本文在延安市禾草沟二号煤矿工程地质条件分析及工程开采条件的基础上,运用理论分析、室内实验、数值模拟、切顶卸压沿空留巷无煤柱开采关键技术研究及现场试验等多种手段,对延安禾草沟二号煤矿浅埋、破碎顶板切顶卸压自动成巷无煤柱开采进行研究并应用。系统总结和分析了陕北延安矿区浅埋深、薄煤层、破碎顶板条件下沿空留巷存在的难点和原因,详细论述了沿空留巷中巷道围岩受力及变形机理。总结了沿空留巷中随着工作面回采沿空巷道顶板变形、断裂及失稳的特征和规律,提出了利用恒阻大变形锚索对巷道进行补强支护、采用双向聚能拉张爆破技术对浅埋深、薄煤层、破碎巷道顶板进行预裂切缝的切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术。根据沿空留巷动压影响特征,提出了利用矿压做功、利用岩石碎胀特性、利用原有巷道、利用预裂切缝、利用采空区部分岩石为技术核心的无煤柱开采方法,深化了切顶短臂梁理论的研究。通过相似模拟实验,对比分析了沿空留巷中切顶和不切顶时巷道及采空区顶板岩梁断裂特征及变形规律。结果表明,当不切顶时,随着工作面的回采,巷道顶板和部分采空区顶板易形成三角悬顶区,三角悬顶区的悬顶面积随着工作面的回采和采空区上覆岩层的断裂、离层逐渐不断缩短,在悬顶岩梁多次断裂的过程中,巷道顶板将会受到多次采动影响,直至巷道发生破坏。另外,由于留巷初期的三角悬顶区面积较大,三角悬顶区承担着更大范围内上覆岩层的压力,使得巷道顶板受到的采动应力影响更加剧烈,特别在沿空留巷期间,沿空巷道极易在三角区形成后发生破坏。试验证明,通过切顶进行留巷能够显著减小采动应力对巷道围岩稳定性的影响,大幅缩短采动应力对巷道的影响时间。然而,由于地应力的影响,切顶范围内岩层在垮落过程中沿切顶面形成的剪应力极易对巷道造成破坏,因此,留巷前,需沿切顶线对巷道顶板进行补强支护,通过恒阻大变形锚索将这种非线性的剪应力转化为具有恒定阻力支护下的线性剪应力。3DEC离散元软件对不切顶和切顶巷道围岩及采空区顶板变形和垮落特征的数值模拟分析结果表明,在沿空留巷前对巷道顶板进行切顶预裂,不仅能够显著降低沿空侧采空区顶板对巷道顶板的采动影响,而且能够大幅减小沿空巷道顶板下沉。通过切顶预裂,能够有效的将沿空巷道顶板拉应力转移至实体煤帮内,应力峰值向实体煤深部转移。然而,切顶预裂后,巷道顶板受采动应力影响期间,沿空侧巷道顶板仍出现较大拉应力增大现象,因此,在留巷期间,对沿空侧巷道顶板进行高预紧力补强支护显得十分必要。通过采用ANSYS-DYNA软件对双向聚能拉张爆破不同炮孔间距(400 mm、500 mm和600 mm)及不同爆破方式(间隔爆破和连孔爆破)进行数值模拟分析,当炮孔间距为400 mm和500 mm时,应力波叠加后均能够沿垂直于切缝线产生有效的拉应力,该拉应力大于孔壁围岩的抗拉强度,能够使孔壁围岩沿聚能方向形成裂缝,且利于相邻炮孔间裂纹的扩展。随着炮孔间距的增大,当炮孔间距为600 mm时,间隔爆破和连孔爆破产生的应力波叠加后均不能使炮孔间产生裂缝。在3种不同间距炮孔爆破过程中,在非聚能方向上孔壁围岩受到的压应力小于岩石的抗压强度,因此,非聚能方向均未对炮孔孔壁造成破坏,有效保护了非聚能方向上的围岩完整。