張志貴 譚寶會(huì) 鐘 敏 陳星明 朱 強(qiáng) 李明潤(rùn)

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

下向分層膠結(jié)充填采礦法是厚大高應(yīng)力破碎礦體較常采用的一種采礦方法［1］。由于其在提高礦石回收效果、控制采場(chǎng)地壓、維持采場(chǎng)穩(wěn)定和控制地表沉降及塌陷方面的良好效果，更是受到高價(jià)值礦石以及地表需要嚴(yán)格保護(hù)的礦山重視和歡迎，可以說(shuō)，下向分層膠結(jié)充填采礦法已經(jīng)成為這類(lèi)礦山的主要采礦方法［2-4］。一般來(lái)講，下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法設(shè)計(jì)上通常采用采一充一的生產(chǎn)組織方式，但是為了便于生產(chǎn)組織以及提高產(chǎn)量，大多礦山實(shí)際上采取的是隔一采一的多進(jìn)路同時(shí)作業(yè)方式，即幾條間隔但相鄰的進(jìn)路在同時(shí)回采，待回采完成后再進(jìn)行集中充填的生產(chǎn)組織方式。因而采場(chǎng)在一定時(shí)間內(nèi)形成了以膠結(jié)充填體為頂板的多個(gè)相鄰非連續(xù)采空區(qū)，由此帶來(lái)了膠結(jié)充填法采場(chǎng)穩(wěn)定性的問(wèn)題。此外，在采用下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法回采急傾斜厚大礦體時(shí)，生產(chǎn)礦山一般會(huì)采取分區(qū)回采的作業(yè)模式，即同一開(kāi)采分層內(nèi)有若干區(qū)域同時(shí)進(jìn)行回采，在每一個(gè)回采區(qū)域內(nèi)均是幾條進(jìn)路同時(shí)回采然后再集中充填，一定時(shí)間內(nèi)形成了更為復(fù)雜的多區(qū)域相鄰非連續(xù)采空區(qū)，不僅采場(chǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題更加復(fù)雜，采場(chǎng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)也顯著增加。

目前尚無(wú)有效成熟的方法對(duì)這種具有相鄰非連續(xù)采空區(qū)特征的膠結(jié)充填法采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析和判斷，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性控制缺乏有效指導(dǎo)，難以防止可能造成的采場(chǎng)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，已有生產(chǎn)礦山發(fā)生了大面積膠結(jié)充填體垮塌事故［5］。因此，有必要就下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采場(chǎng)穩(wěn)定性分析及判斷方法進(jìn)行研究。

1 下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法作業(yè)方式及特征

下向分層膠結(jié)充填采礦法將礦體在延深方向劃分為中段（或階段），中段再劃分為分段或直接劃分為回采分層，分層內(nèi)再進(jìn)一步劃分為最為基本的回采單元即回采分條或回采進(jìn)路，采礦形成的采空區(qū)需要采用膠結(jié)充填料及時(shí)進(jìn)行充填。就其回采順序來(lái)看，不論是中段、分段還是分層，都是采取從上到下的回采順序。而分層內(nèi)回采基本單元（回采進(jìn)路）采取隔一采一的方式保持多條進(jìn)路同時(shí)回采，此外厚大礦體通常會(huì)采取多區(qū)域同時(shí)回采的工作方式。圖1為典型的下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

需要指出的是，正是由于完全的自上而下的回采順序，使得下向分層膠結(jié)充填法具有不同于其他充填采礦法的技術(shù)特征，即膠結(jié)充填體為采場(chǎng)的直接頂板，采場(chǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題主要是膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性問(wèn)題。同時(shí)，不同于其他采礦方法的采空區(qū)，其采場(chǎng)采空區(qū)呈現(xiàn)為多個(gè)間隔存在的長(zhǎng)條形采空區(qū)形態(tài)，且采空區(qū)之間的間隔（即間柱寬度）較小，一般僅為4～6 m左右，間柱的穩(wěn)定性也會(huì)影響到采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

