0 引言
高压灰岩岩溶水害是威胁矿井安全生产的主要水害之一，疏水降压是防止该水害发生的有效手段[1-4]。在进行疏水降压开采时，随着工作面推进，受超前支承压力的影响会产生覆岩运移，提前加剧工作面周围放水孔的变形、缩径。在进行注浆封堵时，由于底板的超前塑性破坏，裂隙较发育，导致放水孔封堵不良，在采动影响和水压的双重作用下产生突水。高压放水孔一旦导水，会对工作面乃至整个矿井造成较大危害，其后处理也非常耗时耗材[5-12]。
淮北矿业(集团)有限责任公司杨庄煤矿Ⅲ610孤岛工作面底板灰岩岩溶水水压较高，底板突水系数远大于临界突水系数。为保证工作面安全回采，杨庄煤矿根据工作面特点及灰岩承压水赋存特点，决定对该工作面采取边开采边疏放的防治水措施。由于放水孔沿机巷和风巷布置，在煤层掘进过程中，必须提前关闭、封堵放水孔，以避开工作面超前支承压力[13-15]所产生的底板破坏带，防止在该破坏带内进行注浆封孔时，因裂隙发育导致放水孔封堵不良而产生突水。
超前支承压力的影响范围直接决定封孔超前距。本文以杨庄煤矿Ⅲ610工作面为例，采用FLAC3D数值模拟软件对煤层开采过程进行模拟，结合理论计算与现场实测，确定该工作面在掘进过程中超前支承压力的影响范围，给出合理的底板放水孔封孔超前距。
1 工作面概况
杨庄煤矿位于安徽省淮北市烈山区，主采煤层为5，6煤，目前开采活动均在三、四水平。矿井现有Ⅲ1，Ⅳ1，Ⅳ2，Ⅲ62，Ⅲ63这5个活动采区。6煤Ⅱ619，Ⅲ609，Ⅲ611，Ⅲ613，Ⅱ6114，Ⅱ6116，Ⅲ614，Ⅲ616工作面已全部回采，现准备对Ⅲ610工作面进行回采。Ⅲ610工作面地质结构如图1所示。该工作面整体为一单斜构造，工作面走向宽115～180 m，倾向长410 m，面积为53 325 m2，煤层厚度为1.6～3.2 m，平均厚度为3 m，煤层倾角为6～8°，平均倾角为7°。
根据水文地质调查资料，Ⅲ610工作面一灰原始水位为-80 m、二灰原始水位为-20 m、三灰原始水位为-10 m，灰岩岩溶水水压较高。对该工作面进行采前突水预评价时发现，其底板存在较大的突水危险性。采区太灰与区域奥灰水位相差约270 m，说明该区域内无奥灰对太灰的垂向补给通道(断层、陷落柱)，灰岩水害治理的重点是一、二、三灰含水层。经放水试验查明一、二、三灰含水层相对独立，三者之间水利联系程度弱，层内联通性强，疏降效果较为明显，决定对其进行疏水降压开采，放水钻孔布置如图1所示。
图1 Ⅲ610工作面地质结构
Fig.1 Geological structure of Ⅲ610 working face
2 超前支承压力影响范围数值模拟
2.1 工作面工程地质模型
选取Ⅱ6116，Ⅲ611，Ⅲ610工作面为模拟对象，对Ⅲ610工作面回采过程中超前支承压力影响范围进行数值模拟。根据工作面实际开采情况，结合工作面钻孔揭露的地层(图2)，建立Ⅲ610工作面工程地质模型，如图3所示。模型尺寸为X方向(走向)350 m、Y方向(倾向)190 m、Z方向100 m;单元格尺寸为X，Y方向5 m/格，Z方向1 m/格。为了消除边界影响，工作面周围留30 m保护煤柱。模型顶面设置为自由边界，并施加上覆岩体载荷[16]，前后左右面用X，Y方向固定，底面进行全约束。模型共266 000个单元、279 669个节点。
2.2 模型参数
采用钻孔取芯及实验室岩石力学试验得到岩体物理力学参数，对其进行RQD(Rock Quality Designation, 岩石质量指标)值修正，结果见表1。
2.3 模拟方案
方案1：不考虑重复采动影响下Ⅲ610工作面回采。Ⅱ6116，Ⅲ611工作面未开采情况下，对Ⅲ610工作面进行回采。推进距离为150 m，切眼长度为110 m，采用初次来压30 m、周期来压20 m进行掘进，顶板采用自由垮落法进行管理，沿Y方向推进。
图2 Ⅲ610工作面煤岩层柱状简图