由数值模拟结果知,600 mm间距炮孔间隔爆破或连孔爆破时不能使炮孔间产生连续的裂缝;间距为500 mm、400 mm的炮孔间隔爆破或连孔爆破时,炮孔间均能够产生连续的有效裂缝。结合现场试验结果,间距400mm炮孔和间距500 mm炮孔间隔爆破时,间隔孔(未爆破孔)内均产生连续裂缝,在3.5 m的炮孔中裂缝长度达2.4 m,能够有效控制沿空巷道顶底板位移及沿空巷道顶板压力。因此,考虑到施工、经济等因素,爆破方式确定为间隔爆破,500mm的炮孔间距为同一条件下3种切缝炮孔间距设计方案中的最优方案。通过对多托盘锚杆的数值模拟分析,安装多托盘锚杆后,随着采空区矸石逐渐压实,在多托盘锚杆的控帮作用下,采空区集中应力逐渐向碎石帮转移。因此,在切顶留巷中,多托盘锚杆不仅具有良好的控帮效果,而且在矿山压力的作用下能够使碎石帮对巷道顶板短臂梁结构形成有效的支撑,更有利于巷道围岩的稳定。多托盘锚杆安装后经历两个工作过程,首先垮落矸石覆盖多托盘锚杆,锚杆尾部锚定;垮落矸石压实过程中,沿空侧巷帮发生变形,变形的过程中多托盘锚杆自动预紧。根据数值模拟分析,随着小托盘的增加,锚杆杆体受力更加均匀,且在小托盘与大托盘之间自动形成的预紧力满足控帮要求。经过现场多托盘锚杆抗拔力试验,当小托盘数量不超过4个时,随着小托盘数量的增加,多托盘锚杆的抗拉力逐渐增大,每增加一个小托盘多托盘锚杆的抗拔力增量逐渐减小;当小托盘数量大于5个时,由于小托盘间距小于垮落矸石块度,多锚杆抗拔力大幅度减小;2113型多托盘锚杆抗拔力为8.2t,2114型多托盘锚杆抗拔力为9.8t。确定使用2113型多托盘锚杆进行现场应用。现场试验结果表明,沿空巷道巷旁挡矸工字钢回撤后沿空巷道顶底板位移0 mm,多托盘锚杆安装位置两帮移近量为0 mm,两多托盘锚杆间两帮移近量最大为12 mm。根据现场应用效果,21 13型多托盘锚杆能够满足禾二矿切顶留巷中沿空巷道碎石帮的控帮要求。通过多托盘锚杆控帮试验研究,研制了沿空留巷新型控帮锚杆,在现场试验的过程中取得了满意的控帮效果,降低了劳动强度,大大节省了留巷成本。对于浅埋深、薄煤层、破碎顶板条件,由于在留巷前巷道顶板多处已出现离层、破碎、大变形等,在留巷前对巷道顶板进行危险性分区、针对不同区域提出有针对性的补强支护方案十分必要,基于此,提出了回采巷道顶板塌方危险性评估方法和危险性分区方法,建立了浅埋深、薄煤层、破碎顶板条件切顶留巷的相关评价参数;提出了对危险区和较危险区在实施切缝前进行补强支护的措施,防止切顶卸压过程中冒顶塌方。通过以上研究及对禾草沟二号煤矿1105工作面运顺留巷工程地质条件的分析,运用切顶卸压沿空留巷技术原理对延安禾二矿1105工作面回风顺槽进行了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采设计,研究了切顶留巷工艺,在工业性试验中取得良好的应用效果。研究表明,以理论研究结果所确定的切顶卸压沿空留巷技术原理及各项关键技术,能够实现禾二矿浅埋深、薄煤层综采面开采高产高效的目标,实现无煤柱开采,从根本上防治矿井因留设煤柱带来煤壁片帮、应力集中引起的下顺槽巷道难维护等技术难题,彻底扭转了该矿采掘接替紧张的局面。在工业性试验后,上述成果成功运用于禾草沟二号煤矿,截至2016年11月增加经济效益2300余万元,取得了显著经济、安全和社会效益,具有广阔的应用前景和推广意义。