普朗铜矿诱发井下泥石流的预测与防治

王 旭，范柱国，李青炜，肖敏杰，余保汶，李永鹏

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650000； 2.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； 3.中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080; 4.中国土木工程集团有限公司，北京 100038； 5.中国电建集团国际工程有限公司，北京 100000； 6.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

早期我国所开展的泥石流研究，注重于对发生过程的观察、地形地貌的描述和形成环境的分析，以定性研究为主，机理方面的研究内容涉及较少。目前人们已普遍意识到认清泥石流启动机理是准确预报泥石流以实现防灾减灾工作的前提。因此，学者们在相关理论及实验方面开展积极研究，并取得了较多成果，在广泛调查的基础上对泥石流的宏观分布规律、发育特征进行了总结，进一步建立了泥石流启动、运动过程等相关模型，对泥石流流域产汇流、流变流态等研究的重点难点开展了深入研究并取得了重要进展，完善了泥石流的理论体系，并基于泥石流启动机理建立了一系列泥石流预测预警模型[1-2]。

对于泥石流启动机理方面的理论研究，目前国内的成果仍然是定性方面的比较多，在定量研究方面虽然学者们做了很多工作，但由于泥石流的影响因素过多，无法在研究时全面考虑，而现场实验开展的难度也较大，因此研究过程中不可避免的需要进行各种假设，定量研究的成果相对较少。其中，杜榕桓、吴积善、康志成等[3-5]学者在中国泥石流形成机理方面进行了开创性工作，并在云南小江流域建立了东川蒋家沟泥石流观测研究站，积累了大量宝贵的观测资料。近年来，中科院成都山地所的崔鹏、杨顺等[6-7]在研究泥石流启动机理并应用于泥石流预测预警方面也积累了较多经验，其研究理论与预警方法在长江上游地区获得了较好的推广应用成效，可以认为目前该理论的定量研究成果已一定程度上展现了泥石流启动的本质，对相关机理研究起到了推进作用。

1 工程概况

普朗铜矿位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉市，海拔平均为3 350 m～3 600 m。矿体呈筒状，北西向展布，南部较宽，达360 m～600 m，北部变窄为120 m～300 m。东侧倾向北东，倾角25°～57°，西侧倾向南西，倾角35°～83°，为超大型斑岩铜矿[8]。该矿品位低、节理构造较为发育，有5条较大断层穿过，且矿区地处环保敏感地带，地表无法进行表土剥离。图1，图2分别为铜矿的卫星平面图和三维建模图。普朗铜矿是一座采用自然崩落法开采的超大型地下矿山，总体为一被断裂破坏的红山复式背斜，由一系列北北西向紧密线性褶皱和同向断裂组成。根据矿山开采特点，随着生产进行地表塌陷范围逐渐扩大，在雨季降雨影响下，发生井下突泥或泥石流风险依然存在。因此，为降低生产过程中井下突泥或泥石流对安全生产的风险，开展生产过程中井下泥石流形成条件及预防措施研究工作，以找出普朗铜矿生产过程中井下泥石流形成机理，提出适宜普朗铜矿井下泥石流防控措施，确保矿山后期安全、持续、稳定生产。

2 试验预测研究

为找到普朗铜矿生产过程中井下泥石流发生的预测判据，本文结合矿山以往多次发生井下泥石流的特征，探索普朗铜矿雨季期间出矿口物质实际含水率、井下泥石流物质中冰碛物含量、井下泥石流物质的颗粒级配、井下泥石流物质液塑限等指标间的内在联系，制定出一套适用于普朗铜矿生产过程中井下泥石流发生的评判标准。为此，开展了以下大量的现场测试工作以及室内试验工作。

其中多次对普朗铜矿3 720 m出矿水平的所有13条穿脉上的约300个出矿口进行现场含水率测定，并对各个出矿口物质含水率进行标定及处理。此外，为获得普朗铜矿井下泥石流物质的各个物理力学指标，对不同位置的井下泥石流物质进行了取样工作，并对三组井下泥石流物质开展了大量的室内物理量及土工试验研究。

2.1 试验简介

由于普朗铜矿井下泥石流物质中含有大量的地表冰碛物颗粒，因此普朗铜矿井下泥石流物质随着含水量的不同，可处于各种不同的稠度状态，如流动状态、可塑状态、半固体状态、固体状态。为了确定井下泥石流物质的稠度状态，就必须先确定泥石流物质从某一状态过渡到另一状态的界限含水量，而液限和塑限在工程上是经常用到的两种界限含水量。因此本文重点介绍室内开展的液塑限试验研究。