2 地下采場(chǎng)采空區(qū)穩(wěn)定性分析與判定方法

地下采場(chǎng)采空區(qū)的穩(wěn)定性分析與判斷可以通過(guò)理論計(jì)算［6］、數(shù)值模擬［7］、Mathews穩(wěn)定圖法［8］以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)［9］等手段來(lái)進(jìn)行。但是，就實(shí)際工程應(yīng)用角度看，理論計(jì)算可操作性強(qiáng)，其結(jié)果也往往能夠起到一定的指導(dǎo)作用，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較為復(fù)雜、巖性變化較大時(shí)則無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；數(shù)值模擬具有經(jīng)濟(jì)易行等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用最為廣泛也最具前景，但其結(jié)果易受人為主觀解釋的影響；而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段通常只能對(duì)影響采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行事中及事后被動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)采礦生產(chǎn)指導(dǎo)的及時(shí)性較差，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，投入較大。

雖然Mathews穩(wěn)定圖法是目前接受度較高、應(yīng)用較普遍的地下空間穩(wěn)定性分析與判斷方法，但該方法需要確定巖體質(zhì)量指標(biāo)修正值、巖石應(yīng)力系數(shù)、節(jié)理方位系數(shù)、空區(qū)重力調(diào)整系數(shù)以及穩(wěn)定數(shù)和空區(qū)形狀系數(shù)等多個(gè)復(fù)雜且較難以獲取的參數(shù)，使用起來(lái)仍顯復(fù)雜和繁瑣。盡管如此，Mathews穩(wěn)定圖法主要是對(duì)單一連續(xù)的采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，而對(duì)于類(lèi)似下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采礦形成的距離較近、相互影響的采空區(qū)群落的穩(wěn)定性問(wèn)題，目前還沒(méi)有一個(gè)明確而有效的分析及判斷方法。因此，有必要探索一些更為簡(jiǎn)便、實(shí)用且及時(shí)有效的分析方法，對(duì)地下采場(chǎng)空間包括相互影響的多個(gè)地下采場(chǎng)空間的穩(wěn)定性進(jìn)行事前評(píng)估和判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)安全進(jìn)行及時(shí)有效的指導(dǎo)。

2.1 單一連續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定性判定方法

地下采場(chǎng)采空區(qū)的穩(wěn)定性分析和判斷，可以根據(jù)其是否符合發(fā)生自然冒落的條件來(lái)進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)對(duì)單一連續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定性判斷使用較多的方法是由東北大學(xué)任鳳玉教授提出的誘導(dǎo)冒落理論［10］。該理論考慮了采場(chǎng)埋深、礦巖穩(wěn)固性以及采空區(qū)形態(tài)等諸多因素對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，主要通過(guò)分析采空區(qū)的跨度及面積是否達(dá)到其臨界冒落跨度及面積來(lái)判斷采空區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)。該方法具有簡(jiǎn)單、明了、計(jì)算參數(shù)容易獲取等優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)眾多實(shí)踐案例檢驗(yàn)，證明其具有較好的適用性。在誘導(dǎo)冒落理論中，采空區(qū)臨界冒落半跨度計(jì)算公式如下：

式中，Lc為采空區(qū)臨界冒落半跨度，m；h為采空區(qū)高度，m；Tc為頂板巖體極限抗壓強(qiáng)度，t/m2（平面問(wèn)題）；γ為頂板巖體容重，t/m3；H為空區(qū)頂板埋深，m。