Fig.2 Histogram of coal-rock seam in Ⅲ610 working face
图3 Ⅲ610工作面工程地质模型
Fig.3 Engineering geological model of Ⅲ610 working face
表1 修正后的岩体物理力学参数
Table 1 Corrected mechanical parameters of rock
方案2：考虑重复采动影响下Ⅲ610工作面回采。首先开采Ⅱ6116工作面，推进距离为70 m，切眼长度为130 m；然后开采Ⅲ611工面，推进距离为70 m，切眼长度为130 m；最后对Ⅲ610工作面进行回采，推进距离为130 m，切眼长度为110 m，左右各留20 m保护煤柱。采用初次来压30 m、周期来压20 m进行掘进，顶板采用自由垮落法进行管理，如图4所示。
采用Mohr-Columb塑性本构模型和Mohr-Columb屈服准则进行计算，并在工作面底板下5，10，20，30，40 m沿煤层倾向布置监测点，对Ⅲ610工作面回采过程中超前支承压力进行监测。
图4 Ⅲ610工作面模拟开采
Fig.4 Simulated mining of Ⅲ610 working face
2.4 数值模拟结果分析
2.4.1 方案1数值模拟结果分析
方案1下,Ⅲ610工作面推进30，50 m时，提取工作面底板下监测点的超前支承压力，如图5所示。
(a) 推进30 m
(b) 推进50 m
图5 方案1超前支承压力曲线
Fig.5 Advancing abutment pressure curves of the first scheme
从图5可看出，随着Ⅲ610工作面推进，其超前支承压力峰值位置出现在距工作面煤壁前方5～7 m处，超前支承压力影响范围为15～20 m，煤层底板10 m以深受超前支承压力影响较小。分析所有数值模拟数据得知，回采过程中超前支承压力最大值为18 MPa，应力集中系数为2.0。随着Ⅲ610工作面回采，其底板沿掘进方向的塑性破坏如图6所示，切片位置如图4所示。
从图6可看出，工作面推进30 m时，顶板初次来压后，底板破坏深度为10 m；工作面推进50 m时，其底板破坏深度不再增加，稳定在10 m左右，超前塑性破坏范围在5～10 m，这与文献[17]的研究结果一致。
(a) 推进30 m
(b) 推进50 m
图6 方案1底板塑性破坏
Fig.6 Plastic failure of floor of the first scheme
2.4.2 方案2数值模拟结果分析
方案2下,Ⅲ610工作面推进30，50 m时，提取工作面底板下监测点超前支承压力，如图7所示。
(a) 推进30 m
(b) 推进50 m
图7 方案2超前支承压力曲线
Fig.7 Advancing abutment pressure curves of the second scheme
从图7可看出，方案2的工作面超前支承压力峰值位置与方案1相比有明显差异，超前支承压力峰值位置出现在距工作面煤壁前方10～13 m处，超前支承压力影响范围明显增大，为20～30 m。分析所有数值模拟数据得知，在回采过程中超前支承压力最大值为23 MPa，应力集中系数为2.6，底板塑性破坏如图8所示。
从图8可看出，随着Ⅲ610工作面推进，受集中应力叠加效应的影响，在工作面两端煤壁位置，破坏深度不断增加。工作面推进30 m时，底板原位张裂带开始发育，之后其范围不断增大，向下不断向底板含水层发育，向上不断与底板采动破坏带接近；工作面推进50 m时，底板采动破坏带与原位张裂带完全连通。在重复采动和水压的共同影响下，Ⅲ610工作面超前塑性破坏范围为15～20 m，比常规开采时破坏范围大。
(a) 推进30 m
(b) 推进50 m
图8 方案2底板塑性破坏
Fig.8 Plastic failure of floor of the second scheme
