《International Journal of Mining Science and Technology》：Stability analysis of surrounding rock in novel mining-induced self-forming roadway without advance tunnelling
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本研究针对传统长壁开采留设煤柱造成资源浪费和巷道掘进成本高昂的问题，聚焦于中国自主研发的无预掘巷采动自成巷道（MSRWAT）新技术，即“N00工法”。研究人员通过数值模拟和现场试验，系统分析了MSRWAT巷道独特的形成机理和稳定性。结果显示，得益于在采煤过程中同步形成巷道、规避了工作面前方支承压力的影响，MSRWAT巷道顶底板平均收敛比切顶卸压沿空留巷（GERBRC）巷道降低了11.34%；其独特的弧形巷道侧帮优化了围岩应力分布，将破坏深度减少了5%至40%。现场监测进一步证实，MSRWAT巷道围岩变形量比GERBRC巷道减少了73.67%。此项研究证实了MSRWAT巷道具有优越的稳定性，为煤矿井下无煤柱开采技术的推广提供了理论与工程实践指导。
在深埋地下的煤矿开采中，如何安全、高效地获取煤炭资源，同时尽可能减少资源浪费，是一个长期困扰工程师们的难题。传统的长壁开采法，每布置一个工作面就需要提前掘进两条巷道，并且必须留设一个保护性的区段煤柱，这种方法被称为“121工法”。它带来的问题是显而易见的：宝贵的煤炭资源被永久地封存在煤柱中无法回收，同时，挖掘巷道本身也是一项耗资巨大且充满安全风险的工程活动。为此，采矿专家们一直在探索“无煤柱开采”技术。然而，现有的一些无煤柱技术，如沿空留巷（GERBRC，或称“110工法”），虽然取消了煤柱，但巷道仍需提前掘进，并且在缺乏煤柱保护的情况下，围岩稳定性控制面临严峻挑战。
有没有一种方法，既能彻底回收煤柱，又能连巷道也无需提前挖掘呢？2018年，一种源自中国、被称为“无预掘巷采动自成巷道（Mining-induced Self-forming Roadway Without Advance Tunnelling, MSRWAT）”的开采方法应运而生，它也被形象地称为“N00工法”。这项技术的核心思想堪称“化害为利”，它巧妙地利用采煤过程中产生的矿山压力，让采煤机在割煤的同时，“顺便”在预定位置“雕刻”出下一个工作面所需的巷道，实现了“零提前掘巷、零保护煤柱”的革命性构想。这听起来很美好，但一个自然而然的问题随之而来：这种在动态采动过程中“即时形成”的巷道，其围岩稳定性究竟如何？它与传统的矩形巷道以及需要提前掘进的“110工法”巷道相比，在力学行为和破坏机理上有何本质区别？为了解答这些问题，来自中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的杨刚、左建平、杨晓杰、何满潮研究团队，在《International Journal of Mining Science and Technology》上发表了他们的研究成果。
为了深入探究MSRWAT巷道的稳定性奥秘，研究人员主要采用了数值模拟（Numerical Simulation） 和现场工业试验（Field Industrial Test） 两种关键技术方法。数值模拟以陕西柠条塔煤矿S12012工作面的首个MSRWAT工业试验为地质背景，使用FLAC3D软件，分别建立了MSRWAT巷道和作为对比的GERBRC巷道模型，通过监测巷道顶底板收敛和围岩塑性区，系统分析了不同形成方式和不同截面形状下巷道的变形与破坏规律。现场试验则在同一矿井的相邻工作面（S12011工作面采用GERBRC法，S12012工作面采用MSRWAT法）进行对比监测，通过在自成巷道内布设临时液压支柱并监测其工作阻力，以及人工测量顶底板收敛位移，验证了数值模拟结果的准确性并评估了实际工程效果。
研究结果通过多角度的对比分析，清晰地揭示了MSRWAT巷道的稳定性优势，具体体现在以下几个方面：
1. MSRWAT巷道围岩变形演化规律
