我国是世界上最大的煤炭生产国与消费国,煤炭的生产在国民经济的发展中有着举足轻重的地位。当前,在我国一次能源消费结构中,煤炭消费占比达到60%以上,预计未来二三十年,煤炭在我国能源体系中仍将占据主导地位。长期以来,我国的煤炭生产通常采用在回采工作面两端分别提前掘进回采巷道、并留设区段护巷煤柱的长壁开采技术体系,形成了以钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论和宋振骐院士提出的“传递岩梁”理论为典型代表的两大矿山压力理论体系,奠定了我国长壁留煤柱开采的理论基础,为我国的煤炭开采事业做出了不可磨灭的贡献。然而,煤炭是不可再生能源,其储量极为有限。随着地下资源不断被采出,其储量越来越少,传统留煤柱采煤工艺所造成的资源浪费问题日益突出,因此,提高煤炭资源采出率是当前我国煤炭开采急需解决的重要问题之一。2009年,随着“切顶短臂梁”理论的提出,形成了一种新型无煤柱开采技术,即切顶成巷无煤柱开采技术。该技术通过预裂切缝对巷道顶板实施主动卸压,削弱巷道围岩压力,当工作面推过后巷道自动形成,并通过相应的技术手段对形成的巷道进行维护,以供下一个相邻工作面继续使用,从而实现无煤柱开采。该技术不仅符合煤炭资源可持续开采的重要发展方向,也是解决煤矿瓦斯与动力灾害问题、降低巷道工程掘进率、实现科学采矿的重要保障。本文从切顶成巷无煤柱开采技术原理入手,通过理论分析、数值模拟分析以及现场试验等手段与方法,对切顶成巷无煤柱开采围岩应力演化规律、围岩结构特征及其稳定原理等进行了较为系统地研究,提出了切顶成巷无煤柱开采围岩稳定性控制关键技术,初步形成了切顶成巷无煤柱开采围岩控制技术体系。主要研究内容如下:(1)通过数值模拟方法对切顶成巷无煤柱开采巷道掘进阶段、顶板预裂切缝阶段、一次采动阶段以及二次采动阶段围岩的应力场特征进行了研究,得到了切顶成巷无煤柱开采全过程围岩应力分布特征及其演化规律。结果表明,顶板预裂切缝改变了一定深度范围内围岩应力分布,对顶板实施切缝后,几乎整个切顶岩层均处于卸压状态。(2)基于采场上覆岩层的运动特点,提出了采场覆岩应力拱结构的演化模式,认为组成应力拱的岩体处于应力集中状态,承担并传递拱上方覆岩荷载,应力拱下方断裂带岩层则整体处于卸压状态;同时,研究了覆岩应力拱的形态特征,通过建立三铰拱力学模型导出了应力拱的形态方程。结果表明,在一定埋深及采空区尺寸下,采场覆岩应力拱的形态与断裂带高度有关,断裂带高度越高应力拱越“瘦高”,反之则越“矮胖”;此外,基于应力拱的形态方程,得到了切顶沿空巷道顶板载荷范围,明确了引起煤帮支承压力的载荷增量大小及其作用范围,导出了煤层支承压力分布函数及分布宽度。(3)分析了切顶成巷无煤柱开采围岩运动特征,提出将切顶成巷围岩分为三种结构,即“应力拱结构”、“组合承载结构”和“切顶卸压结构”,并分析了不同结构的稳定原理。研究认为:“应力拱结构”为采场大范围围岩自平衡结构,“组合承载结构”和“切顶卸压结构”均处于“应力拱结构”下方的卸压区内;“组合承载结构”主要通过基本顶关键块体间形成的“砌体梁结构”保持自稳;而“切顶卸压结构”则主要依靠巷内人工支护维持稳定。(4)基于“组合承载结构”的结构特点,提出了构成“组合承载结构”的“组合承载体”的两种主要失稳模式,即“压-剪”失稳和“剪-剪”失稳,通过建立力学模型得出了两种失稳模式所需满足的失稳条件,结果表明,对于特定的切顶成巷工程,通过巷道顶板的平行下沉量和旋转下沉量可以判定“组合承载体”逼近失稳的程度,据此提出了“组合承载结构”的失稳判据。(5)分析了“切顶卸压结构”的受力特点,建立了组成“切顶卸压结构”的“切顶短臂梁”结构力学模型,并对“切顶短臂梁”的下沉变形和受力特征进行了分析,得到了维持“切顶短臂梁”稳定所需满足的力学条件;同时,借鉴挡土墙理论,建立了采空区矸石力学模型,研究了碎石巷帮支护结构的侧向压力,研究表明,由于切顶沿空巷道位于卸压区内,切顶成巷碎石巷帮侧向压力总体不大,且其压力来源主要为上覆断裂带岩层压力。(6)通过建立顶板岩层力学模型,分析了切顶成巷无煤柱开采顶板预裂切缝主动卸压力学机理,明确了成巷围岩支护与其自承载能力之间的内在关系,揭示了支护-围岩共同承载体系形成的机理。研究结果表明,对顶板实施预裂切缝后,采空区已断裂顶板岩层将与残留边界失去联系,一方面不再向巷道顶板传递垂直剪切力,另一方面削弱了其极限弯矩,最终使得“施载-承载”平衡体系中的“施载”部分大幅降低,从而减轻了巷道围岩压力。在此基础上,通过理论模型,研究了切顶成巷顶板预裂切缝关键参数,并总结了切顶预裂关键技术。(7)针对切顶成巷过程巷道顶板运动特征,研究了切顶成巷围岩动载产生机理,提出了切顶成巷顶板高恒阻吸能让压锚固技术和抗动载辅助支顶技术,并提出将成巷围岩支护分成三区,即超前影响支护区、动压辅助承载区以及成巷稳定区。(8)分析了切顶成巷无煤柱开采技术采空区矸石阶段性运动特征,提出将采空区矸石的运动过程划分为快速垮落阶段和缓慢压实阶段两大主要运动阶段,并分析了各个阶段挡矸结构的受力特点,明确了采空区矸石与巷旁挡矸结构的相互作用机理,提出了“侧向动静结合、纵向伸缩让压”的碎石巷帮稳定性控制理念,初步形成了切顶成巷碎石巷帮控制体系,并针对不同采高提出了三种类型碎石巷帮控制结构,即“可伸缩U型钢+单体支柱+金属网”结构、“可伸缩U型钢+单体支柱+防冲板+金属网”结构和“可伸缩U型钢+切顶护帮支架+防冲板+金属网”结构,针对不同类型结构在现场进行了试验验证,取得了良好的碎石巷帮控制效果。针对以上研究内容和研究成果,在瑞能煤矿121盘区进行了切顶成巷无煤柱开采现场工业性试验,试验结果表明,成巷效果良好,取得了较大的经济效益和良好的社会效益,为切顶成巷无煤柱开采技术的推广应用提供了重要参考。