长壁开采3G N00工法是何满潮院士在110工法与1G N00、2G N00工法的基础上，于2019年提出的一个全新的建井设计概念，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，减少了建井周期，改变了基建矿井投产慢、见效晚的窘境，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上的全部采出，是长壁开采历史上的一次突破性革命。《长壁开采3G N00工法》详细阐述了长壁开采3G N00工法的理论基础、开采设计、关键技术、配套装备系统、覆岩结构特征、空区矸石体稳态支撑效应、科学实践及研究趋势。长壁开采3G N00工法从前期理论研究到后来的工程应用，处处体现了矿产科学开采中“借力打力”的中国智慧，历史性地化解了长壁开采百余年以来的“采”与“掘”之间的矛盾关系，勠力同心推动矿山企业不断取得新成就。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 煤炭在我国能源结构中占主导地位 1
1.2 安全事故频发严重制约煤炭生产 3
1.3 无煤柱开采技术的发展历程 4
1.4 3G N00工法逐渐成为煤炭科技发展的热点 7
第2章 3G N00工法的理论基础 11
2.1 采矿损伤不变量方程 11
2.2 采动覆岩损伤补偿理论 12
2.3 工作面末采卸压理论 18
第3章 3G N00工法开采设计 21
3.1 矿井设计思路 21
3.2 井田开拓设计 23
3.2.1 开拓方式及布置设计 23
3.2.2 井筒设计 23
3.2.3 井底车场及硐室 25
3.3 主要生产系统设计 25
3.3.1 运输系统设计 25
3.3.2 通风系统设计 30
3.3.3 供电系统设计 34
3.3.4 给水排水系统设计 42
3.3.5 监测监控系统架构 46
3.4 矿井灾害防治措施设计 52
3.4.1 瓦斯灾害防治措施 52
3.4.2 火灾防治措施 53
3.4.3 粉尘灾害防治措施 57
3.4.4 水害防治措施 61
3.4.5 矿山救护 63
3.4.6 井下安全避险措施 63
第4章 3G N00工法关键技术 65
4.1 设计思路与关键创新 65
4.2 矿井生产技术工艺体系 65
4.3 工作面配套关键技术 66
4.3.1 端头采挖成巷技术 66
4.3.2 定向切缝技术 69
4.3.3 NPR支护技术 78
4.3.4 散体帮挡矸支护技术 80
第5章 3G N00工法工作面装备系统 89
5.1 工作面装备系统总体布局设计 89
5.2 端头成巷装备系统 89
5.2.1 采煤机割双巷装备 89
5.2.2 钩机开挖端头成巷装备 91
5.2.3 采锚切一体化装备 92
5.3 巷道支护装备系统 95
5.3.1 轻型门式护巷支架 95
5.3.2 门式护巷支架搬运车 96
5.3.3 NPR支护装备及材料 97
5.3.4 顶板定向切缝装备及材料 100
5.3.5 挡矸支护材料 104
第6章 3G N00工法采场覆岩结构特征分析 106
6.1 采场覆岩结构颗粒流数值模拟方案 106
6.2 采场覆岩结构特征模拟结果 109
6.2.1 覆岩结构力链演化特征 109
6.2.2 覆岩结构裂隙演化特征 113
6.2.3 覆岩结构位移演化特征 120
6.3 采场覆岩损伤对比系数研究 124
6.4 开采覆岩承载结构特征分析 127
6.4.1 开采覆岩承载结构划分 127
6.4.2 关键承载结构区域结构划分 130
6.5 开采覆岩承载结构稳定性分析 132
6.5.1 关键承载结构力学特性分析 132
6.5.2 关键承载结构区域稳定判据 134
第7章 覆岩结构下空区矸石体稳态支撑效应 138
7.1 空区矸石体碎胀特征分析 138
7.1.1 矸石碎胀特征实验方案设计 138
7.1.2 矸石碎胀特征实验结果 142
7.2 空区矸石体压实特征分析 146
