滇西北某礦山井下泥石流成災機理的數值模擬研究

王 旭，李 陽，魏慶喜，王必成，朱登云

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

云南省某礦山采用的采礦工藝為自然崩落法，礦山在開采的過程中，地表的移動、錯位和塌陷在所難免。隨著開采深度的加深和地表崩塌范圍的不斷增大，一旦遇到汛期，礦區降水、上部地表徑流、高山雪水融化，甚至出現滑坡等，帶動數十米的地表覆蓋層(冰磧層)和風化破碎巖屑一起進入塌陷區，極易造成井下泥石流事故，對礦山的安全生產造成重大影響。在國內，程潮鐵礦、大冶鐵礦、梅山鐵礦等均發生過不同程度的泥石流地質災害。

鑒于以上原因，有必要對礦區形成泥石流的機理進行分析研究。采用數值模擬軟件PFC(Particle Follow Code)，對井下采礦的過程進行模擬，通過分析模擬的結果，從而得出相應的結論，提出相應的防治措施。

1 軟件介紹

PFC3D(Particle Follow Code 3 Dimension)是一種三維粒子流程序，它采用離散單元方法來對圓形粒子介質的運動和相互作用進行模擬。PFC3D數值模擬軟件采用離散單元法計算顆粒與顆粒之間的相互作用，可以很好地模擬泥石流滲流過程中各種固體顆粒的運動和相互作用；軟件自帶的CFD流體模塊，可以模擬泥石流中水對固體顆粒的作用。因此，該研究選用PFC3D數值模擬軟件中的流固耦合模塊，采用雙向流固耦合對井下泥石流的積聚過程進行模擬。文中的軟件為PFC5.0版本。

2 數值模擬過程

2.1 生成顆粒

根據已有的有關該礦山的勘察報告及相關資料，礦區整體地層情況為地表冰磧物及下部礦體，因此，該次數值模擬實驗的模型物源整體分為上下2層，上層為冰磧物，下層為崩落的礦石。其中崩落礦石層上部冰磧物層的平均厚度為80 m，自然崩落法中段崩落平均高度為200 m，根據相似理論的幾何相似比以及軟件機制，對實際的冰磧物及礦體的厚度進行縮放，按照1：30的比例對其進行縮小，縮小后的冰磧物層的厚度為27 cm，礦體的厚度為67 cm。同時對冰磧物和礦體的平均顆粒的大小進行縮小，縮小后上層冰磧物顆粒粒徑小于0.7 mm，下層礦石顆粒粒徑為2.3～0.7 mm。根據已有的勘察報告，上層冰磧物的平均密度為2 204 kg/m3，下層礦石的平均密度為2 690 kg/m3。上層冰磧物通過Ball命令完成，假定礦石在下落的過程中不會發生破壞，因此下層礦石通過Clump命令完成。見圖1(為方便統一，以下模擬中，深色部分均為上層冰磧物，

圖1 試驗中建立的模型Fig.1 Experimental model

淺色部分均為下層崩落的礦石)。由于軟件機制與計算效率的影響，該次模擬上層冰磧物顆粒粒徑均擴大為0.7 mm，下層礦石顆粒粒徑均擴大為2.3 cm。

2.2 邊界條件

該次試驗邊界采用墻邊界，長度為75 cm，寬度為45 cm，高度為94 cm。在底部中間位置開孔，模擬出料口，孔為邊長為4.2 cm的正方形，孔的間距為15 cm，共5個。

2.3 初始條件

由于阻尼部分僅用來提供粘結滯留作用，用于消耗能量，它的大小對該次試驗的結果幾乎無影響，該次試驗取阻尼系數為0.7。重力加速度取10 m/s2。根據已有的勘察報告，上層冰磧物的平均滲透系數取5.32E-03 cm/s。

3 模擬結果

3.1 降雨強度0.563 ml/min時的放礦泥石流模擬

該試驗模擬的降雨強度為0.563 ml/min，與此對應的實際降雨強度為72.2 mm/h，即模擬該礦山所在地區1975-2010年的年實時最大降雨量。

模擬結果分布詳見圖2-5，剩余顆粒數統計詳見圖6。

圖2 初始狀態顆粒分布圖Fig.2 Initial particle distribution

圖3 運行25.5萬步時顆粒分布圖Fig.3 Particle distribution at step 255，000

圖4 運行30萬步時顆粒分布圖Fig.4 Particle distribution at step 300，000

圖5 運行31.5萬步時顆粒分布圖Fig.5 Particle distribution at step 315，000

圖6 剩余顆粒數統計圖Fig.6 Histogram of remaining particle counts

3.2 降雨強度0.293 ml/min時的放礦泥石流模擬

該試驗模擬的降雨強度為0.293 ml/min，與此對應的實際降雨強度為37.7 mm/h，即模擬該礦山所在地區1975-2010年共34年來的各年日最大降雨量的平均值。

