滇西北某矿山井下泥石流成灾机理的数值模拟研究

王 旭，李 阳，魏庆喜，王必成，朱登云

(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)

0 引 言

云南省某矿山采用的采矿工艺为自然崩落法，矿山在开采的过程中，地表的移动、错位和塌陷在所难免。随着开采深度的加深和地表崩塌范围的不断增大，一旦遇到汛期，矿区降水、上部地表径流、高山雪水融化，甚至出现滑坡等，带动数十米的地表覆盖层(冰碛层)和风化破碎岩屑一起进入塌陷区，极易造成井下泥石流事故，对矿山的安全生产造成重大影响。在国内，程潮铁矿、大冶铁矿、梅山铁矿等均发生过不同程度的泥石流地质灾害。

鉴于以上原因，有必要对矿区形成泥石流的机理进行分析研究。采用数值模拟软件PFC(Particle Follow Code)，对井下采矿的过程进行模拟，通过分析模拟的结果，从而得出相应的结论，提出相应的防治措施。

1 软件介绍

PFC3D(Particle Follow Code 3 Dimension)是一种三维粒子流程序，它采用离散单元方法来对圆形粒子介质的运动和相互作用进行模拟。PFC3D数值模拟软件采用离散单元法计算颗粒与颗粒之间的相互作用，可以很好地模拟泥石流渗流过程中各种固体颗粒的运动和相互作用；软件自带的CFD流体模块，可以模拟泥石流中水对固体颗粒的作用。因此，该研究选用PFC3D数值模拟软件中的流固耦合模块，采用双向流固耦合对井下泥石流的积聚过程进行模拟。文中的软件为PFC5.0版本。

2 数值模拟过程

2.1 生成颗粒

根据已有的有关该矿山的勘察报告及相关资料，矿区整体地层情况为地表冰碛物及下部矿体，因此，该次数值模拟实验的模型物源整体分为上下2层，上层为冰碛物，下层为崩落的矿石。其中崩落矿石层上部冰碛物层的平均厚度为80 m，自然崩落法中段崩落平均高度为200 m，根据相似理论的几何相似比以及软件机制，对实际的冰碛物及矿体的厚度进行缩放，按照1：30的比例对其进行缩小，缩小后的冰碛物层的厚度为27 cm，矿体的厚度为67 cm。同时对冰碛物和矿体的平均颗粒的大小进行缩小，缩小后上层冰碛物颗粒粒径小于0.7 mm，下层矿石颗粒粒径为2.3～0.7 mm。根据已有的勘察报告，上层冰碛物的平均密度为2 204 kg/m3，下层矿石的平均密度为2 690 kg/m3。上层冰碛物通过Ball命令完成，假定矿石在下落的过程中不会发生破坏，因此下层矿石通过Clump命令完成。见图1(为方便统一，以下模拟中，深色部分均为上层冰碛物，

图1 试验中建立的模型Fig.1 Experimental model

浅色部分均为下层崩落的矿石)。由于软件机制与计算效率的影响，该次模拟上层冰碛物颗粒粒径均扩大为0.7 mm，下层矿石颗粒粒径均扩大为2.3 cm。

2.2 边界条件

该次试验边界采用墙边界，长度为75 cm，宽度为45 cm，高度为94 cm。在底部中间位置开孔，模拟出料口，孔为边长为4.2 cm的正方形，孔的间距为15 cm，共5个。

2.3 初始条件

由于阻尼部分仅用来提供粘结滞留作用，用于消耗能量，它的大小对该次试验的结果几乎无影响，该次试验取阻尼系数为0.7。重力加速度取10 m/s2。根据已有的勘察报告，上层冰碛物的平均渗透系数取5.32E-03 cm/s。

3 模拟结果

3.1 降雨强度0.563 ml/min时的放矿泥石流模拟

该试验模拟的降雨强度为0.563 ml/min，与此对应的实际降雨强度为72.2 mm/h，即模拟该矿山所在地区1975-2010年的年实时最大降雨量。

模拟结果分布详见图2-5，剩余颗粒数统计详见图6。

图2 初始状态颗粒分布图Fig.2 Initial particle distribution

图3 运行25.5万步时颗粒分布图Fig.3 Particle distribution at step 255，000

图4 运行30万步时颗粒分布图Fig.4 Particle distribution at step 300，000

图5 运行31.5万步时颗粒分布图Fig.5 Particle distribution at step 315，000

图6 剩余颗粒数统计图Fig.6 Histogram of remaining particle counts

3.2 降雨强度0.293 ml/min时的放矿泥石流模拟

该试验模拟的降雨强度为0.293 ml/min，与此对应的实际降雨强度为37.7 mm/h，即模拟该矿山所在地区1975-2010年共34年来的各年日最大降雨量的平均值。

