崩落采礦形成冰磧補(bǔ)給型泥石流相似模擬試驗(yàn)

吳 濤，侯克鵬 ，汪德文，馮興隆 ，趙冰峰

(1.中鋁國(guó)際工程股份有限公司昆明分公司，云南 昆明 650000； 2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093；3.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；4.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 迪慶 674400)

0 引言

我國(guó)的泥石流自然災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，一旦發(fā)生泥石流，將嚴(yán)重威脅周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。冰磧補(bǔ)給型泥石流作為發(fā)育在高寒山區(qū)的特殊地質(zhì)災(zāi)害類型，由于冰磧土物源分布的地貌部位相對(duì)較高，故此類泥石流爆發(fā)時(shí)具有頻率高、運(yùn)動(dòng)速度快、運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)、沖出規(guī)模大等特點(diǎn)[1-3]。

目前針對(duì)礦山泥石流的研究方法主要有理論分析法、數(shù)值模擬法、相似模擬法等[4-6]。屈永平等[7]發(fā)現(xiàn)泥石流流域內(nèi)松散物的啟動(dòng)主要在于物源含水率及地表徑流深。莫時(shí)雄等[8]采用層次分析法確定了礦山泥石流發(fā)育潛勢(shì)度的影響因素權(quán)重系數(shù)，通過(guò)模糊數(shù)學(xué)理論判定礦山泥石流發(fā)育潛勢(shì)度的級(jí)別。莫志柏[9]分析了秦嶺鉛硐山礦區(qū)的礦渣形成泥石流的啟動(dòng)機(jī)理，并提出了啟動(dòng)判別式。韓征等[10]基于HBP本構(gòu)模型對(duì)泥石流動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行了SPH數(shù)值模擬。賈世濤[11]在室內(nèi)二維水槽模型試驗(yàn)中，通過(guò)改變泥石流容重、一次過(guò)程總量、庫(kù)存狀態(tài)和模型壩的開(kāi)孔率等控制參數(shù)，模擬不同性質(zhì)的泥石流在攔沙壩多種工作狀態(tài)下的過(guò)流情況，重點(diǎn)分析了泥石流性能參數(shù)隨控制參數(shù)的變化規(guī)律。

目前針對(duì)冰磧補(bǔ)給型泥石流的研究甚少，本文以云南普朗銅礦為研究背景，開(kāi)展了相似模擬試驗(yàn)，對(duì)冰磧物在礦山崩落空間的發(fā)展過(guò)程中是否會(huì)形成泥石流進(jìn)行研究。

1 工程概況

普朗銅礦位于滇西北迪慶藏族自治州東部，地理坐標(biāo)：東經(jīng)99°58′33″～99°59′47″，北緯28°01′43″～28°03′20″。該礦山采用自然崩落法開(kāi)采，在回采過(guò)程中勢(shì)必會(huì)造成地表移動(dòng)、錯(cuò)動(dòng)和塌陷。隨著開(kāi)采深度的增加及地表塌陷范圍的不斷擴(kuò)大，在汛期時(shí)，降雨、上游地表徑流、高山積雪消融水、滑坡山體等將帶動(dòng)地表的數(shù)十米覆蓋層(冰磧層)及風(fēng)化的破碎巖屑一起進(jìn)入塌陷區(qū)，極易引發(fā)井下泥石流災(zāi)害。因此，有必要對(duì)該礦區(qū)崩落空間的發(fā)展過(guò)程中是否會(huì)形成泥石流進(jìn)行研究。

2 模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)條件，確定本次模擬試驗(yàn)的相似比為1∶30。模型尺寸為0.75 m×0.4 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，底部設(shè)5個(gè)放礦口，從左到右依次編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#(見(jiàn)圖1)。

圖1 放礦泥石流相似模擬試驗(yàn)裝置示意圖

自然崩落礦石的平均塊度小于0.7 m，則試驗(yàn)所采用的顆粒粒徑要小于2.3 cm。室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)冰磧物顆粒粒徑如表1所示。

表1 泥石流室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)冰磧物顆粒粒徑

2.2 最大降雨條件下的放礦泥石流模擬

模擬試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為0.563 mL/min，對(duì)應(yīng)的實(shí)際降雨強(qiáng)度為72.2 mm/h，模擬該礦區(qū)年單點(diǎn)最大降雨量。試驗(yàn)每次按照3#、4#、2#放礦口的放礦順序依次放礦，3#、4#、2#各放礦口放完1次礦為1個(gè)放礦步驟，共計(jì)6個(gè)放礦步驟。因篇幅所限，試驗(yàn)部分過(guò)程見(jiàn)圖2—圖5。

