0 引言
据统计，我国煤矿中有自然发火危险的矿井约占55%[1-2]。近年来，伴随矿井生产集约化发展带来的遗煤多、漏风大等问题[3-4]，煤矿自然发火愈加频繁。特别是周围都是采空区的孤岛工作面，除具有一般综采工作面的特征外，还具有应力集中、矿压显现强烈、片帮冒顶多发等特点[5-6]，导致煤柱易破碎、漏风通道复杂，增加了采空区遗煤自燃危险性，严重威胁煤矿安全生产。
孤岛工作面煤自燃防治较为困难，很多学者为此做了大量研究，如文献[7-11]研究了孤岛工作面采空区自然发火的防治技术和措施，文献[12]研究了孤岛工作面采空区漏风规律，文献[13-14]研究了孤岛工作面自燃“三带”的划分方法。当前孤岛工作面采空区自然发火研究主要集中于漏风、自燃“三带”、防灭火技术等方面，较少考虑冲击地压危险性对防灭火措施的影响。受工作面采动应力集中的影响，冲击地压危险性是孤岛工作面的一种自然属性，而防治冲击地压(简称防冲)势必影响工作面正常推进速度，增加工作面破碎煤体与空气的氧化接触时间，加大煤层自燃危险性。因而确定工作面安全推进速度时，必须要考虑防冲要求，使其既有利于防火，又能满足防冲要求，同时不带来新的危险，这对煤矿安全生产有重大意义。
济宁二号煤矿93下05工作面不仅三面临空，而且工作面中南部上方也有采空区，导致该工作面防火情况复杂。本文以该工作面为研究对象，在研究复杂条件下孤岛工作面自然发火规律的基础上，考虑防冲要求，优化工作面安全推进速度，为煤矿安全生产提供技术支撑。
1 93下05工作面概况
93下05工作面属于典型的孤岛工作面，西邻93下06工作面采空区，东邻93下03工作面采空区，工作面中南部上方为九采3上工作面采空区。工作面推进长度为1 497.47～1 517.42 m，面宽162.25 m。煤层平均厚度为2.79 m，自然发火倾向等级为Ⅱ类自燃，最短自然发火期为50 d。工作面两侧煤柱宽度分别为4.5 m与3.5 m，回采期间预留煤柱因受采空影响导致易破碎漏风，使得93下05工作面采空区氧化自燃危险增大。工作面采空区回风侧布置有束管监测系统，可以测定束管中气体如O2，CO等随工作面推进的变化情况。
2 工作面煤自然发火规律
2.1 终采线处采空区煤的贫氧特性
在实际均压条件下(采取进风巷控风与回风侧调压措施)，于2018年6月测定终采线处上下邻近采空区O2体积分数，如图1所示。可以看出，进风侧O2体积分数最大值为5.81%，回风侧O2体积分数最大值为5.41%，进风侧和回风侧终采线处采空区O2体积分数均保持在6%以下。
图1 终采线处采空区O2体积分数
Fig.1 O2volume fraction in goaf at stop-mining line
借助实验室设备得到，该煤层煤样在O2体积分数为6%时，由初始条件氧化到快速发展阶段(以煤自燃临界温度为界，该煤层煤样临界温度为82.5 ℃)的时间为253 d。这表明，若要保证终采线邻近采空区在整个工作面回采期间不发火，应保证工作面在253 d内回采完毕。
2.2 工作面采空区危险区域分布规律
2.2.1 模型验证
根据该工作面现场实际几何尺寸，建立工作面采空区三维模型，采用Fluent软件模拟采空区气体移动规律，采空区底板O2体积分数模拟结果如图2所示。
图2 采空区底板O2体积分数云图
Fig.2 O2volume fraction cloud map at goaf floor
受孤岛工作面矿山压力影响，工作面采空区后方垮落较好，监测束管受采空区煤岩垮落的影响，实际监测数据主要集中在散热带及氧化带的一小部分区域。模拟结果与现场观测数据如图3所示。可以看出，模拟数据与现场数据有良好的一致性，表明所建模型可以反映93下05工作面采空区自燃“三带”分布情况。
图3 回风侧采空区O2体积分数
Fig.3 O2volume fraction in air return side goaf
2.2.2 采空区自燃“三带”划分
采用O2体积分数指标划分93下05工作面采空区自燃“三带”，划分标准见表1。
表1 自燃“三带”划分标准
Table 1 Classification criteria of spontaneous combustion "three bands"
进风侧采空区底板O2体积分数如图4所示。根据图3和图4的曲线拟合结果，可划分93下05工作面采空区自燃“三带”范围，结果见表2。考虑该煤层自燃危险性较大，且散热带本身也存在一定发火危险，故本次煤自然发火危险区域涵盖采空区散热带与氧化带。由表2可知，采空区进风侧和回风侧煤自然发火危险区域长度分别为104.6 m和61.8 m。
图4 进风侧采空区O2体积分数
Fig.4 O2volume fraction in air inlet side goaf
表2 工作面后方采空区自燃“三带”范围