采空區(qū)臨界冒落等價(jià)圓面積計(jì)算公式如下：

需要注意的是，公式（2）中所計(jì)算的采空區(qū)臨界冒落等價(jià)圓面積是指采空區(qū)達(dá)到臨界冒落的有效面積，而并非簡(jiǎn)單的幾何尺寸面積，臨界冒落半跨度相應(yīng)的也是冒落等價(jià)圓的半徑。也就是說(shuō)，當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)的跨度及面積達(dá)到發(fā)生自然冒落的跨度及暴露面積時(shí)，可認(rèn)為采場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；反之，則采場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。然而，地下采礦形成的采空區(qū)形態(tài)通常是較為復(fù)雜且不規(guī)則的，而采空區(qū)形態(tài)會(huì)在很大程度上影響到采空區(qū)的穩(wěn)定性，例如對(duì)下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法而言，單個(gè)進(jìn)路回采所形成的采空區(qū)通常長(zhǎng)度較大而寬度較小，此時(shí)就可能出現(xiàn)單個(gè)進(jìn)路采空區(qū)的實(shí)際暴露面積大于理論計(jì)算出的臨界冒落等價(jià)圓的面積，但進(jìn)路采空區(qū)實(shí)際跨度卻小于理論計(jì)算的臨界冒落半跨度的情況，此時(shí)就難以對(duì)單個(gè)進(jìn)路采空區(qū)的穩(wěn)定性做出判斷。因此，在利用誘導(dǎo)冒落理論分析判斷采場(chǎng)穩(wěn)定性時(shí)，進(jìn)行比較的采空區(qū)面積應(yīng)該是能導(dǎo)致采空區(qū)發(fā)生冒落的有效暴露面積而不是空區(qū)實(shí)際幾何暴露面積。然而，如何將采空區(qū)實(shí)際暴露面積轉(zhuǎn)換為有效暴露面積，目前尚缺乏一個(gè)合理的解決方案。

2.2 相鄰非連續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定性判定方法

對(duì)于下向分層進(jìn)路式回采的膠結(jié)充填采礦法礦山來(lái)講，由于產(chǎn)量或管理等因素的影響，實(shí)際生產(chǎn)中通常都是3～5條甚至更多條進(jìn)路采完后才會(huì)進(jìn)行集中充填，形成了間隔很小但面積很大的相鄰非連續(xù)采空區(qū)。同時(shí)，對(duì)于厚大礦體條件，生產(chǎn)礦山通常會(huì)實(shí)行多區(qū)域回采，每一回采區(qū)域范圍內(nèi)也是幾條進(jìn)路采完后再集中充填，形成了更為復(fù)雜的多區(qū)域相鄰非連續(xù)采空區(qū)，而且這些相鄰非連續(xù)采空區(qū)形態(tài)以及面積還會(huì)隨著采充工作不斷推進(jìn)而不斷變化。可以肯定的是，由于進(jìn)路之間的間柱寬度一般較小，承載力及穩(wěn)定性較差，相鄰采空區(qū)之間的穩(wěn)定性必然會(huì)相互影響。顯然，多區(qū)域的大面積相鄰非連續(xù)采空區(qū)的出現(xiàn)，將使采場(chǎng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)顯著增大，本文中將出現(xiàn)在采場(chǎng)中的大面積相鄰非連續(xù)采空區(qū)稱(chēng)之為“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”。

然而，目前對(duì)于下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采礦形成的相鄰非連續(xù)采空區(qū)的穩(wěn)定性分析與判斷還沒(méi)有一個(gè)比較行之有效的方法。鑒于此，本文提出了一種“等效采空區(qū)法”來(lái)對(duì)其進(jìn)行定量分析和判斷，所謂“等效采空區(qū)法”是將采場(chǎng)內(nèi)相鄰但不連續(xù)的采空區(qū)面積轉(zhuǎn)換或折算為等效的連續(xù)采空區(qū)面積進(jìn)而定量分析和判斷其穩(wěn)定性的方法。所謂的“等效采空區(qū)”是指考慮了相鄰采空區(qū)間柱寬度以及采空區(qū)形態(tài)（長(zhǎng)寬比）等因素后，可視為能代表采場(chǎng)相鄰非連續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)的連續(xù)采空區(qū)。

根據(jù)生產(chǎn)礦山了解到的實(shí)際情況，下向分層膠結(jié)充填法的冒落一般只發(fā)生在礦體范圍內(nèi)的采空區(qū)，故主要考慮礦體內(nèi)以膠結(jié)充填體為頂板的采空區(qū)穩(wěn)定性問(wèn)題。同時(shí)，考慮采空區(qū)形狀因素，將長(zhǎng)寬比等于1的方形或圓形視為最容易冒落的形狀，其他形狀則應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的折減。此外，相鄰采空區(qū)之間礦柱的寬度也是影響采空區(qū)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，必須予以考慮。