液限、塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含量在双对数坐标上具有线性关系的特性来测定含水量的一种方法。利用圆锥质量为76 g的液塑限联合测定仪测得土在不同含水量时的圆锥入土深度，并绘制其关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为17 mm所 对应的含水量即为液限，查得圆锥下沉深度为2 mm所对应的含水量即为塑限。

依据GB/T 50123—2019土工试验方法标准规范，液限(WL)表示泥石流物质由流动状态转向塑性状态时的界限含水量，即保持塑性状态的最高含水量；塑限(WP)表示泥石流物质由塑性状态过渡到半固体状态时的界限含水量，即保持塑性状态的最低含水量。普朗铜矿井下泥石流物质的液限和塑限采用土壤液塑限联合测定仪测定，LP-100D型数显式土壤液塑限联合测定仪见图3。

2.2 试验结果

本试验对于三组井下泥石流物质的基本性能展开了研究测定，其中普朗铜矿雨季期间出矿口物质实际含水率、井下泥石流物质中冰碛物含量、井下泥石流物质液塑限等指标见表1。

表1 普朗铜矿三组井下泥石流物质技术参数表

并依据JGJ 52—2006新标准方孔砂石筛规范要求，对该三组井下泥石流物质颗粒进行筛分统计，获得其颗粒物质级配组成，普朗铜矿三组井下泥石流物质颗粒粒径级配见表2。采用LP-100D型数显式土壤液塑限联合测定仪测定的普朗铜矿三组井下泥石流物质液塑限曲线见图4～图6。

表2 普朗铜矿三组井下泥石流物质颗粒粒径级配表

2.3 试验分析

图7为普朗铜矿雨季期间出矿口物质实际含水率与井下泥石流物质液塑限指标之间的关系，通过分析图7普朗铜矿雨季期间出矿口物质实际含水率与井下泥石流物质液塑限指标之间的关系，出矿口物质实际含水率W与井下泥石流物质液限WL之间呈现高度相关的对数关系，即两者之间的拟合关系：WL=13.424ln(W)-13.702，相关系数R2=0.947，说明井下泥石流物质液限WL与出矿口物质实际含水率W之间的相关程度较高，换言之井下泥石流物质液限WL与出矿口物质实际含水率W之间存在着内在联系。因此，井下泥石流物质液限指标可作为诱发井下泥石流预测判据的诱因之一。由于获得现场出矿口物质液限指标需要在实验室进行测定，若矿山生产现场直接采用出矿口物质液限指标来判断井下泥石流的发生存在时间上的延迟，故从矿山生产角度考虑，既不现实也不可靠。但是现场出矿口物质实际含水率与出矿口物质液限指标之间呈现高度的对数关系，因此采用现场出矿口物质实际含水率来预测评判井下泥石流是否发生既直接又可靠，故现场出矿口物质实际含水率可作为诱发井下泥石流预测判据的因素之一。

图8为出矿口物质实际含水率与井下泥石流物质中冰碛物含量(含泥量)指标之间的关系，分析图8的普朗铜矿雨季期间出矿口物质实际含水率与井下泥石流物质中冰碛物含量之间的关系，出矿口物质实际含水率W与井下泥石流物质中冰碛物含量B之间也呈现高度相关的对数关系，即两者之间的拟合关系：B=251ln(W)-735.739，相关系数R2=0.892，说明井下泥石流物质中冰碛物含量B与出矿口物质实际含水率W之间的相关程度也较高，也即是井下泥石流物质中冰碛物含量B与出矿口物质实际含水率W之间也存在着内在关联。因此，现场出矿口物质中冰碛物含量指标也可作为诱发井下泥石流预测判据的诱因之一。

对于表2所给出的普朗铜矿三组井下泥石流物质颗粒粒径级配组成，可知三组井下泥石流物质中粒径小于1.0 mm的颗粒物质含量(质量分数)都在40%以上，其中井下泥石流样1和井下泥石流样3的小于1.0 mm粒径的颗粒物质含量(质量分数)都在58%以上。说明普朗矿区井下泥石流物质中的细小颗粒较多，同时也反映了井下泥石流物质中冰碛物含量也较多。因此，现场出矿口物质中的细小颗粒(颗粒粒径小于1.0 mm)含量也可作为诱发井下泥石流预测判据的因素之一。