模擬結果分布見圖7-10，剩余顆粒數統計詳見圖11。

圖7 初始狀態顆粒分布圖Fig.7 Initial particle distribution

圖8 運行49.5萬步時顆粒分布圖Fig.8 Particle distribution at step 495，000

圖9 運行55.5萬步時顆粒分布圖Fig.9 Particle distribution at step 555，000

圖10 運行57萬步時顆粒分布圖Fig.10 Particle distributionat step 570，000

圖11 剩余顆粒數統計圖Fig.11 Statistics of remaining particle counts

3.3 降雨強度0.293 ml/min時的放礦泥石流模擬

該試驗模擬的降雨強度為0.186 ml/min，與此對應的實際降雨強度為23.7 mm/h，即模擬該礦山所在地區1975-2010年共34年來的年最小日降雨量。

模擬結果分布詳見圖12-15，剩余顆粒數統計詳見圖16。

圖12 初始狀態顆粒分布圖Fig.12 Initial particle distribution

圖13 運行102萬步時顆粒分布圖Fig.13 Particle distribution at step 1，020，000

圖14 運行105萬步時顆粒分布圖Fig.14 Particle distribution at step 1，050，000

圖15 運行108萬步時顆粒分布圖Fig.15 Particle distribution at step 1，080，000

圖16 剩余顆粒數統計圖Fig.16 Statistics of remaining particle counts

4 治理措施建議

(1)在放礦過程中應人為調整放礦順序，使其形成均衡放礦，放礦不均衡會導致部分出礦口出礦量變大，從而提高發生井下災害的幾率。

(2)應在塌陷區外圍形成有效的截排水措施，采用截水溝、排水豎井等措施，將塌陷區外的地表水與地下水進行有效的疏排，減少流入塌陷坑內的水量，從而減少井下泥石流發生的可能性。

(3)在塌陷區周圍及井下進行位移及應力實時監測，一旦出現位移或應力變化較大的情況，立即前往查看，必要時應停止采礦活動。

(4)該地區存在雨季及旱季，應及時調整放礦計劃，雨季時減少出礦量，旱季時增加出礦量。

5 結 語

對該礦山的不同降雨強度下放礦泥石流數值模擬試驗進行了研究，對以上研究內容進行總結，得出如下結論：

1)通過放礦泥石流數值模擬試驗在3種不同降雨強度下，即0.563 ml/min(實際降雨強度72.2 mm/h)、0.293 ml/min(實際降雨強度37.7 mm/h)和0.186 ml/min(實際降雨強度23.7 mm/h)。

(1)試驗模擬0.563 ml/min(實際降雨強度72.2 mm/h)的降雨強度時，地表冰磧物和水的混雜物將從礦石層中的流通通道經由出礦口快速涌出(模型運行29.25萬步)，會產生擁有較大能量的泥石流；

(2)試驗模擬0.293 ml/min(實際降雨強度37.7 mm/h)的降雨強度時，地表冰磧物和水的混雜物將從礦石層中的流通通道經由出礦口較快涌出(模型運行51萬步)，可能會產生較小能量的泥石流；

(3)試驗模擬0.186 ml/min(實際降雨強度23.7 mm/h)的降雨強度時，地表冰磧物和水的混雜物將從礦石層中的流通通道經由出礦口較慢涌出(模型運行96萬步)，礦石和冰磧物顆粒間的粘滯性較大，放礦相對較為困難。

2)根據不同降雨強度條件下的放礦泥石流數值模擬試驗可知，在整個放礦的過程中，剛開始由出礦口釋放的都是純礦石，無地表冰磧物放出。隨著下部礦石的逐步放出，其放出速度會不斷增大，隨后地表冰磧物會流出，隨著礦石與地表冰磧物的不斷流出，流出速度達到最大速度，隨后速度開始減少。地表隨著井下放礦量的增多而產生變形，當流出的礦石量累積到一定程度時地表才會出現大的變形開裂，直到全部冒落破壞。

3)根據不同降雨強度條件下的放礦泥石流數值模擬試驗可知，隨著放礦時間的推移，在自然狀態下出礦的過程中，礦石與冰磧物不能自行遵循均衡放礦，出礦口流出冰磧物與礦石的順序為先兩端，后中間。若不能人為控制出礦口的出礦順序，則對整個放礦過程非常不利。