這樣，下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采場(chǎng)中相鄰非連續(xù)采空區(qū)（“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”）的等效采空區(qū)暴露面積可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Se為采場(chǎng)內(nèi)某一“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”的等效采空區(qū)暴露面積，m2；St為采場(chǎng)內(nèi)某一“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”中相鄰非連續(xù)采空區(qū)總面積，m2；d為間柱寬度，m，若相鄰采空區(qū)之間間柱寬度不一致，按最小寬度取值；α為采場(chǎng)內(nèi)某一“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”相鄰非連續(xù)采空區(qū)形態(tài)系數(shù)，采用能包含該區(qū)域全部相鄰非連續(xù)采空區(qū)的橢圓長(zhǎng)短軸之比。

若通過(guò)公式（3）計(jì)算出的“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”的等效采空區(qū)面積Se大于公式（2）計(jì)算出的采空區(qū)臨界冒落等價(jià)圓面積Sc，則采場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；反之，則采場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于采場(chǎng)內(nèi)有多個(gè)開(kāi)采區(qū)域的礦山來(lái)講，可首先在采場(chǎng)中圈定出多個(gè)“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”，然后再分別計(jì)算其等效采空區(qū)面積并判斷其穩(wěn)定性。

其實(shí)，“等效采空區(qū)法”既可以應(yīng)用于分析和判斷下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采場(chǎng)的穩(wěn)定性，也可以應(yīng)用于其他類(lèi)型充填法采場(chǎng)甚至是崩落法采場(chǎng)的穩(wěn)定性分析，這也包括具有多個(gè)相鄰非連續(xù)（條柱間隔）采空區(qū)或單一采空區(qū)特征的采場(chǎng)穩(wěn)定性分析。但是，其他類(lèi)型充填法以及崩落法采場(chǎng)的空區(qū)可能具有與下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法不同的形態(tài)特點(diǎn)，比如空區(qū)間柱寬度可能要遠(yuǎn)大于下向分層進(jìn)路式充填法采空進(jìn)路之間的間柱寬度，此時(shí)就需要恰當(dāng)定義“相鄰非連續(xù)采空區(qū)”并合理劃定“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”。根據(jù)受力分析［11］，當(dāng)2個(gè)相鄰采空區(qū)相距較近、間柱寬度較小時(shí)（見(jiàn)圖2（a）所示），各空區(qū)開(kāi)挖引發(fā)的應(yīng)力集中會(huì)在間柱上發(fā)生疊加，若間柱發(fā)生破壞則相鄰采空區(qū)均有可能發(fā)生失穩(wěn)，此時(shí)相鄰采空區(qū)之間的穩(wěn)定性是相互關(guān)聯(lián)的；而當(dāng)相鄰采空區(qū)距離較遠(yuǎn)、間柱寬度較大時(shí)（見(jiàn)圖2（b）所示），各空區(qū)開(kāi)挖引發(fā)的應(yīng)力集中不在間柱上發(fā)生疊加，此時(shí)間柱不易受到破壞，采場(chǎng)的穩(wěn)定性主要取決于單個(gè)采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，相鄰采空區(qū)之間的穩(wěn)定性相互關(guān)聯(lián)度不大。

因此，可以將采空區(qū)之間間柱出現(xiàn)顯著應(yīng)力疊加的采空區(qū)定義為相鄰采空區(qū)；而采空區(qū)之間間柱上基本沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力疊加的采空區(qū)定義為獨(dú)立采空區(qū)。這樣，將定義為相鄰采空區(qū)的區(qū)域劃定為“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”，按照公式（3）計(jì)算其等效采空區(qū)面積Se并根據(jù)公式（2）計(jì)算臨界冒落等價(jià)圓面積Sc，最后通過(guò)對(duì)比二者大小來(lái)判斷采場(chǎng)穩(wěn)定性。

至于定義為獨(dú)立采空區(qū)的區(qū)域，其采場(chǎng)穩(wěn)定性的大小則主要取決于采空區(qū)面積大小及形狀。由于根據(jù)誘導(dǎo)冒落理論計(jì)算出的是采空區(qū)臨界冒落等價(jià)圓半徑以及等價(jià)圓面積，不能直接對(duì)采場(chǎng)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析和判斷。因此，仍可考慮采用“等效采空區(qū)法”來(lái)對(duì)獨(dú)立采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。不過(guò)，此時(shí)“等效采空區(qū)”面積的轉(zhuǎn)換就不再考慮間柱寬度因素而只需要考慮采空區(qū)形狀因素。具體的方法是，根據(jù)獨(dú)立采空區(qū)的實(shí)際形態(tài)，對(duì)于規(guī)則的矩形采空區(qū)直接采用其長(zhǎng)寬比，而對(duì)于不規(guī)則形態(tài)的采空區(qū)，則需要找出最符合采空區(qū)形態(tài)的橢圓并確定其長(zhǎng)短軸之比，計(jì)算“等效采空區(qū)”面積的公式可以簡(jiǎn)化為：

