普朗銅礦誘發(fā)井下泥石流的預(yù)測(cè)與防治

王 旭，范柱國(guó)，李青煒，肖敏杰，余保汶，李永鵬

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650000； 2.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； 3.中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080; 4.中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038； 5.中國(guó)電建集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100000； 6.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

早期我國(guó)所開展的泥石流研究，注重于對(duì)發(fā)生過程的觀察、地形地貌的描述和形成環(huán)境的分析，以定性研究為主，機(jī)理方面的研究?jī)?nèi)容涉及較少。目前人們已普遍意識(shí)到認(rèn)清泥石流啟動(dòng)機(jī)理是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)泥石流以實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)工作的前提。因此，學(xué)者們?cè)谙嚓P(guān)理論及實(shí)驗(yàn)方面開展積極研究，并取得了較多成果，在廣泛調(diào)查的基礎(chǔ)上對(duì)泥石流的宏觀分布規(guī)律、發(fā)育特征進(jìn)行了總結(jié)，進(jìn)一步建立了泥石流啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)過程等相關(guān)模型，對(duì)泥石流流域產(chǎn)匯流、流變流態(tài)等研究的重點(diǎn)難點(diǎn)開展了深入研究并取得了重要進(jìn)展，完善了泥石流的理論體系，并基于泥石流啟動(dòng)機(jī)理建立了一系列泥石流預(yù)測(cè)預(yù)警模型[1-2]。

對(duì)于泥石流啟動(dòng)機(jī)理方面的理論研究，目前國(guó)內(nèi)的成果仍然是定性方面的比較多，在定量研究方面雖然學(xué)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(shí)全面考慮，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)開展的難度也較大，因此研究過程中不可避免的需要進(jìn)行各種假設(shè)，定量研究的成果相對(duì)較少。其中，杜榕桓、吳積善、康志成等[3-5]學(xué)者在中國(guó)泥石流形成機(jī)理方面進(jìn)行了開創(chuàng)性工作，并在云南小江流域建立了東川蔣家溝泥石流觀測(cè)研究站，積累了大量寶貴的觀測(cè)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(dòng)機(jī)理并應(yīng)用于泥石流預(yù)測(cè)預(yù)警方面也積累了較多經(jīng)驗(yàn)，其研究理論與預(yù)警方法在長(zhǎng)江上游地區(qū)獲得了較好的推廣應(yīng)用成效，可以認(rèn)為目前該理論的定量研究成果已一定程度上展現(xiàn)了泥石流啟動(dòng)的本質(zhì)，對(duì)相關(guān)機(jī)理研究起到了推進(jìn)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(dá)360 m～600 m，北部變窄為120 m～300 m。東側(cè)傾向北東，傾角25°～57°，西側(cè)傾向南西，傾角35°～83°，為超大型斑巖銅礦[8]。該礦品位低、節(jié)理構(gòu)造較為發(fā)育，有5條較大斷層穿過，且礦區(qū)地處環(huán)保敏感地帶，地表無法進(jìn)行表土剝離。圖1，圖2分別為銅礦的衛(wèi)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(fù)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(jù)礦山開采特點(diǎn)，隨著生產(chǎn)進(jìn)行地表塌陷范圍逐漸擴(kuò)大，在雨季降雨影響下，發(fā)生井下突泥或泥石流風(fēng)險(xiǎn)依然存在。因此，為降低生產(chǎn)過程中井下突泥或泥石流對(duì)安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，開展生產(chǎn)過程中井下泥石流形成條件及預(yù)防措施研究工作，以找出普朗銅礦生產(chǎn)過程中井下泥石流形成機(jī)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(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)。

2 試驗(yàn)預(yù)測(cè)研究

為找到普朗銅礦生產(chǎn)過程中井下泥石流發(fā)生的預(yù)測(cè)判據(jù)，本文結(jié)合礦山以往多次發(fā)生井下泥石流的特征，探索普朗銅礦雨季期間出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率、井下泥石流物質(zhì)中冰磧物含量、井下泥石流物質(zhì)的顆粒級(jí)配、井下泥石流物質(zhì)液塑限等指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，制定出一套適用于普朗銅礦生產(chǎn)過程中井下泥石流發(fā)生的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。為此，開展了以下大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作以及室內(nèi)試驗(yàn)工作。

