第1章长壁采煤工法发展概述
1.1采矿工法的发展演化
煤炭是我国的支柱能源，在一次能源生产和消费结构中长期占50%以上。长期以来，采煤工艺经历了手工采煤、爆破采煤、普通机械化采煤和综合机械化采煤等几大发展阶段，采煤工艺和采掘设备的不断升级改进，推动了整个煤炭工业向前发展。现阶段，煤炭井工开采主要分为柱式和壁式两大开采体系，我国形成了以井工长壁开采为主的开采体系[1]。长壁采煤法是以工作面的开采长度为主要标志，一般来说，长度在50m以上的采煤工作面称为长壁工作面。长壁采煤技术*早出现于19世纪中叶的欧洲。初期的长壁工作面是使用坑木支护并且人工将煤装入小型矿车上，而后采用了人工掏底槽与爆破相结合的方法，同时工作面运输也使用了有轨矿车。据文献记载，20世纪50年代以前，中国煤矿主要采用残柱式和高落式采煤方法，巷道掘进量大，产煤量少，通风条件恶劣，生产安全问题突出，资源损失严重。到20世纪50年代以后，中国大部分煤矿开始采用长壁采煤法，同时制定了各项安全生产措施，极大地促进了中国采煤技术的进步和发展[2]。
根据回采工作面与区段煤柱、巷道掘进量的数量关系，将长壁开采体系分为121工法、111工法、110工法和N00工法，如图1-1所示。长壁开采121工法，即每回采“1”个工作面，需提前掘进“2”条工作面回采巷道，并留设“1”个区段煤柱。121工法的典型特征是采用煤柱隔离采空区，煤柱的留设一方面造成资源浪费，另一方面致使覆岩不均衡沉降，造成沿空巷道围岩应力集中。为了解决资源浪费问题，1937年苏联提出采用充填材料沿采空区边缘维护原回采巷道，即回采“1”个工作面，只需掘进“1”条工作面回采巷道，留设“1”个充填体岩柱，因此可称为111工法。111工法即充填沿空留巷开采方法，有效解决了资源浪费问题，减少了巷道掘进率，但未彻底改变顶板间的传力结构，属于“无煤有柱”的开采方式，充填体易成为应力集中区，充填作业与工作面开采间的协调是制约高效开采的重要因素。
图1-1长壁开采工法示意图
基于无煤柱自成巷关键技术，2009年笔者研究团队提出了110工法，即回采“1”个工作面只需掘进“1”条工作面回采巷道(另一个巷道自动形成)，留设“0”个煤柱。在110工法的基础上，2016年又提出了N00工法，即开采全新盘区的“N”个工作面，需掘进“0”条巷道，留设“0”个区段煤柱，实现了无须掘进巷道和无须留设煤柱的重大升级和突破。110工法把采煤与掘进两套工序初步统一起来，使每个采煤工作面少掘进一条回采巷道，实现了无煤柱开采。N00工法在110工法的基础上，把采煤与掘进两套工序彻底统一起来，由掘进一条回采巷道变为不需要掘进回采巷道。
1.2长壁开采121工法
20世纪60～70年代，钱鸣高院士提出“砌体梁”理论，*次完整论述了采场上覆岩层压力传递和平衡方法，通过留设区段大煤柱平衡顶板压力，形成了长壁开采121大煤柱开采体系(简称121大煤柱工法)，即回采一个工作面，需掘进两条顺槽巷道，留设一个区段煤柱的常规长壁开采技术体系。此工法为目前我国长壁开采应用*广泛的开采体系，为我国矿业科学技术发展做出了重要贡献[3]，如图1-2(a)所示。
20世纪70～80年代，宋振骐院士提出“传递岩梁”理论，进一步解释了采场上覆岩层压力传递路径，分析了高应力区矿压的分布规律，发现了区内存在内外应力场，提出了在内应力场内掘巷，留设小煤柱[如图1-2(b)所示]的思路，形成了长壁开采小煤柱开采体系(简称121小煤柱工法)，进一步推进了长壁开采技术的发展，为提高煤炭回收率做出了重要贡献。
图1-2长壁开采121工法示意图
1.2.1长壁开采121(大煤柱)工法
1962年，钱鸣高院士提出了“采场上覆岩层围岩运动力学关系”的思路，并于1979年在大屯矿区孔庄矿现场测试中得到了验证，1981年提出“砌体梁”平衡理论，并于同年8月21日在我国“**届煤矿采场矿压理论与实践讨论会”上做报告，受到普遍认同[4]。1982年在英国纽卡斯尔大学的“国际岩层力学讨论会”上宣读了“岩壁开采上覆岩层活动规律及其在岩层控制中的应用”论文，把“砌体梁”理论推向国际。
“砌体梁”理论认为，随着回采工作面推进，顶板岩梁将会周期性折断，断裂后的岩块由于排列整齐，在发生回转时相互挤压，由于岩块间的水平力及相互间的摩擦力作用，形成梁式砌体结构，其结构模型和力学模型如图1-3和图1-4所示。
在此基础上，提出了支护强度和顶板下沉量的计算方法，并推导了相应的计算公式，分别如式(1-1)、式(1-2)所示：
(1-1)
式中：为支护强度，MPa；为直接顶总厚度，m；为岩层容重，kN/m3；为控顶距，m；为常数系数；为支护结构的横向影响长度，为直接顶的厚度，m；为上覆岩层均布载荷，N/m；为岩块间的内摩擦角，为岩块回转倾斜角，分别为处于悬露状态岩块的破断长度(m)、厚度(m)、下沉量(m)、质量(kg)。
(1-2)
