装置（机尾）。测点总计23个，其中设备质量问题导致15#测点数据出错，本文不做分析该测点数据。笔者以2021 年5 月20 日至9 月25 日 为数据采集 时间。为了便于分析，每个测点每天选取1个数据（12点钟数据）作为研究目标。为了进一步分析矿压分布特征，引入聚类分析中的k-means 法对矿压数据进行分类。以工作面支架矿压数据为分析实例，确定每组样本的聚类中心，计算样本点与聚类中心的距离，实现对支架矿压数据的分类。

图12 试验工作面矿压分布特征

如图12所示，统计支护矿压数据的聚类中心和聚类个数。工作面靠近留巷一侧的1#~3#测点以及22#~23#测点压力值普遍较低（聚类中心的值均少于25 MPa）。这2个部分区域为低压区域，1#~3#测点低压区域为低压区域J，22#~23#测点低压区域为低压区域N。其中，低压区域中处于巷道中的1#测点与23#测点聚类中心的值均少于13 MPa，远小于其余测点中聚类中心的最大值39.72 MPa。低压区域J比低压区域N 多1 组数据，但与3#测点相对应的21#测点中77%的数据所处的聚类中心的值不高（小于30 MPa），该类现象可能由于该区域矸石垮落不及时所造成的。工作面其余区域为类均压区域，具体表现为矿压分布特征基本相似，4#~21#测点中76.5%的测点存在一个高聚类中心（大于30 MPa），该聚类中心的个数与总数的平均占比为42.3%。综合研究表明N00 工法开采诱导顶板矿压分布特征为两侧“类弱压”中间“类均压”。不同于传统121 工艺中采场应力出现越靠近工作面中部压力越大的现象［29-30］。N00工法开采诱导顶板两侧“类弱压”意味着巷道一侧压力较小，表明了N00 工法的切顶卸压特征，N00工法开采诱导顶板中间“类均压”意味着采空区除巷道一侧整个矿压分布较为均衡，间接证明了N00 工法采场覆岩结构存在应力平衡开采特征。

现场矿压数据中低压区域位于“切顶短臂梁”结构以及相邻位置，该区域的出现可以证明“切顶短臂梁”结构此刻承受垂直方向应力较小（符合应力补偿状态）。类均压区域主要位于采空区，该区域的出现证实了N00 工作面采空区顶板区域出现应力平衡现象。综合研究表明N00 工法开采诱导顶板应力分布特征为两侧“类弱压”中间“类均压”。此类现象证实了3G N00 矿井工作面存在平衡开采特征，以及弱化后的采场矿压特征极易保证试验工作面的安全开采。

3.2 现场试验经济效益

若矿井全部采用3G N00矿井，可实现整个矿井无巷道掘进、无煤柱留设的目标。在经济上，3G N00 矿井取消了巷道掘进，经济效益和安全效益均得到显著提升，而且煤炭采出率也从之前的50%提高到理论上可全部采出，这是历史性的变革，对企业和社会来说都是革命性的进步。针对新泰煤矿，设计对3G N00 矿井与传统采煤工艺进行了简要的经济比较，比较结果见表2。

表2 3G N00矿井与传统采煤工艺的经济比较

由表2 可知，采用3G N00 矿井虽然装备投入增加了4 545 万元，但可以提高矿井35%的采出率，增加采出量312 万t，增加经济效益15.6 亿元（煤炭估算价格为500元/t），减少建井巷道掘进投资6 309万元，投产后减少巷道掘进成本45 511 万元。显而易见，采用3G N00 矿井开采仍可增加经济效益11.048 9亿元。

4 结论

1）3G N00 矿井全面革新了传统煤炭开采基础理论。N00工作面利用切顶形成矸石的碎胀体积替代开采损伤，结合矸石对采空区顶板的承载作用使其出现应力平衡分布特征。NPR 锚索具有的高强支护力使得“切顶短臂梁”应力分布特征从结构变形到稳定的全过程中表现出应力补偿的特征，意味着巷道所需承载的应力弱化。

2）3G N00 矿井全面革新了传统煤矿开采模式。其以简单的生产系统为基础，简化井巷工程，矿井掘进工程减少80%以上，缩短建井工期19 个月，减少巷道保护煤柱可使全矿井采出率提高至80%以上。N00工作面采用双侧采留一体化关键工艺与装备体系，实现全盘（采）区无煤柱留设和无巷道掘进。

3）3G N00 矿井首采面成功留巷161.38 m，巷道轮廓完整。工作面矿压分布特征出现低压区和类均压区域。3G N00 矿井通过最大限度增加煤炭开采率，实现了显著的经济效益（11.048 9亿元）。

4）3G N00矿井理论可靠、技术先进、设计可行，为今后无煤柱开采技术的应用与推广以及我国煤炭技术的发展奠定了科学基础。