普朗銅礦誘發井下泥石流的預測與防治

王 旭，范柱國，李青煒，肖敏杰，余保汶，李永鵬

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650000； 2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051； 3.中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080; 4.中國土木工程集團有限公司，北京 100038； 5.中國電建集團國際工程有限公司，北京 100000； 6.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

早期我國所開展的泥石流研究，注重于對發生過程的觀察、地形地貌的描述和形成環境的分析，以定性研究為主，機理方面的研究內容涉及較少。目前人們已普遍意識到認清泥石流啟動機理是準確預報泥石流以實現防災減災工作的前提。因此，學者們在相關理論及實驗方面開展積極研究，并取得了較多成果，在廣泛調查的基礎上對泥石流的宏觀分布規律、發育特征進行了總結，進一步建立了泥石流啟動、運動過程等相關模型，對泥石流流域產匯流、流變流態等研究的重點難點開展了深入研究并取得了重要進展，完善了泥石流的理論體系，并基于泥石流啟動機理建立了一系列泥石流預測預警模型[1-2]。

對于泥石流啟動機理方面的理論研究，目前國內的成果仍然是定性方面的比較多，在定量研究方面雖然學者們做了很多工作，但由于泥石流的影響因素過多，無法在研究時全面考慮，而現場實驗開展的難度也較大，因此研究過程中不可避免的需要進行各種假設，定量研究的成果相對較少。其中，杜榕桓、吳積善、康志成等[3-5]學者在中國泥石流形成機理方面進行了開創性工作，并在云南小江流域建立了東川蔣家溝泥石流觀測研究站，積累了大量寶貴的觀測資料。近年來，中科院成都山地所的崔鵬、楊順等[6-7]在研究泥石流啟動機理并應用于泥石流預測預警方面也積累了較多經驗，其研究理論與預警方法在長江上游地區獲得了較好的推廣應用成效，可以認為目前該理論的定量研究成果已一定程度上展現了泥石流啟動的本質，對相關機理研究起到了推進作用。

1 工程概況

普朗銅礦位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉市，海拔平均為3 350 m～3 600 m。礦體呈筒狀，北西向展布，南部較寬，達360 m～600 m，北部變窄為120 m～300 m。東側傾向北東，傾角25°～57°，西側傾向南西，傾角35°～83°，為超大型斑巖銅礦[8]。該礦品位低、節理構造較為發育，有5條較大斷層穿過，且礦區地處環保敏感地帶，地表無法進行表土剝離。圖1，圖2分別為銅礦的衛星平面圖和三維建模圖。普朗銅礦是一座采用自然崩落法開采的超大型地下礦山，總體為一被斷裂破壞的紅山復式背斜，由一系列北北西向緊密線性褶皺和同向斷裂組成。根據礦山開采特點，隨著生產進行地表塌陷范圍逐漸擴大，在雨季降雨影響下，發生井下突泥或泥石流風險依然存在。因此，為降低生產過程中井下突泥或泥石流對安全生產的風險，開展生產過程中井下泥石流形成條件及預防措施研究工作，以找出普朗銅礦生產過程中井下泥石流形成機理，提出適宜普朗銅礦井下泥石流防控措施，確保礦山后期安全、持續、穩定生產。

2 試驗預測研究

為找到普朗銅礦生產過程中井下泥石流發生的預測判據，本文結合礦山以往多次發生井下泥石流的特征，探索普朗銅礦雨季期間出礦口物質實際含水率、井下泥石流物質中冰磧物含量、井下泥石流物質的顆粒級配、井下泥石流物質液塑限等指標間的內在聯系，制定出一套適用于普朗銅礦生產過程中井下泥石流發生的評判標準。為此，開展了以下大量的現場測試工作以及室內試驗工作。

其中多次對普朗銅礦3 720 m出礦水平的所有13條穿脈上的約300個出礦口進行現場含水率測定，并對各個出礦口物質含水率進行標定及處理。此外，為獲得普朗銅礦井下泥石流物質的各個物理力學指標，對不同位置的井下泥石流物質進行了取樣工作，并對三組井下泥石流物質開展了大量的室內物理量及土工試驗研究。

2.1 試驗簡介

由于普朗銅礦井下泥石流物質中含有大量的地表冰磧物顆粒，因此普朗銅礦井下泥石流物質隨著含水量的不同，可處于各種不同的稠度狀態，如流動狀態、可塑狀態、半固體狀態、固體狀態。為了確定井下泥石流物質的稠度狀態，就必須先確定泥石流物質從某一狀態過渡到另一狀態的界限含水量，而液限和塑限在工程上是經常用到的兩種界限含水量。因此本文重點介紹室內開展的液塑限試驗研究。