式中，Si為獨(dú)立采空區(qū)實(shí)際暴露面積，m2；α為獨(dú)立采空區(qū)形態(tài)系數(shù)，矩形采空區(qū)直接采用其長(zhǎng)寬比，不規(guī)則形態(tài)采空區(qū)采用最符合該采空區(qū)形態(tài)的橢圓長(zhǎng)短軸之比。

顯然，通過(guò)恰當(dāng)定義相鄰采空區(qū)并合理劃定穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，將“等效采空區(qū)法”這種簡(jiǎn)便有效的方法擴(kuò)大應(yīng)用至其他類(lèi)型充填法甚至崩落法采場(chǎng)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)中，包括對(duì)多個(gè)采空區(qū)和單個(gè)采空區(qū)的采場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與分析，可以解決目前地下礦山采場(chǎng)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)缺乏簡(jiǎn)便有效方法的困境。

3 下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法采場(chǎng)穩(wěn)定性判定與分析

某礦為一大型有色金屬礦山，地表以下100 m見(jiàn)礦，礦體賦存標(biāo)高為1 058～1 671 m，走向北27°西，傾向南西，傾角 70°～80°，厚度 28～200 m，沿走向全長(zhǎng)463 m，礦體及圍巖均較破碎。由于礦石價(jià)值較高，加之礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力大且礦巖破碎，礦山采用下向水平分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法進(jìn)行開(kāi)采，回采進(jìn)路寬度為6 m，高度為5 m，進(jìn)路之間的間柱寬度4 m。礦山選擇棒磨砂為充填骨料，膠凝材料選擇425#普通硅酸鹽水泥，充填料漿灰砂比為1∶4，濃度為78%，膠結(jié)充填體的強(qiáng)度要求為5 MPa。為擴(kuò)大產(chǎn)能，礦山采用上、下雙中段同時(shí)作業(yè)的回采模式，年產(chǎn)能可達(dá)165萬(wàn)t。圖3為礦山在2016年3月時(shí)的雙中段回采狀態(tài)。

2016年3月13日凌晨03:30時(shí)，礦山上部中段1 613 m充填分層的工區(qū)值班人員發(fā)現(xiàn)7行勘探線2號(hào)分層道33號(hào)進(jìn)路兩幫充填體明顯變形開(kāi)裂，并伴有異響，采區(qū)立即組織人員及設(shè)備撤離。當(dāng)日06:40時(shí)該分層采場(chǎng)發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)，冒落的膠結(jié)充填體散塊將5行、6行、7行穿脈分層道堵死，見(jiàn)圖4所示。盡管本次采場(chǎng)垮塌事故未造成人員傷亡，但直接導(dǎo)致上部中段的采礦作業(yè)全面中止，給礦山帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

依據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算可知，該礦1 613 m充填分層采場(chǎng)發(fā)生臨界冒落的空區(qū)半跨度為10.8 m，臨界冒落等價(jià)圓面積為366 m2。而礦山回采進(jìn)路寬度為6 m，進(jìn)路長(zhǎng)度一般為40～50 m，單條進(jìn)路對(duì)應(yīng)最大采空區(qū)暴露面積在300 m2以?xún)?nèi)，因而如果從單個(gè)進(jìn)路回采形成的采空區(qū)跨度和暴露面積來(lái)看，膠結(jié)充填采場(chǎng)是穩(wěn)定的。也就是說(shuō)，采場(chǎng)如果能按照“采一充一”工作方式來(lái)進(jìn)行的話(huà)，采場(chǎng)便能保持穩(wěn)定，然而采場(chǎng)中通常在某一集中區(qū)域有多條相鄰進(jìn)路在集中采礦，采礦結(jié)束后才統(tǒng)一充填，此時(shí)就需要采用“等效采空區(qū)法”來(lái)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行判別。1 613 m充填分層采場(chǎng)頂板垮塌時(shí)的采場(chǎng)回采狀態(tài)如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，該分層垮塌時(shí)采場(chǎng)中存在3個(gè)“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”，即圖5中的A、B、C3個(gè)區(qū)域，其中發(fā)生垮塌的部位為C區(qū)域，A、B區(qū)域保持穩(wěn)定。為驗(yàn)證本文所提出的“等效采空區(qū)法”的有效性和可靠性，采用“等效采空區(qū)法”對(duì)1 613 m充填分層中3個(gè)“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析判別，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

