滇西北某礦山井下泥石流成災(zāi)機(jī)理的數(shù)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(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)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(dòng)、錯(cuò)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(qū)降水、上部地表徑流、高山雪水融化，甚至出現(xiàn)滑坡等，帶動(dòng)數(shù)十米的地表覆蓋層(冰磧層)和風(fēng)化破碎巖屑一起進(jìn)入塌陷區(qū)，極易造成井下泥石流事故，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)造成重大影響。在國內(nèi)，程潮鐵礦、大冶鐵礦、梅山鐵礦等均發(fā)生過不同程度的泥石流地質(zhì)災(zāi)害。

鑒于以上原因，有必要對(duì)礦區(qū)形成泥石流的機(jī)理進(jìn)行分析研究。采用數(shù)值模擬軟件PFC(Particle Follow Code)，對(duì)井下采礦的過程進(jìn)行模擬，通過分析模擬的結(jié)果，從而得出相應(yīng)的結(jié)論，提出相應(yīng)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(duì)圓形粒子介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和相互作用進(jìn)行模擬。PFC3D數(shù)值模擬軟件采用離散單元法計(jì)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(yùn)動(dòng)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(duì)固體顆粒的作用。因此，該研究選用PFC3D數(shù)值模擬軟件中的流固耦合模塊，采用雙向流固耦合對(duì)井下泥石流的積聚過程進(jìn)行模擬。文中的軟件為PFC5.0版本。

2 數(shù)值模擬過程

2.1 生成顆粒

根據(jù)已有的有關(guān)該礦山的勘察報(bào)告及相關(guān)資料，礦區(qū)整體地層情況為地表冰磧物及下部礦體，因此，該次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)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(jù)相似理論的幾何相似比以及軟件機(jī)制，對(duì)實(shí)際的冰磧物及礦體的厚度進(jìn)行縮放，按照1：30的比例對(duì)其進(jìn)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(shí)對(duì)冰磧物和礦體的平均顆粒的大小進(jìn)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(jù)已有的勘察報(bào)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(huì)發(fā)生破壞，因此下層礦石通過Clump命令完成。見圖1(為方便統(tǒng)一，以下模擬中，深色部分均為上層冰磧物，

圖1 試驗(yàn)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(jī)制與計(jì)算效率的影響，該次模擬上層冰磧物顆粒粒徑均擴(kuò)大為0.7 mm，下層礦石顆粒粒徑均擴(kuò)大為2.3 cm。

2.2 邊界條件

該次試驗(yàn)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(gè)。

2.3 初始條件

由于阻尼部分僅用來提供粘結(jié)滯留作用，用于消耗能量，它的大小對(duì)該次試驗(yàn)的結(jié)果幾乎無影響，該次試驗(yàn)取阻尼系數(shù)為0.7。重力加速度取10 m/s2。根據(jù)已有的勘察報(bào)告，上層冰磧物的平均滲透系數(shù)取5.32E-03 cm/s。

3 模擬結(jié)果

3.1 降雨強(qiáng)度0.563 ml/min時(shí)的放礦泥石流模擬

該試驗(yàn)?zāi)M的降雨強(qiáng)度為0.563 ml/min，與此對(duì)應(yīng)的實(shí)際降雨強(qiáng)度為72.2 mm/h，即模擬該礦山所在地區(qū)1975-2010年的年實(shí)時(shí)最大降雨量。

模擬結(jié)果分布詳見圖2-5，剩余顆粒數(shù)統(tǒng)計(jì)詳見圖6。

圖2 初始狀態(tài)顆粒分布圖Fig.2 Initial particle distribution

圖3 運(yùn)行25.5萬步時(shí)顆粒分布圖Fig.3 Particle distribution at step 255，000

圖4 運(yùn)行30萬步時(shí)顆粒分布圖Fig.4 Particle distribution at step 300，000

圖5 運(yùn)行31.5萬步時(shí)顆粒分布圖Fig.5 Particle distribution at step 315，000

圖6 剩余顆粒數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Histogram of remaining particle counts

3.2 降雨強(qiáng)度0.293 ml/min時(shí)的放礦泥石流模擬

該試驗(yàn)?zāi)M的降雨強(qiáng)度為0.293 ml/min，與此對(duì)應(yīng)的實(shí)際降雨強(qiáng)度為37.7 mm/h，即模擬該礦山所在地區(qū)1975-2010年共34年來的各年日最大降雨量的平均值。