7.2.1 矸石压实特征实验方案设计 146
7.2.2 矸石压实特征实验结果 146
7.3 空区矸石体稳态支撑效应现场监测 149
7.3.1 空区矸石体稳态支撑效应监测方案设计 149
7.3.2 矸石碎胀与压实特征监测方案结果分析 151
第8章 3G N00工法科学实践 154
8.1 工程概况 154
8.1.1 试验矿井概况 154
8.1.2 试验工作面概况 154
8.1.3 关键参数设计 156
8.2 应用效果 156
8.2.1 现场试验效果 156
8.2.2 工作面矿压分布特征 157
8.2.3 巷内门式护巷支架承载力演化特征 159
8.2.4 挡矸侧空区矸石体稳态支撑特征 159
8.3 经济效益和社会效益 160
8.3.1 经济效益 160
8.3.2 社会效益 161
第9章 N00工法研究趋势 162
9.1 4G N00工法煤气共采智能化设计 162
9.2 5G N00工法结合双5G通信智能化系统设计 165
9.2.1 5G N00工法矿井设备智能化全要素感知系统设计 167
9.2.2 5G N00工法矿井智能化全连接系统 167
9.2.3 5G N00矿井装备群全智能集控系统 168
参考文献 170

第1章 绪论
　　1.1 煤炭在我国能源结构中占主导地位
　　煤炭是世界上的主要能源之一。如图1-1(a)所示，根据毕马威公司2023年发布的《世界能源统计年鉴》，2022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26.7%[1]。煤炭产业不仅仅作为世界能源结构的支柱产业，鉴于我国煤炭资源丰富、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我国国民经济发展不可或缺的一部分[2，3]。随着我国经济的增长，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[4]。依据国家统计局数据，在一次能源生产方面，我国在整个“十三五”期间原煤生产占比降至67.3%；在一次能源消费方面，我国在整个“十三五”期间煤炭占比较高。即使在“十三五”后期，2020年占比仍可达到46.1%[5]。如图1-1(b)所示，依据毕马威公司的统计，2022年我国一次能源消费结构中，煤炭占比达到54.6%[1]。针对全世界一次能源消费结构的变化趋势，美国能源信息管理局预测2050年煤炭会成为一次能源消费结构中占比为19.94%的能源[6]。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，我国有望在“十四五”时期末实现煤炭资源需求接近峰值，但占比*多下降8%，仍占能源结构的四分之一[5]。
　　世界能源结构对煤炭的依赖与需求，使得全世界煤炭产量必须达到一定标准。本章统计了2007年至2022年全世界煤炭产量[1]，如图1-2(a)所示，受新冠疫情的影响，2022年全世界煤炭产量比疫情前略有增加，产量达88.034亿t。其中，如图1-2(b)所示，中国煤炭产量占世界煤炭产量的51.8%。作为世界上*大的煤炭生产国，中国的煤炭产业发展一直受到密切关注。
　　1.2 安全事故频发严重制约煤炭生产
　　作为煤炭产业大国的中国，大部分煤矿所采用的开采技术依旧停留在18世纪初英国什罗普郡盛行的传统长壁开采留煤柱(121)工法[7-9]。该工法需要在回采之前保留一个煤柱和提前掘进两条巷道。121工法不仅仅存在保留煤柱可能导致采区煤炭资源的严重浪费与巷道掘进速度严重影响工作面的回采速度的问题，而且中国的煤炭采出率不到50%的情况下每年仍需掘进13000km的巷道，在巷道掘进过程中不可避免会发生一些事故，频频发生的矿难必然造成大量的人员伤亡[10]。本节统计了1949年至2022年公布的全国煤矿百万吨死亡率(指生产100万吨煤炭因事故造成的死亡人数)，如图1-3所示。统计表明，2009年之前我国煤矿百万吨死亡率均大于1，其中1949年至1977年我国煤矿百万吨死亡率上下浮动*大。