先利用能包含“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”全部相鄰非連續(xù)采空區(qū)的橢圓將上述3個(gè)“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”的具體區(qū)域圈定，同時(shí)測(cè)量出橢圓的長(zhǎng)半軸及短半軸的長(zhǎng)度，并分別測(cè)量出上述3個(gè)“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”中包含的采空區(qū)實(shí)際暴露面積，再利用公式（3）計(jì)算出各“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”的等效采空區(qū)暴露面積，最后與公式（2）計(jì)算出的該充填分層的臨界冒落等價(jià)圓面積相比較進(jìn)行判斷，相關(guān)計(jì)算及分析結(jié)果見(jiàn)表1。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，1 613 m充填分層中編號(hào)為C的“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”計(jì)算出的等效采空區(qū)暴露面積已達(dá)580 m2，遠(yuǎn)超過(guò)該分層采空區(qū)臨界冒落等價(jià)圓面積366 m2，因而該區(qū)域?qū)儆诓环€(wěn)定區(qū)域，極有可能發(fā)生采場(chǎng)大面積失穩(wěn)事故，事實(shí)上采場(chǎng)垮塌事故也確發(fā)生在該區(qū)域。而A、B兩個(gè)“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”的等效采空區(qū)暴露面積分別為162 m2和100 m2，小于該分層采空區(qū)臨界冒落等價(jià)圓面積，故應(yīng)該處于穩(wěn)定狀態(tài)，而事實(shí)上這2個(gè)區(qū)域也的確處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢钥闯?，1 613 m充填分層各回采區(qū)域的實(shí)際穩(wěn)定情況與計(jì)算結(jié)果作出的分析判斷非常吻合，說(shuō)明采用“等效采空區(qū)法”來(lái)計(jì)算和分析具有相鄰非連續(xù)采空區(qū)特點(diǎn)的下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采場(chǎng)穩(wěn)定性的方法是可行的，也是有效的。

為進(jìn)一步驗(yàn)證“等效采空區(qū)法”的有效性，持續(xù)采用該方法對(duì)礦山下部中段1 494 m充填分層的采礦情況進(jìn)行跟蹤并進(jìn)行穩(wěn)定性判斷。圖6給出了1 494 m充填分層在2018年9月時(shí)的開(kāi)采狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)時(shí)采場(chǎng)開(kāi)采狀態(tài)，可以在該分層劃分出4個(gè)具有相鄰采空區(qū)特征的“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”。

圈定好“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”后，采用“等效采空區(qū)法”對(duì)各“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”進(jìn)行分析判斷，相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)列于表2之中。由計(jì)算結(jié)果可以看出，1 494 m充填分層的4個(gè)“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”的等效采空區(qū)暴露面積為43～86 m2，低于該分層采空區(qū)的臨界冒落等價(jià)圓面積162 m2。因此，可以認(rèn)為在該回采狀態(tài)下1 494 m充填采場(chǎng)不僅整體是穩(wěn)定的，各回采區(qū)域也是穩(wěn)定的，該結(jié)論與1 494 m充填采場(chǎng)在2018年9月時(shí)的實(shí)際狀況是吻合的。

經(jīng)過(guò)半年回采后，再次采用“等效采空區(qū)法”對(duì)1 494 m充填分層的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析判斷。圖7為1 494 m充填分層在2019年3月時(shí)的開(kāi)采狀態(tài)，此時(shí)在采場(chǎng)中可以劃分出5個(gè)具有相鄰非連續(xù)采空區(qū)特征的“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”。