其中多次對(duì)普朗銅礦3 720 m出礦水平的所有13條穿脈上的約300個(gè)出礦口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)含水率測(cè)定，并對(duì)各個(gè)出礦口物質(zhì)含水率進(jìn)行標(biāo)定及處理。此外，為獲得普朗銅礦井下泥石流物質(zhì)的各個(gè)物理力學(xué)指標(biāo)，對(duì)不同位置的井下泥石流物質(zhì)進(jìn)行了取樣工作，并對(duì)三組井下泥石流物質(zhì)開展了大量的室內(nèi)物理量及土工試驗(yàn)研究。

2.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

由于普朗銅礦井下泥石流物質(zhì)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(zhì)隨著含水量的不同，可處于各種不同的稠度狀態(tài)，如流動(dòng)狀態(tài)、可塑狀態(tài)、半固體狀態(tài)、固體狀態(tài)。為了確定井下泥石流物質(zhì)的稠度狀態(tài)，就必須先確定泥石流物質(zhì)從某一狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的界限含水量，而液限和塑限在工程上是經(jīng)常用到的兩種界限含水量。因此本文重點(diǎn)介紹室內(nèi)開展的液塑限試驗(yàn)研究。

液限、塑限聯(lián)合測(cè)定法是根據(jù)圓錐儀的圓錐入土深度與其相應(yīng)的含量在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上具有線性關(guān)系的特性來測(cè)定含水量的一種方法。利用圓錐質(zhì)量為76 g的液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)得土在不同含水量時(shí)的圓錐入土深度，并繪制其關(guān)系直線圖，在圖上查得圓錐下沉深度為17 mm所 對(duì)應(yīng)的含水量即為液限，查得圓錐下沉深度為2 mm所對(duì)應(yīng)的含水量即為塑限。

依據(jù)GB/T 50123—2019土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，液限(WL)表示泥石流物質(zhì)由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)向塑性狀態(tài)時(shí)的界限含水量，即保持塑性狀態(tài)的最高含水量；塑限(WP)表示泥石流物質(zhì)由塑性狀態(tài)過渡到半固體狀態(tài)時(shí)的界限含水量，即保持塑性狀態(tài)的最低含水量。普朗銅礦井下泥石流物質(zhì)的液限和塑限采用土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定，LP-100D型數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀見圖3。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)對(duì)于三組井下泥石流物質(zhì)的基本性能展開了研究測(cè)定，其中普朗銅礦雨季期間出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率、井下泥石流物質(zhì)中冰磧物含量、井下泥石流物質(zhì)液塑限等指標(biāo)見表1。

表1 普朗銅礦三組井下泥石流物質(zhì)技術(shù)參數(shù)表

并依據(jù)JGJ 52—2006新標(biāo)準(zhǔn)方孔砂石篩規(guī)范要求，對(duì)該三組井下泥石流物質(zhì)顆粒進(jìn)行篩分統(tǒng)計(jì)，獲得其顆粒物質(zhì)級(jí)配組成，普朗銅礦三組井下泥石流物質(zhì)顆粒粒徑級(jí)配見表2。采用LP-100D型數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定的普朗銅礦三組井下泥石流物質(zhì)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(zhì)顆粒粒徑級(jí)配表