自2009年以后，我国煤炭开采技术不断发展，百万吨死亡率逐年下降，在2018年*次下降至0.1以下。虽然百万吨死亡率在逐渐递减，但是我国煤炭产量的提升依旧面临着死亡人数高居不下的现象。众所周知，煤矿生产过程中巷道掘进必然会面临着*头掘进、空顶作业、局部通风这三个问题。*头掘进过程中极易诱发机械事故和水灾，空顶作业过程中极易诱发顶板事故，局部通风则会导致瓦斯事故的发生。为此本节对2003年至2021年我国煤矿各类安全事故类型中死亡人数占总死亡人数的比例进行统计，如图1-4所示。2003年至2021年公布的煤矿事故类型中，一般以顶板、运输、机电、瓦斯、水灾、爆破和火灾事故为主。其中顶板事故死亡人数*多，占事故总死亡人数的36.15%，其次是瓦斯事故，死亡人数占事故总死亡人数的30.09%。而这两类事故绝大多数均发生在巷道内，其中有很大比例发生在巷道掘进过程中。此类事故频发往往会导致煤矿停产整顿，此类措施严重制约煤炭企业的生产能力，影响我国煤炭企业高质量发展。
　　1.3 无煤柱开采技术的发展历程
　　对国内外煤炭技术研究现状的分析需要总结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1-5所示[8，9]。18世纪以前，煤矿的开采方式是房柱式开采，但房柱式开采所带来的煤炭产量无法满足发展需求，因此1706年英国什罗普郡采用传统的长壁开采法(121工法)提高煤炭资源[7，14]。16世纪50年代英国煤炭年产量为20万t，到了1770年，年产量便可以达到620万t[7，14]。长壁开采法中的121工法顾名思义，其需要在回采之前保留一个煤柱和提前掘进两条巷道[8]。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。面对这些问题，苏联于1937年率先开展了对沿空留巷技术(111工法)的探索[8]。111工法顾名思义，开采一个工作面，只需掘进一条巷道，另一条巷道则是利用人工充填墙体，使上个回采面的巷道重复使用两次[8]。随后
　　英国、德国、苏联、波兰针对111工法巷旁采空区充填技术进行了大量研究。其中英国早期的111工法巷旁采空区充填材料主要为矸石墙体，后期以研制充填材料为主[15-17]。英国国家煤炭局与德意志联邦共和国的蒂森公司于1979年研发了高水速凝充填材料，该材料被迅速推广至南威尔士80%的煤矿[18]。20世纪80年代德意志联邦共和国于Bad Grund铅锌矿利用柱塞泵输送膏体充填，构建了“Preussage Pumped fill”膏体充填系统[18]。成熟的充填技术是111工法安全的保障，随着充填技术的发展，德国、英国、法国、加拿大、波兰、苏联等国家和地区均在大力推广111工法，仅苏联在1981年时111工法产量占地下井工开采产量的一半[19]。
　　我国无煤柱开采技术研究起步较晚，其实早在20世纪50年代我国部分矿井与科研单位及高校拟引进无煤柱开采沿空留巷技术(111工法)，但*终未能成功试验，直至1977年我国才开展了早期的111工法试验研究[19]。到了1984年全国已然有192个矿井266个工作面开始采用111工法技术，工作面多回收煤柱资源500余万t，回收采区上下山、石门、大巷之类的保护煤柱800余万t[20]。
　　伴随国内对煤炭资源依赖度的不断上升，111工法技术发展越来越快。2009年之前，我国111工法发展大致经历了三个阶段[18]：阶段Ⅰ(20世纪60～70年代)，我国开始研究111工法开采诱发巷道围岩应力分布规律，得出沿空巷道布局与矿山压力演化的对应关系，并在山西西山矿务局、宁夏石嘴山矿务局中厚煤层中大力推广与应用；阶段Ⅱ(20世纪80～90年代)，我国借鉴国外高水充填技术的成果与经验，但由于国内煤层采高、采深、回采速率等因素限制，111工法的发展进入瓶颈时期；阶段Ⅲ(2000～2019年)，我国科研单位从理论、数值模拟、现场试验等多角度出发，成功将111工法引用至特厚煤层以及高突矿井。