2.4 井下泥石流评判标准

通过以上对普朗铜矿生产过程诱发井下泥石流预测判据影响因素的分析可知，现场出矿口物质实际含水率、现场出矿口物质中冰碛物含量和现场出矿口物质中的细小颗粒(颗粒粒径小于1.0 mm)含量的三个指标，都可作为普朗铜矿生产过程中诱发井下泥石流的预测评判因素。因此，普朗铜矿生产过程中井下泥石流发生的评判标准如下：1)现场出矿口物质实际含水率(质量分数)不小于20%；2)现场出矿口物质中冰碛物含量(质量分数)不小于30%；3)现场出矿口物质中的细小颗粒(颗粒粒径小于1.0 mm)含量(质量分数)不小于50%。如果矿山生产过程中的现场出矿口物质出现三个指标中的某些指标时，就可能会诱发井下泥石流灾害事故。

3 井下泥石流的防治

普朗铜矿自然崩落法泥石流防治措施的目标是通过理论与经验相结合的方法提前预测泥石流的发生，提前布置治理措施，削弱泥石流的形成条件，减缓、抑制泥石流物源启动，降低泥石流发生机率和减少泥石流冲出量，治理工程应能防御设计标准内的泥石流危害，进而保护普朗铜矿自然崩落法采矿活动及井下人员、设施的安全，为采矿的普朗铜矿正常生产创造条件。

3.1 井下泥石流的预防

通过上文的分析研究，生产过程中井下泥石流分区防控级别划分如下：Ⅰ核心区：现场出矿口物质三个指标中出现其中某两个以上指标列为核心管控区；Ⅱ过渡区：现场出矿口物质三个指标中出现其中某一个指标列为过渡管控区；Ⅲ安全区：现场出矿口物质三个指标都未出现时列为安全管控区。

以此标准划分的核心管控区、过渡区、安全区应按以下要求进行放矿管理：核心管控区采用定额出矿管理松动出矿，在保证安全的前提下使用无人铲运机定额出矿，以避免底部结构上覆崩落矿石压死，见图7；过渡区出矿口需采取严格的均衡放矿管理，实行各出矿口定额出矿制度；安全区出矿口需要实行均匀放矿管理制度。

3.2 井下泥石流的治理

根据泥石流形成条件及机理等相关研究结论，普朗铜矿自然崩落法采矿活动区域存在产生井下泥石流的条件，并将对普朗铜矿自然崩落法采矿活动及井下人员、设施的安全造成了较大影响。为避免普朗铜矿自然崩落法采矿活动人员及工业设施遭受泥石流危害，必须对该泥石流采取防治措施。为此，需针对泥石流发生的三大要素——水源条件、地形条件和物源条件考虑综合治理方案，有针对性地对地表及井下泥石流联合防治提出综合治理方法，形成专项方案和综合防治方案。根据泥石流形成的三个基本条件，紧密结合普朗铜矿自然崩落法采矿特点，建议建立以地表控水、防水和治水为基础，以在塌陷区监测和控制冰碛层、松散体和断层破碎体等物源为重点，以在采矿和出矿过程中严格按设计规划顺序采矿和均衡出矿从而有效抑制井筒式放矿或局部凹槽等不利通道为核心的三位一体的泥石流联合防治体系。

首先通过实施部分截排水工程实现疏导和阻断地表水源从而抑制泥石流启动的水动力。其次是通过施工部分毛石混凝土挡墙或块石钢筋笼严格控制塌陷区周边地表坡积物及松散堆积物，通过监测监控系统及生产管控系统有效监测和有序控制矿体上部冰碛层的垮落以限制和减少泥石流物料进入塌陷区。最后是通过科学、严谨的生产技术管理体系和科技手段，制定符合普朗铜矿自然崩落法实际的矿山安全生产管理制度与规程，并严格执行；使矿山生产严格按设计规划顺序落矿并实现均衡出矿，最大限度地避免井筒式放矿的局部凹槽和空区的产生，有效避免井下泥石流通道的形成。

4 结论

1)普朗铜矿井下泥石流的发生可依据出矿口物质实际含水率与井下泥石流物质液塑限指标、出矿口物质实际含水率与井下泥石流物质中冰碛物含量(含泥量)指标以及井下泥石流物质颗粒粒径级配组成来进行预测。

2)井下泥石流的预防可以依据预测指标进行划分安全防控等级区，严格管理松动出矿。

3)井下泥石流治理可采用地表与井下联合治理方法，以控、防、治水为基础，通过截排水进行阻隔水的影响；以控制塌陷区松动为关键，通过施工加固松动堆积体避免矿区进一步塌陷；以监测、科学管理为保障，通过布局精准、实时、有效的监测设备以及科学的矿区工作管理制度，极大地避免安全事故的发生。