传统长壁开采沿空巷道掘进时,巷道所处应力环境复杂,围岩控制困难,掘进时易发生安全事故。护巷煤柱留设宽度较小时,煤柱呈破碎状态,承载能力低;增大煤柱留设宽度,资源浪费严重;采用填充体护巷,填充体易产生劈裂破坏,且材料成本高。巷道围岩大变形问题导致的煤矿事故频繁发生,其中煤矿工作面事故约占总事故的85%,巷道事故约占工作面事故的90%以上,且多发生于巷道掘进过程中。无煤柱自成巷开采技术可以有效减弱周期来压、减少采空区瓦斯、降低煤层自燃倾向,且能够大幅度降低回采巷道掘进率、提高煤炭资源回收率、降低煤炭开采成本。该技术通过顶板定向切缝,实现卸压,并利用矿山压力及岩石碎胀特性自动形成巷道,从而实现不掘回采巷道、不留保护煤柱的新型长壁开采工艺。目前。众多学者对切顶卸压无煤柱自成巷开采技术开展了大量的研究,但是主要集中于理论分析、数值模拟和现场试验,以往的模型试验大多为平面模型,不能真实准确的模拟围岩的应力状态。因此,开展切顶卸压无煤柱自成巷开采技术的三维地质力学模型试验研究,明确围岩破坏机理,可为现场自成巷支护设计提供指导,对煤矿安全高效生产具有重要意义。本文以柠条塔煤矿为工程背景,自主研发并开展了大型地质力学模型试验,结合数值模拟和现场试验,对无煤柱自成巷围岩应力、位移演化规律进行了研究,主要研究工作及成果如下:(1)无煤柱自成巷开采技术关键参数研究针对现场工况,系统开展了不同切顶高度、切顶角度、锚索间距、锚索排距和煤层厚度等关键参数的数值模拟,明确了不同影响因素下的无煤柱自成巷围岩变形破坏机制,揭示了无煤柱自成巷围岩变形控制机制。(2)无煤柱自成巷模型试验装置研发研制了以反力装置、高压加载及液压控制系统、切顶卸压与自动成巷联合采煤模拟装置、高精度监测系统为主要模块的大型地质力学模型试验装置。研制的试验装置拼装方便,具有压力高、稳定加载、长时保压等优点;液压泵站可实现对每排油缸的单独控制,模型洞口可实现多规格互换,且可实现超载破坏实验。(3)无煤柱自成巷模型试验相似材料研发根据原岩物理力学参数及模型试验相似理论,进行了大量的模型相似材料测试试验,按材料配比配制煤层、顶底板岩层及爆破切缝相似材料。(4)无煤柱自成巷模型试验研究基于柠条塔煤矿现场工程地质条件,进行了切顶卸压无煤柱自成巷开采过程地质力学模型试验,分析了工作面推进过程中基本顶关键块体的回转下沉演化过程,确定了基本顶破断失稳规律,明确了上覆岩层移动规律,得到了无煤柱自成巷覆岩运动与巷道围岩应力与变形规律。