模拟结果分布见图7-10，剩余颗粒数统计详见图11。

图7 初始状态颗粒分布图Fig.7 Initial particle distribution

图8 运行49.5万步时颗粒分布图Fig.8 Particle distribution at step 495，000

图9 运行55.5万步时颗粒分布图Fig.9 Particle distribution at step 555，000

图10 运行57万步时颗粒分布图Fig.10 Particle distributionat step 570，000

图11 剩余颗粒数统计图Fig.11 Statistics of remaining particle counts

3.3 降雨强度0.293 ml/min时的放矿泥石流模拟

该试验模拟的降雨强度为0.186 ml/min，与此对应的实际降雨强度为23.7 mm/h，即模拟该矿山所在地区1975-2010年共34年来的年最小日降雨量。

模拟结果分布详见图12-15，剩余颗粒数统计详见图16。

图12 初始状态颗粒分布图Fig.12 Initial particle distribution

图13 运行102万步时颗粒分布图Fig.13 Particle distribution at step 1，020，000

图14 运行105万步时颗粒分布图Fig.14 Particle distribution at step 1，050，000

图15 运行108万步时颗粒分布图Fig.15 Particle distribution at step 1，080，000

图16 剩余颗粒数统计图Fig.16 Statistics of remaining particle counts

4 治理措施建议

(1)在放矿过程中应人为调整放矿顺序，使其形成均衡放矿，放矿不均衡会导致部分出矿口出矿量变大，从而提高发生井下灾害的几率。

(2)应在塌陷区外围形成有效的截排水措施，采用截水沟、排水竖井等措施，将塌陷区外的地表水与地下水进行有效的疏排，减少流入塌陷坑内的水量，从而减少井下泥石流发生的可能性。

(3)在塌陷区周围及井下进行位移及应力实时监测，一旦出现位移或应力变化较大的情况，立即前往查看，必要时应停止采矿活动。

(4)该地区存在雨季及旱季，应及时调整放矿计划，雨季时减少出矿量，旱季时增加出矿量。

5 结 语

对该矿山的不同降雨强度下放矿泥石流数值模拟试验进行了研究，对以上研究内容进行总结，得出如下结论：

1)通过放矿泥石流数值模拟试验在3种不同降雨强度下，即0.563 ml/min(实际降雨强度72.2 mm/h)、0.293 ml/min(实际降雨强度37.7 mm/h)和0.186 ml/min(实际降雨强度23.7 mm/h)。

(1)试验模拟0.563 ml/min(实际降雨强度72.2 mm/h)的降雨强度时，地表冰碛物和水的混杂物将从矿石层中的流通通道经由出矿口快速涌出(模型运行29.25万步)，会产生拥有较大能量的泥石流；

(2)试验模拟0.293 ml/min(实际降雨强度37.7 mm/h)的降雨强度时，地表冰碛物和水的混杂物将从矿石层中的流通通道经由出矿口较快涌出(模型运行51万步)，可能会产生较小能量的泥石流；

(3)试验模拟0.186 ml/min(实际降雨强度23.7 mm/h)的降雨强度时，地表冰碛物和水的混杂物将从矿石层中的流通通道经由出矿口较慢涌出(模型运行96万步)，矿石和冰碛物颗粒间的粘滞性较大，放矿相对较为困难。

2)根据不同降雨强度条件下的放矿泥石流数值模拟试验可知，在整个放矿的过程中，刚开始由出矿口释放的都是纯矿石，无地表冰碛物放出。随着下部矿石的逐步放出，其放出速度会不断增大，随后地表冰碛物会流出，随着矿石与地表冰碛物的不断流出，流出速度达到最大速度，随后速度开始减少。地表随着井下放矿量的增多而产生变形，当流出的矿石量累积到一定程度时地表才会出现大的变形开裂，直到全部冒落破坏。

3)根据不同降雨强度条件下的放矿泥石流数值模拟试验可知，随着放矿时间的推移，在自然状态下出矿的过程中，矿石与冰碛物不能自行遵循均衡放矿，出矿口流出冰碛物与矿石的顺序为先两端，后中间。若不能人为控制出矿口的出矿顺序，则对整个放矿过程非常不利。