同樣的，采用“等效采空區(qū)法”對(duì)2019年3月時(shí)1 494 m充填分層的各“穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”進(jìn)行分析判斷，計(jì)算數(shù)據(jù)及分析結(jié)果列于表3之中。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)近半年左右的回采，1 494 m充填分層部分回采區(qū)域（區(qū)域C）出現(xiàn)了等效采空區(qū)面積大于該分層臨界冒落等價(jià)圓面積的情況，表明該區(qū)域已經(jīng)具有潛在冒落風(fēng)險(xiǎn)，屬于不穩(wěn)定區(qū)域，需要減緩回采速度、加快充填進(jìn)度，以減少采空區(qū)暴露面積。同時(shí)，E區(qū)域的等效采空區(qū)面積也趨近于臨界冒落等價(jià)圓面積，因此該區(qū)域也需要調(diào)整采充進(jìn)度，減少采空區(qū)面積，確保采場(chǎng)穩(wěn)定。隨后，礦山及時(shí)根據(jù)本次計(jì)算結(jié)果對(duì)1 494 m分層的采充進(jìn)度進(jìn)行了必要調(diào)整，在后續(xù)生產(chǎn)中采場(chǎng)保持穩(wěn)定與安全狀態(tài)。

以上實(shí)例分析結(jié)果表明，對(duì)于具有相鄰非連續(xù)采空區(qū)特點(diǎn)的下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填礦法，采用“等效采空區(qū)法”對(duì)其采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析和判斷是可行的，也是有效的，該方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)膠結(jié)充填采場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)的定量分析和定性判斷，而且在操作上更簡(jiǎn)便易行，便于及時(shí)掌控采場(chǎng)的采充進(jìn)度，確保采場(chǎng)作業(yè)安全，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)更具指導(dǎo)性。

4 結(jié) 論

針對(duì)下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采場(chǎng)穩(wěn)定性分析及判別過(guò)程復(fù)雜、繁瑣、難度大的問(wèn)題提出了等效采空區(qū)法，致力于以一種簡(jiǎn)便有效的方法來(lái)解決下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采場(chǎng)穩(wěn)定性的分析與判斷問(wèn)題，得到如下結(jié)論：

（1）等效采空區(qū)法綜合考慮了采場(chǎng)地壓、膠結(jié)充填體強(qiáng)度、間柱寬度以及采空區(qū)形態(tài)等多重因素對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，不僅能實(shí)現(xiàn)相鄰非連續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定性的定量計(jì)算與分析，更能反映出采場(chǎng)的實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)，且具有簡(jiǎn)單、明了、操作性好、針對(duì)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，實(shí)踐證明這種方法有效可行。

（2）通過(guò)恰當(dāng)定義相鄰采空區(qū)并合理劃定穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，可以將等效采空區(qū)法這種簡(jiǎn)便有效的方法擴(kuò)大應(yīng)用至其他類(lèi)型充填法甚至崩落法采場(chǎng)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)中，包括對(duì)多個(gè)相鄰非連續(xù)采空區(qū)（條柱間隔）和單個(gè)采空區(qū)的采場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與分析，解決了目前地下礦山采場(chǎng)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)缺乏簡(jiǎn)便有效方法的困境。

（3）作為主要針對(duì)下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法采場(chǎng)穩(wěn)定性分析與判斷問(wèn)題而提出的解決方法，等效采空區(qū)法也存在一定的局限性。首先，采空區(qū)主要針對(duì)的是條柱間隔的非連續(xù)相鄰采空區(qū)，不包括空?qǐng)龇c(diǎn)柱分布的連續(xù)采空區(qū)；同時(shí)，當(dāng)間柱尺寸較大時(shí)，有可能出現(xiàn)相鄰非連續(xù)采空區(qū)計(jì)算的等效采空區(qū)暴露面積小于按照單個(gè)獨(dú)立采空區(qū)計(jì)算的等效采空區(qū)暴露面積的情況，此時(shí)應(yīng)按照單個(gè)獨(dú)立采空區(qū)進(jìn)行分析和判斷?？傊?，等效采空區(qū)法擴(kuò)大應(yīng)用的可行性及有效性還有待通過(guò)進(jìn)一步的理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行必要的驗(yàn)證和完善。