自然崩落法诱发井下泥石流降雨临界阈值试验

李志钧，牛向东，曾庆田，侯克鹏，李争荣，，吴 明，彭 张，魏银鸿

（1.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 迪庆 674400；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；3.云南省中-德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室，昆明 650093）

相对于井下泥石流而言，地表泥石流具有较强的普遍性及致灾伤亡大，往往引起人们的异常关注，是学者研究的热点之一［1-4］。目前关于泥石流降雨临界阈值研究成果多集中在地表自然坡度下形成的泥石流［5-12］；唐旺等［13］为研究降雨型泥石流与降雨量间的关系，采用统计分类方法对丹巴县254条自然泥石流的降雨预警阈值进行分类，并给出预警等级和发生可能性大小；李宁等［14］采用遥感技术对沟道泥石流进行了相关研究，结果显示震后泥石流在2008－2013年间表现出降雨阈值逐渐增大规律，然而在2019年时降雨阈值逐渐减小变化；李锡强等［15］对高山泥石流相关资料分析，表明暴雨诱发泥石流具有很强的时空特点，雨强超过20 mm／h工况条件下较易发生泥石流且泥石流发生的高发时段是20：00-02：00。魏学利等［16］根据公路泥石流的激发雨型及激发雨量特点，研究了降雨型泥石流诱发的降雨阈值，表明降雨历时和雨强均值间表现出反比规律。徐继维等［17］对舟曲泥石流降雨阈值进行了相关研究，基于水文理论获得各频率工况下洪峰流量和降雨阈值，确定了不同预警级别工况时的泥石流发生所需雨强。

相对于地表自然泥石流降雨阈值丰富的研究成果，目前矿山井下泥石流研究成果较少，其中对于地下矿山诱发井下泥石流的降雨阈值和暴发时间研究更是寥寥无几［18-23］。而目前降雨阈值可通过物理模型和经验模型确定，其中物理模型又分为试验模型和概念模型，经验模型分为历史模型和体积模型［24］。因试验模型具有室内重现、直观、可靠等优点被大量用于泥石流研究［25］。通过开展诱发井下泥石流降雨阈值和暴发时间试验模型研究，对具有诱发井下泥石流风险的矿山具有重要的现实指导意义。

1 矿区概况及地质构造

普朗铜矿采用自然崩落法开采，以岩体自重应力对矿体进行崩落，随着开采深度增加和地表塌陷区域不断扩大，一旦遇到汛期，矿区降雨、上游地表径流、高山积雪消融水、甚至滑坡山体等，带动地表的细粒冰碛物覆盖层及风化的破碎岩屑一起涌入塌陷区，极易诱发矿山井下泥石流灾害，给井下出矿系统及人员设备等带来重大安全威胁。矿山从2019年开始就已发生多次规模不一的井下泥石流事故，给矿山生产带来较大经济损失。矿区内断裂发育且中、新生代构造活动强烈，矿区范围内主要出露地层见表1。

表1 矿区内主要揭露地层系统信息Table 1 The main outcropping strata within the mining area

2 矿区细粒冰碛物物源条件

井下泥石流与地表泥石流形成具有一些共性，因此诱发形成井下泥石流也要同时满足三个基本条件：1）物源条件：存在大量松散的固体物质，即矿区地表丰富松散的冰碛物质，矿区第四系地表冰碛物面积约0.65 km2，厚度0～81.59 m；2）有利地形地貌（通道）：崩落法回采矿体过程中，地表出现变形塌陷，形成的塌陷坑使地表细粒冰碛物颗粒向塌陷坑内分选汇集，将地表与井下连通，为井下泥石流形成创造有利的通道条件，见图1；3）水动力条件：能够在短时间补给充足的水源，普朗铜矿矿区内水最大的来源是降雨，每年5～10月为矿区雨季，具有降雨集中且降雨历时长等特点。

图1 矿区现场塌陷坑范围Fig.1 Surface mining subsidence area scene FIG deformation

3 降雨阈值室内试验研究

3.1 放矿模型及物料技术参数

为开展矿区不同降雨强度工况下诱发井下泥石流的降雨阈值及暴发时间研究，对室内放矿试验模型进行设计，放矿模型试验系统主要由储水装置、放矿装置和降雨装置三部分组成，见图2～4。

图2 室内相似试验模型底部结构放矿口设计图Fig.2 Indoor test model similar bottom structure ore port design

图3 室内相似试验模型设计图Fig.3 Interior design is similar to test model

泥石流室内相似模拟试验所使用冰碛物试验颗粒粒径见表2，试验矿石颗粒最大粒径不超过2.3 cm。

图4 室内相似试验模型装置实物图Fig.4 Physical map of indoor similar test model device

表2 室内模拟试验冰碛物颗粒特征参数Table 2 Landslides interior diameter similar simulation test listing particles moraine

3.2 放矿试验降雨强度确定

为研究普朗铜矿放矿过程中诱发井下泥石流的降雨阈值，选取矿区1975－2010年间（其中2006和2007年数据缺失）的日最大雨量、日最小雨量和日平均雨量进行试验。室内模拟试验不同工况条件下的雨强参数，见表3。