液限、塑限聯合測定法是根據圓錐儀的圓錐入土深度與其相應的含量在雙對數坐標上具有線性關系的特性來測定含水量的一種方法。利用圓錐質量為76 g的液塑限聯合測定儀測得土在不同含水量時的圓錐入土深度，并繪制其關系直線圖，在圖上查得圓錐下沉深度為17 mm所 對應的含水量即為液限，查得圓錐下沉深度為2 mm所對應的含水量即為塑限。

依據GB/T 50123—2019土工試驗方法標準規范，液限(WL)表示泥石流物質由流動狀態轉向塑性狀態時的界限含水量，即保持塑性狀態的最高含水量；塑限(WP)表示泥石流物質由塑性狀態過渡到半固體狀態時的界限含水量，即保持塑性狀態的最低含水量。普朗銅礦井下泥石流物質的液限和塑限采用土壤液塑限聯合測定儀測定，LP-100D型數顯式土壤液塑限聯合測定儀見圖3。

2.2 試驗結果

本試驗對于三組井下泥石流物質的基本性能展開了研究測定，其中普朗銅礦雨季期間出礦口物質實際含水率、井下泥石流物質中冰磧物含量、井下泥石流物質液塑限等指標見表1。

表1 普朗銅礦三組井下泥石流物質技術參數表

并依據JGJ 52—2006新標準方孔砂石篩規范要求，對該三組井下泥石流物質顆粒進行篩分統計，獲得其顆粒物質級配組成，普朗銅礦三組井下泥石流物質顆粒粒徑級配見表2。采用LP-100D型數顯式土壤液塑限聯合測定儀測定的普朗銅礦三組井下泥石流物質液塑限曲線見圖4～圖6。

表2 普朗銅礦三組井下泥石流物質顆粒粒徑級配表

2.3 試驗分析

圖7為普朗銅礦雨季期間出礦口物質實際含水率與井下泥石流物質液塑限指標之間的關系，通過分析圖7普朗銅礦雨季期間出礦口物質實際含水率與井下泥石流物質液塑限指標之間的關系，出礦口物質實際含水率W與井下泥石流物質液限WL之間呈現高度相關的對數關系，即兩者之間的擬合關系：WL=13.424ln(W)-13.702，相關系數R2=0.947，說明井下泥石流物質液限WL與出礦口物質實際含水率W之間的相關程度較高，換言之井下泥石流物質液限WL與出礦口物質實際含水率W之間存在著內在聯系。因此，井下泥石流物質液限指標可作為誘發井下泥石流預測判據的誘因之一。由于獲得現場出礦口物質液限指標需要在實驗室進行測定，若礦山生產現場直接采用出礦口物質液限指標來判斷井下泥石流的發生存在時間上的延遲，故從礦山生產角度考慮，既不現實也不可靠。但是現場出礦口物質實際含水率與出礦口物質液限指標之間呈現高度的對數關系，因此采用現場出礦口物質實際含水率來預測評判井下泥石流是否發生既直接又可靠，故現場出礦口物質實際含水率可作為誘發井下泥石流預測判據的因素之一。

圖8為出礦口物質實際含水率與井下泥石流物質中冰磧物含量(含泥量)指標之間的關系，分析圖8的普朗銅礦雨季期間出礦口物質實際含水率與井下泥石流物質中冰磧物含量之間的關系，出礦口物質實際含水率W與井下泥石流物質中冰磧物含量B之間也呈現高度相關的對數關系，即兩者之間的擬合關系：B=251ln(W)-735.739，相關系數R2=0.892，說明井下泥石流物質中冰磧物含量B與出礦口物質實際含水率W之間的相關程度也較高，也即是井下泥石流物質中冰磧物含量B與出礦口物質實際含水率W之間也存在著內在關聯。因此，現場出礦口物質中冰磧物含量指標也可作為誘發井下泥石流預測判據的誘因之一。

對于表2所給出的普朗銅礦三組井下泥石流物質顆粒粒徑級配組成，可知三組井下泥石流物質中粒徑小于1.0 mm的顆粒物質含量(質量分數)都在40%以上，其中井下泥石流樣1和井下泥石流樣3的小于1.0 mm粒徑的顆粒物質含量(質量分數)都在58%以上。說明普朗礦區井下泥石流物質中的細小顆粒較多，同時也反映了井下泥石流物質中冰磧物含量也較多。因此，現場出礦口物質中的細小顆粒(顆粒粒徑小于1.0 mm)含量也可作為誘發井下泥石流預測判據的因素之一。