3 超前支承压力影响范围理论计算
随着工作面推进，工作面煤壁前方会出现超前应力集中现象，从煤壁处向深部延伸，依次出现极限平衡区、弹性区，其中极限平衡区包括破裂区和塑性区[18]，各区域应力分布如图9所示。超前支承压力会引起煤层底板破坏，其影响范围决定放水孔封孔超前距。超前支承压力的影响范围L即极限平衡区长度L1和弹性区长度L2之和，放水孔封孔超前距应不小于L。
K-应力集中系数；γ-上覆岩层平均重度；H-煤层埋深
图9 工作面煤壁前方应力分布
Fig.9 Stress distribution in front of coal wall of working face
基于弹性理论[18]求解L1，L2：
(1)
(2)
式中：m为工作面采高；ε为三轴应力系数，ε=(1+sinφ)/(1-sinφ)，φ为煤层内摩擦角；f1为煤层与顶底板接触面之间的内摩擦因数；σ0=ccotφ，c为煤层内聚力；η=1/μ，μ为侧压力系数，该地区未经受强烈构造变动[19]，μ取0.33。
Ⅲ610工作面煤层埋深H≈380 m，平均采高为3.0 m，煤层内摩擦角φ=28°，煤层内聚力c=0.8 MPa(室内测试)，上覆岩层平均重度γ=25 kN/m3，煤层与顶底板接触面之间的内摩擦因数f1=0.176。不考虑重复采动的影响，Ⅲ610工作面应力集中系数K=2.0；考虑重复采动影响下K=2.6。
将上述参数代入式(1)、式(2)，得未受采动影响下，Ⅲ610工作面极限平衡区长度L1=4.33 m，弹性区长度L2=17.90 m，超前支承压力影响范围L=L1+L2=22.23 m；受采动影响下，L1=5.13 m，L2=24.68 m，超前支承压力影响范围L=L1+L2=29.81 m。
Ⅲ610工作面因受周围工作面重复采动的影响，其两帮煤壁处的应力集中系数比常规开采时大，其超前支承压力影响范围随之增大。
4 放水孔封孔超前距的合理确定
在工作面掘进过程中，通过检测巷道围岩移近量，掌握工作面矿压显现规律及围岩变形特点，从而准确确定超前支承压力的影响范围。位移监测点采用十字布点法进行布置，如图10所示。顶部监测点沿巷道中心线进行布置，每隔5 m布置1个监测点，正值表示下沉，负值表示上升；两帮监测点沿腰线布置，每隔5 m布置1个监测点,正值表示挤压,负值表示扩张。监测测线从切眼处开始，总长160 m，当煤层掘进30 m时，监测数据如图11所示。
图10 监测点布置
Fig.10 Monitoring points layout
从图11看出，两帮最大移近量为312.9 mm，顶底板最大移近量为221 mm，距离工作面大于30 m后，受超前支承压力影响较小，顶底板和两帮移近量都较小，数值模拟及理论计算结果与现场实测结果基本吻合。
图11 顶底板及两帮移近量监测数据
Fig.11 Monitoring data of convergence of roof, floor and two side walls
在工作面掘进过程中，实行边推进、边疏放、边封孔的治水策略，将底板放水孔封孔超前距定为30 m。该工作面已安全回采完毕，回采工作面无出水现象，取得了较好的经济效益，同时验证了封孔超前距的合理性。
5 结论
(1) 对杨庄煤矿Ⅲ610孤岛工作面开采过程进行数值模拟研究后发现，超前支承压力影响范围为20～30 m，超前塑性破坏范围为15～20 m，超前支承压力影响范围较常规开采工作面大。
(2) 考虑重复采动影响情况下，Ⅲ610工作面超前支承压力影响范围的理论计算结果为29.81 m，与数值模拟结果基本一致。
(3) 根据数值模拟、理论计算及现场实测结果，确定杨庄煤矿Ⅲ610工作面底板放水孔封孔超前距为30 m。经实践检验，该封孔超前距是合理的，为相似条件下工作面底板放水孔封孔超前距的确定提供了参考。
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