表3 室内模拟试验不同工况条件下的雨强参数Table 3 Rainfall intensity list of laboratory tests used

3.3 试验过程及数据处理

采用均衡放矿模式进行出矿，出矿口按照3＃→4＃→2＃次 序 放 矿，3＃放 矿 口 在 雨 强0.563 m L／min时各循环放矿漏斗形态，见图5。对各放矿口放出的矿石量、地表冰碛物量和水量进行数据分析，得到3＃、4＃和2＃放矿口放出各物质量占比随放矿时间的变化规律，见图6～8。

图5 3＃放矿口在雨强0.563 m L／min时各循环放矿漏斗图Fig.5 3＃Drawing funnel diagram of each cycle when the ore exit is at a rain intensity of 0.563 mL／min

图6 3＃放矿口放出各物料质量占比随时间变化规律Fig.6 3＃Variation law of the proportion of the quality of each material discharged from the ore outlet over time

图7 4＃放矿口放出各物料质量占比随时间变化规律Fig.7 4＃Variation law of the proportion of the quality of each material discharged from the ore outlet over time

图8 2＃放矿口放出各物料质量占比随时间变化规律Fig.8 2＃Variation law of the proportion of the quality of each material discharged from the ore outlet over time

3.4 试验结果分析

地表冰碛物细颗粒物质为井下泥石流发生提供丰富物源条件，矿区雨季持续降雨为井下泥石流形成提供水动力条件。随着放矿量不断增加，冰碛物颗粒逐渐被放出，当冰碛物颗粒放出一定量时会在矿石层中形成通道，为井下泥石流发生奠定有利流通条件。在矿山生产过程中，若满足泥石流发生的三个必要条件，则极易诱发井下泥石流事故。

通过对试验过程和数据分析，在雨强0.563 m L／min工况条件下，细粒冰碛物与水形成浆体经矿石层中的通道由放矿口以较大速度流出，形成具有能量较大的井下泥石流；在雨强0.293 m L／min工况条件下，冰碛物颗粒和水的黏稠混合物流动性较弱，只会在放矿过程中缓慢流出，具有发生井下泥石流的潜能；在雨强0.186 m L／min工况条件下，冰碛物颗粒和少量雨水形成黏性较大半固体状膏体，基本不具流动性，形成井下泥石流概率较低。因此，降雨强度0.293 m L／min为诱发井下泥石流的临界降雨强度，是井下泥石流发生的极限临界状态，则降雨强度0.293 m L／min为诱发井下泥石流的降雨阈值。

分析图6～8的3＃、4＃和2＃放矿口放出各物料质量占比随时间变化规律，当降雨强度0.563 m L／min时，3＃、4＃和2＃放矿口分别在240、260和220 min放出矿石量最少且放出冰碛物量最多，同时伴随着大量水被放出，说明各出矿口在此刻形成了冰碛物流动通道，大量冰碛物浆体由出矿口涌出，由此可判断3＃、4＃和2＃放矿口诱发井下泥石流的暴发时间分别为240、260和220 min。同理，当降雨强度0.293 m L／min时，3＃、4＃和2＃放矿口诱发井下泥石流的暴发时间分别为180、200和220 min。

4 降雨临界阈值理论核算验证

降雨是井下泥石流形成的主要触发因素，临界阈值是指降雨、水文等因素达到或超过某一数值时可能引发矿山工程灾害［26-27］。目前临界雨量研究方法主要有统计法及理论法，利用水文学理论方法，基于水量总量原理来构建并计算井下泥石流触发的降雨阈值［28-29］。水量平衡方程为：

式中，R为径流量水深，m；P为一次降雨总量，mm；I为一次降雨入渗量，mm。

以1 h为单位，径流区域内径流水深表达式为：

式中，Q为径流区域内最大流量，m3／s；A为径流区域面积，m2。

径流系数K定义为径流量与降雨总量之比，即：

基于2020年普朗矿山井下泥石流事件数据进行分析，2020年9月地表塌陷坑径流区域面积A＝233 626 2.48 m2，通过室内地表冰碛物径流试验得到径流系数K＝0.555，经统计径流区域内最大流量Q＝896.497 m3／min。将上述参数带入公式（1）～（4）计算得到1 h内的降雨总量P＝41.5 mm，大于试验获得的实际降雨阈值37.7 mm／h，证明了试验确定井下泥石流降雨临界阈值的科学性和合理性。

则降雨总量P可以由径流量R和径流系数K计算得到：

5 结论

1）在雨强0.563 m L／min工况条件下，极易诱发能量较大的井下泥石流；在雨强0.293 m L／min工况条件下，具有发生井下泥石流的潜能；在雨强0.186 m L／min工况条件下，形成井下泥石流概率较低。

2）降雨强度0.293 m L／min是井下泥石流发生的极限临界状态，是诱发井下泥石流的降雨阈值。并利用水文学理论方法，基于水量总量原理验证了试验确定降雨临界阈值的科学性和合理性。

3）降雨强度0.563 m L／min时，3＃、4＃和2＃放矿口诱发井下泥石流的暴发时间分别为240、260和220 min；降雨强度0.293 m L／min时，3＃、4＃和2＃放矿口诱发井下泥石流的暴发时间分别为180、200和220 min。