2.3 試驗(yàn)分析

圖7為普朗銅礦雨季期間出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率與井下泥石流物質(zhì)液塑限指標(biāo)之間的關(guān)系，通過分析圖7普朗銅礦雨季期間出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率與井下泥石流物質(zhì)液塑限指標(biāo)之間的關(guān)系，出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率W與井下泥石流物質(zhì)液限WL之間呈現(xiàn)高度相關(guān)的對(duì)數(shù)關(guān)系，即兩者之間的擬合關(guān)系：WL=13.424ln(W)-13.702，相關(guān)系數(shù)R2=0.947，說明井下泥石流物質(zhì)液限WL與出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率W之間的相關(guān)程度較高，換言之井下泥石流物質(zhì)液限WL與出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率W之間存在著內(nèi)在聯(lián)系。因此，井下泥石流物質(zhì)液限指標(biāo)可作為誘發(fā)井下泥石流預(yù)測(cè)判據(jù)的誘因之一。由于獲得現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)液限指標(biāo)需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定，若礦山生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接采用出礦口物質(zhì)液限指標(biāo)來判斷井下泥石流的發(fā)生存在時(shí)間上的延遲，故從礦山生產(chǎn)角度考慮，既不現(xiàn)實(shí)也不可靠。但是現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率與出礦口物質(zhì)液限指標(biāo)之間呈現(xiàn)高度的對(duì)數(shù)關(guān)系，因此采用現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率來預(yù)測(cè)評(píng)判井下泥石流是否發(fā)生既直接又可靠，故現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率可作為誘發(fā)井下泥石流預(yù)測(cè)判據(jù)的因素之一。

圖8為出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率與井下泥石流物質(zhì)中冰磧物含量(含泥量)指標(biāo)之間的關(guān)系，分析圖8的普朗銅礦雨季期間出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率與井下泥石流物質(zhì)中冰磧物含量之間的關(guān)系，出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率W與井下泥石流物質(zhì)中冰磧物含量B之間也呈現(xiàn)高度相關(guān)的對(duì)數(shù)關(guān)系，即兩者之間的擬合關(guān)系：B=251ln(W)-735.739，相關(guān)系數(shù)R2=0.892，說明井下泥石流物質(zhì)中冰磧物含量B與出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率W之間的相關(guān)程度也較高，也即是井下泥石流物質(zhì)中冰磧物含量B與出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率W之間也存在著內(nèi)在關(guān)聯(lián)。因此，現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)中冰磧物含量指標(biāo)也可作為誘發(fā)井下泥石流預(yù)測(cè)判據(jù)的誘因之一。

對(duì)于表2所給出的普朗銅礦三組井下泥石流物質(zhì)顆粒粒徑級(jí)配組成，可知三組井下泥石流物質(zhì)中粒徑小于1.0 mm的顆粒物質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))都在58%以上。說明普朗礦區(qū)井下泥石流物質(zhì)中的細(xì)小顆粒較多，同時(shí)也反映了井下泥石流物質(zhì)中冰磧物含量也較多。因此，現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)中的細(xì)小顆粒(顆粒粒徑小于1.0 mm)含量也可作為誘發(fā)井下泥石流預(yù)測(cè)判據(jù)的因素之一。

2.4 井下泥石流評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

通過以上對(duì)普朗銅礦生產(chǎn)過程誘發(fā)井下泥石流預(yù)測(cè)判據(jù)影響因素的分析可知，現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率、現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)中冰磧物含量和現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)中的細(xì)小顆粒(顆粒粒徑小于1.0 mm)含量的三個(gè)指標(biāo)，都可作為普朗銅礦生產(chǎn)過程中誘發(fā)井下泥石流的預(yù)測(cè)評(píng)判因素。因此，普朗銅礦生產(chǎn)過程中井下泥石流發(fā)生的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下：1)現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于20%；2)現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)中冰磧物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于30%；3)現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)中的細(xì)小顆粒(顆粒粒徑小于1.0 mm)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于50%。如果礦山生產(chǎn)過程中的現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)出現(xiàn)三個(gè)指標(biāo)中的某些指標(biāo)時(shí)，就可能會(huì)誘發(fā)井下泥石流災(zāi)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(biāo)是通過理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法提前預(yù)測(cè)泥石流的發(fā)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(dòng)，降低泥石流發(fā)生機(jī)率和減少泥石流沖出量，治理工程應(yīng)能防御設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的泥石流危害，進(jìn)而保護(hù)普朗銅礦自然崩落法采礦活動(dòng)及井下人員、設(shè)施的安全，為采礦的普朗銅礦正常生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