圖2 第1個(gè)放礦步驟3#放礦口放礦圖

圖3 第1個(gè)放礦步驟結(jié)束后的冰磧物狀態(tài)

圖4 第6個(gè)放礦步驟3#放礦口放礦及漏斗圖

圖5 第6個(gè)放礦步驟結(jié)束后的冰磧物狀態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

每個(gè)循環(huán)3#、4#、2#放礦口隨時(shí)間放出1 kg物料中礦石、冰磧物和水的質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系分別見(jiàn)圖6—圖8。

圖6 3#放礦口放出1 kg物料中礦石、冰磧物和水的質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖7 4#放礦口放出1 kg物料中礦石、冰磧物和水的質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖8 2#放礦口放出1 kg物料中礦石、冰磧物和水的質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系曲線

經(jīng)分析圖6-圖8以及觀察試驗(yàn)現(xiàn)象可知：

a.每個(gè)放礦循環(huán)3#、4#、2#放礦口放出1 kg物料中礦石質(zhì)量的規(guī)律均為：最初放出的礦石都是純礦石，放出的礦石量最多；隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的地表冰磧物被放出，放出的礦石量逐漸減少；待地表冰磧物即將放完后又有一定量的礦石放出，隨后放出的礦石量又逐漸增加[12]。

b.在模擬整個(gè)放礦的過(guò)程中，每個(gè)放礦循環(huán)3#、4#、2#放礦口放出1 kg質(zhì)量物料中水的質(zhì)量具有隨機(jī)性。

c.通過(guò)室內(nèi)放礦泥石流模擬試驗(yàn)可知：均衡放礦過(guò)程中，第1次由3#、4#、2#放礦口放出的礦石都是純礦石，地表冰磧物層只是隨著放出礦石的量的增多而發(fā)生變形；說(shuō)明在放礦的整個(gè)過(guò)程中都不會(huì)有泥石流的形成和發(fā)生，也不會(huì)出現(xiàn)地表冰磧物通過(guò)礦石間的孔隙形成“穿流”泥石流[11]；因?yàn)榇藭r(shí)地表冰磧物未經(jīng)放礦口放出，未在礦石層中形成發(fā)生泥石流的通道，在最大降雨強(qiáng)度條件下，只滿足形成泥石流的3個(gè)條件中的物源條件和水動(dòng)力條件，不滿足有利地形條件。

d.3#放礦口在240 min、4#放礦口在260 min、2#放礦口在220 min時(shí)，放出的礦石和地表冰磧物的量差值最大，放出的地表冰磧物量最多，而放出的礦石量最少，而此時(shí)地表冰磧物已在礦石層中形成了通道，這便為泥石流的形成提供了豐富的物源條件和有利的地形條；此時(shí)模擬的是強(qiáng)降雨條件，這又為泥石流的形成提供了充分的水動(dòng)力條件；因此，此時(shí)地表冰磧物和水的混合物將從礦石層中的通道由放礦口迅速涌出，形成具有較大能量的泥石流。

4 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展普朗銅礦崩落采礦形成冰磧補(bǔ)給型泥石流的相似模擬試驗(yàn)，得出如下主要結(jié)論：

a.最初放出的礦石均為純礦石，放出的礦石量最多；隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的地表冰磧物被放出，放出的礦石量逐漸減少；待地表冰磧物即將放完后又有一定量的礦石放出，隨后放出的礦石量又會(huì)逐漸增加。

b.放出單位質(zhì)量物料的水的質(zhì)量具有隨機(jī)性。

c.當(dāng)?shù)乇肀兾镂唇?jīng)放礦口放出時(shí)，沒(méi)有在放礦的礦石層中形成發(fā)生泥石流的通道，即使在最大降雨強(qiáng)度條件下，在純礦石的放礦過(guò)程中也不能形成泥石流。

d.當(dāng)放出的礦石和地表冰磧物的量差值最大即放出的地表冰磧物量最多時(shí)，地表冰磧物和水的混合物將從礦石層中的通道由放礦口迅速涌出，形成具有較大能量的泥石流。