2.4 井下泥石流評判標準

通過以上對普朗銅礦生產過程誘發井下泥石流預測判據影響因素的分析可知，現場出礦口物質實際含水率、現場出礦口物質中冰磧物含量和現場出礦口物質中的細小顆粒(顆粒粒徑小于1.0 mm)含量的三個指標，都可作為普朗銅礦生產過程中誘發井下泥石流的預測評判因素。因此，普朗銅礦生產過程中井下泥石流發生的評判標準如下：1)現場出礦口物質實際含水率(質量分數)不小于20%；2)現場出礦口物質中冰磧物含量(質量分數)不小于30%；3)現場出礦口物質中的細小顆粒(顆粒粒徑小于1.0 mm)含量(質量分數)不小于50%。如果礦山生產過程中的現場出礦口物質出現三個指標中的某些指標時，就可能會誘發井下泥石流災害事故。

3 井下泥石流的防治

普朗銅礦自然崩落法泥石流防治措施的目標是通過理論與經驗相結合的方法提前預測泥石流的發生，提前布置治理措施，削弱泥石流的形成條件，減緩、抑制泥石流物源啟動，降低泥石流發生機率和減少泥石流沖出量，治理工程應能防御設計標準內的泥石流危害，進而保護普朗銅礦自然崩落法采礦活動及井下人員、設施的安全，為采礦的普朗銅礦正常生產創造條件。

3.1 井下泥石流的預防

通過上文的分析研究，生產過程中井下泥石流分區防控級別劃分如下：Ⅰ核心區：現場出礦口物質三個指標中出現其中某兩個以上指標列為核心管控區；Ⅱ過渡區：現場出礦口物質三個指標中出現其中某一個指標列為過渡管控區；Ⅲ安全區：現場出礦口物質三個指標都未出現時列為安全管控區。

以此標準劃分的核心管控區、過渡區、安全區應按以下要求進行放礦管理：核心管控區采用定額出礦管理松動出礦，在保證安全的前提下使用無人鏟運機定額出礦，以避免底部結構上覆崩落礦石壓死，見圖7；過渡區出礦口需采取嚴格的均衡放礦管理，實行各出礦口定額出礦制度；安全區出礦口需要實行均勻放礦管理制度。

3.2 井下泥石流的治理

根據泥石流形成條件及機理等相關研究結論，普朗銅礦自然崩落法采礦活動區域存在產生井下泥石流的條件，并將對普朗銅礦自然崩落法采礦活動及井下人員、設施的安全造成了較大影響。為避免普朗銅礦自然崩落法采礦活動人員及工業設施遭受泥石流危害，必須對該泥石流采取防治措施。為此，需針對泥石流發生的三大要素——水源條件、地形條件和物源條件考慮綜合治理方案，有針對性地對地表及井下泥石流聯合防治提出綜合治理方法，形成專項方案和綜合防治方案。根據泥石流形成的三個基本條件，緊密結合普朗銅礦自然崩落法采礦特點，建議建立以地表控水、防水和治水為基礎，以在塌陷區監測和控制冰磧層、松散體和斷層破碎體等物源為重點，以在采礦和出礦過程中嚴格按設計規劃順序采礦和均衡出礦從而有效抑制井筒式放礦或局部凹槽等不利通道為核心的三位一體的泥石流聯合防治體系。

首先通過實施部分截排水工程實現疏導和阻斷地表水源從而抑制泥石流啟動的水動力。其次是通過施工部分毛石混凝土擋墻或塊石鋼筋籠嚴格控制塌陷區周邊地表坡積物及松散堆積物，通過監測監控系統及生產管控系統有效監測和有序控制礦體上部冰磧層的垮落以限制和減少泥石流物料進入塌陷區。最后是通過科學、嚴謹的生產技術管理體系和科技手段，制定符合普朗銅礦自然崩落法實際的礦山安全生產管理制度與規程，并嚴格執行；使礦山生產嚴格按設計規劃順序落礦并實現均衡出礦，最大限度地避免井筒式放礦的局部凹槽和空區的產生，有效避免井下泥石流通道的形成。

4 結論

1)普朗銅礦井下泥石流的發生可依據出礦口物質實際含水率與井下泥石流物質液塑限指標、出礦口物質實際含水率與井下泥石流物質中冰磧物含量(含泥量)指標以及井下泥石流物質顆粒粒徑級配組成來進行預測。

2)井下泥石流的預防可以依據預測指標進行劃分安全防控等級區，嚴格管理松動出礦。

3)井下泥石流治理可采用地表與井下聯合治理方法，以控、防、治水為基礎，通過截排水進行阻隔水的影響；以控制塌陷區松動為關鍵，通過施工加固松動堆積體避免礦區進一步塌陷；以監測、科學管理為保障，通過布局精準、實時、有效的監測設備以及科學的礦區工作管理制度，極大地避免安全事故的發生。