式中：为顶板下沉量，m；为直接顶悬露岩块的长度，m；为采高，m；为岩层破断后的松散系数。
图1-3“砌体梁”理论结构模型
α为岩层破断角
图1-4“砌体梁”理论力学模型
钱鸣高院士*次完整论述了采空区上覆压力传递和平衡方法，把“大煤柱-工作面支架-采空区矸石”视为顶板压力承载体，通过留设区段大煤柱平衡顶板压力(图1-5)，形成了长壁开采121开采体系，为我国采矿科学技术发展奠定了基础。
图1-5长壁开采121(大煤柱)工法顶板岩层移动与受力示意图
1.2.2长壁开采121(小煤柱)工法
1979年，宋振骐院士依据开滦赵各庄矿覆岩钻孔观测资料，*次论述了“传递岩梁”的基本属性，1981年在美国摩根敦召开的“**届国际岩层控制大会”上进行了大会报告，并于1981年8月21日在我国“**届煤矿采场矿压理论与实践讨论会”上做报告，得到了专家的普遍认可，1982年在《山东矿业学院学报》发表了关于“采场支承压力的显现规律及其应用”的文章，标志着“传递岩梁”理论的正式形成。
“传递岩梁”理论认为，随着回采工作面的推进，基本顶发生周期性断裂，并形成一端由工作面前方煤体支承，另一端由采空区矸石支承的岩梁结构，其始终在推进方向上保持传递力的联系，即把顶板作用力传递到前方煤体或后方采空区矸石上，此基本顶结构称为“传递岩梁”，其结构模型和力学模型如图1-6和图1-7所示。
图1-6“传递岩梁”理论结构模型
A为**层传递岩梁；B为第二层传递岩梁；m1、m2、m3、m4为各传递岩梁的厚度，m；S为支承压力影响区；S1为破裂区；S2为塑性区；S3为弹性区；L1、L2、L3、L4、 、Ln为各传递岩梁的悬跨度，mmE为基本顶厚度，m；mZ为直接顶厚度，m；ci、ci–1为各岩梁传递至该处岩重的比例关系，简称传递系数，%/m；q为岩梁的载荷；θ为岩梁的偏转角度。
“传递岩梁”理论强调顶板运动状态对所需支护强度的影响，以及变形运动状态对煤体应力分布及采场支护结构的影响。该理论进一步解释了采场上覆岩层压力传递路径，分析了高应力区内存在内外应力场，提出了在应力较低的内应力场内掘进顺槽巷道，并留设小煤柱护巷(图1-8)，大大减小了巷道压力。该理论提出了顶板控制设计方法，即通过位态方程确定顶板支护强度，如式(1-3)所示。“传递岩梁”理论与实际紧密结合，为提高煤炭回收率做出了重要贡献。
图1-7“传递岩梁”理论力学模型
(1-3)
式中：为支护强度，MPa；为直接顶作用力，N；为岩石弹性模量，GPa；为岩石容量，kN/m3；c为岩石内聚力；为岩梁的有效跨度，m；为控顶末排顶板*大下沉量，m；为要控制的顶板下沉量，m；为岩石质量分配系数。
图1-8长壁开采121(小煤柱)工法顶板岩层移动与受力示意图
1.3长壁开采110工法
为解决长壁开采体系存在的“安全、开采成本和煤炭回收率”三大瓶颈和突出问题，2008年何满潮院士提出了“切顶短臂梁”理论进而提出长壁开采110工法，即回采“1”个工作面只需掘进“1”个工作面顺槽(另一个顺槽自动形成)，留设“0”个煤柱，其采场巷道布置如图1-9所示。长壁开采110工法将传统的长壁开采由“一面两巷”采掘模式改变为“一面一巷”模式，利用切落岩体作为巷帮，无须重新采掘巷道或充填高强材料支护巷道。该工法造价低廉，操作简单，并且通过切顶使巷道顶板与采空区顶板分离，切断了两者之间的应力传播途径，使其具有*立变形特征，从而使巷道附近围岩中的集中应力向煤体深处转移，使巷道处于卸压区，从而有效保证巷道稳定。
图1-9长壁开采110工法巷道布置图
长壁开采110工法利用聚能爆破和矿山压力，在采空区侧定向切顶，切断部分顶板的矿山压力传递，利用高预应力NPR锚索对巷道顶板进行控制，保证采动影响区沿空巷道的围岩稳定，利用顶板岩层压力，以及利用顶板部分岩体，实现自成巷和无煤柱开采，消除或减少事故灾害的发生。长壁开采110工法于2010年在四川省煤炭产业集团有限责任公司(以下简称川煤集团)白皎煤矿2442工作面*次成功应用，开始了我国第三次矿业技术变革探索，成巷断面如图1-10所示。
图1-10长壁开采110工法成巷断面
长壁开采110工法是一种先进的无煤柱开采方式，其特殊之处在于无须使用人工充填材料，进一步取消了常规沿空留巷中的充填岩柱，只需对顶板进行卸压降顶，利用矿山压力和岩体的碎胀特性即可实现无煤柱开采。长壁开采110工法在提高煤炭回收率、减少巷道掘进率及提高作业安全性等方面有显著技术优势，是科学采矿的重要发展方向和技术支撑。为说明110工法的特点，将长壁开采121工法、111工法与110工法各自的主要特点列于表1-1中。由表1-1中各种采煤方法的特点可以看出，相比于其他开采方法，长壁开采110工法在安全性与经济效益方面均具有突出的优势。
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