崩落采矿形成冰碛补给型泥石流相似模拟试验

吴 涛，侯克鹏 ，汪德文，冯兴隆 ，赵冰峰

(1.中铝国际工程股份有限公司昆明分公司，云南 昆明 650000； 2.昆明理工大学，云南 昆明 650093；3.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；4.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 迪庆 674400)

0 引言

我国的泥石流自然灾害发生较为频繁，一旦发生泥石流，将严重威胁周边群众的生命财产安全。冰碛补给型泥石流作为发育在高寒山区的特殊地质灾害类型，由于冰碛土物源分布的地貌部位相对较高，故此类泥石流爆发时具有频率高、运动速度快、运动距离远、冲出规模大等特点[1-3]。

目前针对矿山泥石流的研究方法主要有理论分析法、数值模拟法、相似模拟法等[4-6]。屈永平等[7]发现泥石流流域内松散物的启动主要在于物源含水率及地表径流深。莫时雄等[8]采用层次分析法确定了矿山泥石流发育潜势度的影响因素权重系数，通过模糊数学理论判定矿山泥石流发育潜势度的级别。莫志柏[9]分析了秦岭铅硐山矿区的矿渣形成泥石流的启动机理，并提出了启动判别式。韩征等[10]基于HBP本构模型对泥石流动力过程进行了SPH数值模拟。贾世涛[11]在室内二维水槽模型试验中，通过改变泥石流容重、一次过程总量、库存状态和模型坝的开孔率等控制参数，模拟不同性质的泥石流在拦沙坝多种工作状态下的过流情况，重点分析了泥石流性能参数随控制参数的变化规律。

目前针对冰碛补给型泥石流的研究甚少，本文以云南普朗铜矿为研究背景，开展了相似模拟试验，对冰碛物在矿山崩落空间的发展过程中是否会形成泥石流进行研究。

1 工程概况

普朗铜矿位于滇西北迪庆藏族自治州东部，地理坐标：东经99°58′33″～99°59′47″，北纬28°01′43″～28°03′20″。该矿山采用自然崩落法开采，在回采过程中势必会造成地表移动、错动和塌陷。随着开采深度的增加及地表塌陷范围的不断扩大，在汛期时，降雨、上游地表径流、高山积雪消融水、滑坡山体等将带动地表的数十米覆盖层(冰碛层)及风化的破碎岩屑一起进入塌陷区，极易引发井下泥石流灾害。因此，有必要对该矿区崩落空间的发展过程中是否会形成泥石流进行研究。

2 模拟试验

2.1 试验材料

根据现有试验条件，确定本次模拟试验的相似比为1∶30。模型尺寸为0.75 m×0.4 m×1.5 m(长×宽×高)，底部设5个放矿口，从左到右依次编号为1#、2#、3#、4#、5#(见图1)。

图1 放矿泥石流相似模拟试验装置示意图

自然崩落矿石的平均块度小于0.7 m，则试验所采用的颗粒粒径要小于2.3 cm。室内相似模拟试验冰碛物颗粒粒径如表1所示。

表1 泥石流室内相似模拟试验冰碛物颗粒粒径

2.2 最大降雨条件下的放矿泥石流模拟

模拟试验降雨强度为0.563 mL/min，对应的实际降雨强度为72.2 mm/h，模拟该矿区年单点最大降雨量。试验每次按照3#、4#、2#放矿口的放矿顺序依次放矿，3#、4#、2#各放矿口放完1次矿为1个放矿步骤，共计6个放矿步骤。因篇幅所限，试验部分过程见图2—图5。

图2 第1个放矿步骤3#放矿口放矿图

图3 第1个放矿步骤结束后的冰碛物状态

图4 第6个放矿步骤3#放矿口放矿及漏斗图

图5 第6个放矿步骤结束后的冰碛物状态

3 试验结果及分析

每个循环3#、4#、2#放矿口随时间放出1 kg物料中矿石、冰碛物和水的质量与时间的关系分别见图6—图8。

图6 3#放矿口放出1 kg物料中矿石、冰碛物和水的质量与时间的关系曲线

图7 4#放矿口放出1 kg物料中矿石、冰碛物和水的质量与时间的关系曲线

图8 2#放矿口放出1 kg物料中矿石、冰碛物和水的质量与时间的关系曲线

经分析图6-图8以及观察试验现象可知：

a.每个放矿循环3#、4#、2#放矿口放出1 kg物料中矿石质量的规律均为：最初放出的矿石都是纯矿石，放出的矿石量最多；随着时间的推移，越来越多的地表冰碛物被放出，放出的矿石量逐渐减少；待地表冰碛物即将放完后又有一定量的矿石放出，随后放出的矿石量又逐渐增加[12]。

b.在模拟整个放矿的过程中，每个放矿循环3#、4#、2#放矿口放出1 kg质量物料中水的质量具有随机性。

c.通过室内放矿泥石流模拟试验可知：均衡放矿过程中，第1次由3#、4#、2#放矿口放出的矿石都是纯矿石，地表冰碛物层只是随着放出矿石的量的增多而发生变形；说明在放矿的整个过程中都不会有泥石流的形成和发生，也不会出现地表冰碛物通过矿石间的孔隙形成“穿流”泥石流[11]；因为此时地表冰碛物未经放矿口放出，未在矿石层中形成发生泥石流的通道，在最大降雨强度条件下，只满足形成泥石流的3个条件中的物源条件和水动力条件，不满足有利地形条件。

d.3#放矿口在240 min、4#放矿口在260 min、2#放矿口在220 min时，放出的矿石和地表冰碛物的量差值最大，放出的地表冰碛物量最多，而放出的矿石量最少，而此时地表冰碛物已在矿石层中形成了通道，这便为泥石流的形成提供了丰富的物源条件和有利的地形条；此时模拟的是强降雨条件，这又为泥石流的形成提供了充分的水动力条件；因此，此时地表冰碛物和水的混合物将从矿石层中的通道由放矿口迅速涌出，形成具有较大能量的泥石流。

4 结论

通过开展普朗铜矿崩落采矿形成冰碛补给型泥石流的相似模拟试验，得出如下主要结论：

a.最初放出的矿石均为纯矿石，放出的矿石量最多；随着时间的推移，越来越多的地表冰碛物被放出，放出的矿石量逐渐减少；待地表冰碛物即将放完后又有一定量的矿石放出，随后放出的矿石量又会逐渐增加。

b.放出单位质量物料的水的质量具有随机性。

c.当地表冰碛物未经放矿口放出时，没有在放矿的矿石层中形成发生泥石流的通道，即使在最大降雨强度条件下，在纯矿石的放矿过程中也不能形成泥石流。

d.当放出的矿石和地表冰碛物的量差值最大即放出的地表冰碛物量最多时，地表冰碛物和水的混合物将从矿石层中的通道由放矿口迅速涌出，形成具有较大能量的泥石流。