Table 2 "Three zones" scope of spontaneous combustion in goaf behind working face
根据实验室测试，当O2体积分数为21%时，从煤自然氧化至达到煤自燃临界温度这一过程所需的时间为28.3 d，故为了保证工作面采空区防火安全，应确保安全推进速度不小于：104.6/28.3=3.7 m/d。
3 93下05工作面防冲要求
受孤岛工作面应力集中影响，93下05工作面面临严重的冲击地压危险。工作面不同区域的冲击地压危险性不同：从开切眼至1 200 m处，工作面上方有保护层作用，冲击地压危险性相对较小；1 200 m至终采线处，没有保护层泄压保护，因而冲击地压危险性较大。采取相关安全措施后，考虑防冲要求的安全推进速度范围见表3。
表3 考虑防冲要求的安全推进速度
Table 3 Safe advancing speed considering rock burst prevention
4 工作面安全推进速度确定
4.1 孤岛工作面推进速度的确定原则
安全推进速度的确定既要保证工作面采空区防火安全，又要满足终采线处上下邻近采空区的防火需求，同时不能给工作面带来新的冲击地压危险。据此，提出适用于孤岛工作面的安全推进速度确定原则：
(1)
式中：tH为工作面回采周期；tK为煤样从初始阶段氧化到快速发展阶段的时间；VFH为考虑防火要求的最小推进速度；VAQ为安全推进速度；VFC为考虑防冲要求的最大推进速度。
4.2 各区域安全推进速度确定
4.2.1 保护区和未保护区分布
未保护区的冲击地压危险性较高，故从未保护区开始，确定各区域安全推进速度。93下05工作面保护区和未保护区分布如图5所示。
图5 工作面保护区和未保护区分布
Fig.5 Distribution of protected and unprotected areas on working face
4.2.2 未保护区安全推进速度确定
对于93下05工作面未保护区，由于工作面冲击地压危险性较大，故安全推进速度不能超过考虑防冲要求的最大推进速度，否则将增加冲击地压危险性。孤岛工作面采空区考虑防火要求的最小推进速度为3.7 m/s，未保护区考虑防冲要求的最大推进速度为5 m/s，综合可知，未保护区的安全推进速度VW的范围为
3.7 m/d<VW<5 m/d
(2)
4.2.3 保护区安全推进速度确定
对于保护区，由于冲击地压危险性相对较小，故确定安全推进速度时应优先从防火角度考虑，然后结合防冲要求进行优化。由图5可知，未保护区的开采长度为74 m，考虑防火要求，该区域的推进速度范围为3.7～5 m/d，故未保护区回采需要的时间范围为74/5 d<tW<74/3.7 d，即15 d<tW<20 d。
若要终采线处上下邻近采空区在工作面回采期间不发火，应保证整个工作面在253 d内回采完毕。保护区的回采时间为(253-20)d<tB<(253-15)d，即233 d<tB<238 d，保护区开采长度为1 200 m，故考虑防火要求的保护区安全推进速度范围为VB>(1 200/238)m/d，即VB>5.04 m/d。
考虑防冲要求，保护区的安全推进速度为5～8 m/d，结合防火要求，优化后保护区安全推进速度范围为
5.04 m/d<VB<8 m/d
(3)
值得注意的是，在工作面回采过程中，虽然保护区和未保护区的实际推进速度可根据式(2)和式(3)采取不同的组合，但根据孤岛工作面安全推进速度的确定原则，需满足式(4)：
tW+tB≤253 d
(4)
只有当推进速度同时满足式(2)—式(4)时，才能保证当前均压条件下整个工作面回采期间的防火安全。
5 结论
以复杂条件下济宁二号煤矿93下05工作面为研究对象，在研究该工作面的煤自然发火规律、考虑防冲要求基础上优化了其安全推进速度，主要结论如下：
(1) 93下05工作面进回风侧终采线处的采空区O2体积分数实际测量均保持在6%以下，实验室条件下，当O2体积分数为6%时，煤样由初始条件氧化至达到临界温度的时间为253 d。
(2) 结合现场数据，借助计算机模拟，获得工作面采空区进回风侧的煤自然发火危险区域长度分别为104.6 m和61.8 m，由此确定该工作面最小安全推进速度为3.7 m/d。
(3) 考虑93下05工作面的防冲要求，优化后的安全推进速度如下：未保护区的安全推进速度为3.7 m/d<VW<5 m/d，保护区的安全推进速度为5.04 m/d<VB<8 m/d，不同区域的回采时间应满足tW+tB≤253 d。
(4) 93下05工作面从2018-03-11开切眼，至2018-11-03回采结束，整个生产周期为226 d。在工作面回采过程中，各项煤层自然发火指标预警气体没有超标，一直处于安全范围以内，整个回采周期内没有煤自然发火事故，表明该安全推进速度的应用取得了良好效果。
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