通过数值模拟对比MSRWAT巷道与GERBRC巷道在采动过程中的变形，研究人员发现：GERBRC巷道在掘进后即开始变形，其顶底板在采空区侧、中部和实体煤侧的收敛值分别为15.33毫米、17.31毫米和14.79毫米。而MSRWAT巷道由于是采动中形成，没有掘进变形阶段，但在形成后立即经历了一个显著的快速变形期，在工作面后方10米处，单次开挖步内收敛增加了19.22毫米。然而，MSRWAT巷道的最终变形量更小。其三个位置的最终收敛值分别为37.95毫米、35.98毫米和30.88毫米，均低于GERBRC巷道的42.19毫米、41.25毫米和34.79毫米。MSRWAT巷道顶底板平均收敛为34.94毫米，比GERBRC巷道（39.41毫米）降低了11.34%。进一步对支承应力分布的分析表明，传统沿空留巷和GERBRC巷道都会受到工作面前方的高支承应力影响，而MSRWAT巷道因其在采动中形成，完全避免了工作面前方支承应力的作用，这是其围岩变形更小的根本原因。
2. MSRWAT巷道围岩塑性区特征
为了评估不同截面形状对稳定性的影响，研究对比了MSRWAT巷道的弧形侧帮与常规矩形巷道直帮的塑性区（即破坏区）特征。在改变主应力比、埋深、岩体强度（粘聚力C和内摩擦角φ）、主应力方向角等多种条件下进行模拟后发现：在所有条件下，MSRWAT巷道弧形侧帮的破坏深度和破坏面积均小于矩形巷道直帮。例如，在埋深500米、主应力比0.5的条件下，矩形巷道直帮最大破坏深度为2.75米，而MSRWAT弧形侧帮为2.25米，深度减少了0.5米（18.18%）；在岩体强度较高（C=4兆帕，φ=35°）时，破坏深度减少率甚至达到40%。塑性区面积的减少范围在0.44至2.75平方米之间。对主应力分布的分析揭示了其机理：矩形巷道开挖后，在其直帮会形成一个深度约1米的三角形拉应力区，而岩石抗拉能力极弱，易导致破坏。相比之下，MSRWAT巷道的弧形侧帮将最小主应力由拉应力转变为压应力，形成了一个深度约0.5米的压应力区，从而显著抑制了围岩破坏的发展。弧形轮廓优化了浅部围岩的应力分布，避免了矩形直角处的应力过度集中。
3. 工业试验与对比分析
基于数值模拟发现MSRWAT巷道形成初期变形大、且弧形侧帮顶底角部塑性区发育明显的结论，研究提出了针对性的工程建议：在巷道形成的同时必须提供强有力的临时支护；在弧形侧帮，特别是顶角区域，应安装锚杆或锚索进行加固。在陕西柠条塔煤矿S12012工作面进行的现场应用中，这些措施得到了实施。监测数据显示，液压支柱的工作阻力经历了“快速上升-缓慢下降-最终稳定”的过程，与数值模拟预测的围岩变形规律完全吻合，验证了支护设计的合理性。与相邻采用GERBRC法的S12011工作面巷道对比发现：MSRWAT巷道围岩变形远小于GERBRC巷道。MSRWAT巷道在工作面后方50米处变形即稳定在45.6毫米，而GERBRC巷道需要195米才能稳定，最终收敛高达173.2毫米。MSRWAT巷道的围岩变形量比GERBRC巷道减少了73.67%，现场观测结果有力地证实了其卓越的稳定性。
结论与重要意义
本研究通过系统的数值模拟与现场验证，得出了明确结论：首先，MSRWAT巷道由于在采动过程中形成，避免了掘进损伤和工作面前方支承应力的影响，其围岩变形比GERBRC巷道平均减少11.34%。其次，其独特的弧形侧帮通过优化应力分布，将最小主应力由拉转为压，使破坏深度在不同条件下减少了5%到40%，有效控制了围岩破坏范围。最后，现场工业试验成功实施，监测数据表明MSRWAT巷道变形量比GERBRC巷道大幅降低73.67%，证实了其稳定性和工程可行性。
这项研究的意义重大而深远。在理论上，它首次清晰区分并论证了MSRWAT与GERBRC这两种无煤柱工法在巷道形成机理和受力状态上的本质差异，丰富了无煤柱开采的理论体系。在工程实践上，研究不仅证实了MSRWAT（“N00工法”）在稳定性上的显著优势，还基于力学分析提出了行之有效的支护对策，为该项颠覆性技术的推广应用提供了关键的科学依据和设计指导。从更广阔的视野看，MSRWAT技术实现了煤炭资源的100%回收（无煤柱）并彻底取消了巷道掘进工序，不仅经济效益巨大，还极大地简化了矿井生产系统，为未来实现煤矿的智能化、无人化开采奠定了坚实的基础，指明了采矿技术发展的一个重要方向。