3.1 井下泥石流的預(yù)防

通過上文的分析研究，生產(chǎn)過程中井下泥石流分區(qū)防控級(jí)別劃分如下：Ⅰ核心區(qū)：現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)三個(gè)指標(biāo)中出現(xiàn)其中某兩個(gè)以上指標(biāo)列為核心管控區(qū)；Ⅱ過渡區(qū)：現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)三個(gè)指標(biāo)中出現(xiàn)其中某一個(gè)指標(biāo)列為過渡管控區(qū)；Ⅲ安全區(qū)：現(xiàn)場(chǎng)出礦口物質(zhì)三個(gè)指標(biāo)都未出現(xiàn)時(shí)列為安全管控區(qū)。

以此標(biāo)準(zhǔn)劃分的核心管控區(qū)、過渡區(qū)、安全區(qū)應(yīng)按以下要求進(jìn)行放礦管理：核心管控區(qū)采用定額出礦管理松動(dòng)出礦，在保證安全的前提下使用無人鏟運(yùn)機(jī)定額出礦，以避免底部結(jié)構(gòu)上覆崩落礦石壓死，見圖7；過渡區(qū)出礦口需采取嚴(yán)格的均衡放礦管理，實(shí)行各出礦口定額出礦制度；安全區(qū)出礦口需要實(shí)行均勻放礦管理制度。

3.2 井下泥石流的治理

根據(jù)泥石流形成條件及機(jī)理等相關(guān)研究結(jié)論，普朗銅礦自然崩落法采礦活動(dòng)區(qū)域存在產(chǎn)生井下泥石流的條件，并將對(duì)普朗銅礦自然崩落法采礦活動(dòng)及井下人員、設(shè)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(dòng)人員及工業(yè)設(shè)施遭受泥石流危害，必須對(duì)該泥石流采取防治措施。為此，需針對(duì)泥石流發(fā)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(duì)性地對(duì)地表及井下泥石流聯(lián)合防治提出綜合治理方法，形成專項(xiàng)方案和綜合防治方案。根據(jù)泥石流形成的三個(gè)基本條件，緊密結(jié)合普朗銅礦自然崩落法采礦特點(diǎn)，建議建立以地表控水、防水和治水為基礎(chǔ)，以在塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)和控制冰磧層、松散體和斷層破碎體等物源為重點(diǎn)，以在采礦和出礦過程中嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)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(lián)合防治體系。

首先通過實(shí)施部分截排水工程實(shí)現(xiàn)疏導(dǎo)和阻斷地表水源從而抑制泥石流啟動(dòng)的水動(dòng)力。其次是通過施工部分毛石混凝土擋墻或塊石鋼筋籠嚴(yán)格控制塌陷區(qū)周邊地表坡積物及松散堆積物，通過監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)及生產(chǎn)管控系統(tǒng)有效監(jiān)測(cè)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(jìn)入塌陷區(qū)。最后是通過科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳a(chǎn)技術(shù)管理體系和科技手段，制定符合普朗銅礦自然崩落法實(shí)際的礦山安全生產(chǎn)管理制度與規(guī)程，并嚴(yán)格執(zhí)行；使礦山生產(chǎn)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)劃順序落礦并實(shí)現(xiàn)均衡出礦，最大限度地避免井筒式放礦的局部凹槽和空區(qū)的產(chǎn)生，有效避免井下泥石流通道的形成。

4 結(jié)論

1)普朗銅礦井下泥石流的發(fā)生可依據(jù)出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率與井下泥石流物質(zhì)液塑限指標(biāo)、出礦口物質(zhì)實(shí)際含水率與井下泥石流物質(zhì)中冰磧物含量(含泥量)指標(biāo)以及井下泥石流物質(zhì)顆粒粒徑級(jí)配組成來進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2)井下泥石流的預(yù)防可以依據(jù)預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行劃分安全防控等級(jí)區(qū)，嚴(yán)格管理松動(dòng)出礦。

3)井下泥石流治理可采用地表與井下聯(lián)合治理方法，以控、防、治水為基礎(chǔ)，通過截排水進(jìn)行阻隔水的影響；以控制塌陷區(qū)松動(dòng)為關(guān)鍵，通過施工加固松動(dòng)堆積體避免礦區(qū)進(jìn)一步塌陷；以監(jiān)測(cè)、科學(xué)管理為保障，通過布局精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)測(cè)設(shè)備以及科學(xué)的礦區(qū)工作管理制度，極大地避免安全事故的發(fā)生。