模擬結(jié)果分布見圖7-10，剩余顆粒數(shù)統(tǒng)計(jì)詳見圖11。

圖7 初始狀態(tài)顆粒分布圖Fig.7 Initial particle distribution

圖8 運(yùn)行49.5萬步時(shí)顆粒分布圖Fig.8 Particle distribution at step 495，000

圖9 運(yùn)行55.5萬步時(shí)顆粒分布圖Fig.9 Particle distribution at step 555，000

圖10 運(yùn)行57萬步時(shí)顆粒分布圖Fig.10 Particle distributionat step 570，000

圖11 剩余顆粒數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.11 Statistics of remaining particle counts

3.3 降雨強(qiáng)度0.293 ml/min時(shí)的放礦泥石流模擬

該試驗(yàn)?zāi)M的降雨強(qiáng)度為0.186 ml/min，與此對(duì)應(yīng)的實(shí)際降雨強(qiáng)度為23.7 mm/h，即模擬該礦山所在地區(qū)1975-2010年共34年來的年最小日降雨量。

模擬結(jié)果分布詳見圖12-15，剩余顆粒數(shù)統(tǒng)計(jì)詳見圖16。

圖12 初始狀態(tài)顆粒分布圖Fig.12 Initial particle distribution

圖13 運(yùn)行102萬步時(shí)顆粒分布圖Fig.13 Particle distribution at step 1，020，000

圖14 運(yùn)行105萬步時(shí)顆粒分布圖Fig.14 Particle distribution at step 1，050，000

圖15 運(yùn)行108萬步時(shí)顆粒分布圖Fig.15 Particle distribution at step 1，080，000

圖16 剩余顆粒數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.16 Statistics of remaining particle counts

4 治理措施建議

(1)在放礦過程中應(yīng)人為調(diào)整放礦順序，使其形成均衡放礦，放礦不均衡會(huì)導(dǎo)致部分出礦口出礦量變大，從而提高發(fā)生井下災(zāi)害的幾率。

(2)應(yīng)在塌陷區(qū)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(qū)外的地表水與地下水進(jìn)行有效的疏排，減少流入塌陷坑內(nèi)的水量，從而減少井下泥石流發(fā)生的可能性。

(3)在塌陷區(qū)周圍及井下進(jìn)行位移及應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦出現(xiàn)位移或應(yīng)力變化較大的情況，立即前往查看，必要時(shí)應(yīng)停止采礦活動(dòng)。

(4)該地區(qū)存在雨季及旱季，應(yīng)及時(shí)調(diào)整放礦計(jì)劃，雨季時(shí)減少出礦量，旱季時(shí)增加出礦量。

5 結(jié) 語

對(duì)該礦山的不同降雨強(qiáng)度下放礦泥石流數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行了研究，對(duì)以上研究內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，得出如下結(jié)論：

1)通過放礦泥石流數(shù)值模擬試驗(yàn)在3種不同降雨強(qiáng)度下，即0.563 ml/min(實(shí)際降雨強(qiáng)度72.2 mm/h)、0.293 ml/min(實(shí)際降雨強(qiáng)度37.7 mm/h)和0.186 ml/min(實(shí)際降雨強(qiáng)度23.7 mm/h)。

(1)試驗(yàn)?zāi)M0.563 ml/min(實(shí)際降雨強(qiáng)度72.2 mm/h)的降雨強(qiáng)度時(shí)，地表冰磧物和水的混雜物將從礦石層中的流通通道經(jīng)由出礦口快速涌出(模型運(yùn)行29.25萬步)，會(huì)產(chǎn)生擁有較大能量的泥石流；

(2)試驗(yàn)?zāi)M0.293 ml/min(實(shí)際降雨強(qiáng)度37.7 mm/h)的降雨強(qiáng)度時(shí)，地表冰磧物和水的混雜物將從礦石層中的流通通道經(jīng)由出礦口較快涌出(模型運(yùn)行51萬步)，可能會(huì)產(chǎn)生較小能量的泥石流；

(3)試驗(yàn)?zāi)M0.186 ml/min(實(shí)際降雨強(qiáng)度23.7 mm/h)的降雨強(qiáng)度時(shí)，地表冰磧物和水的混雜物將從礦石層中的流通通道經(jīng)由出礦口較慢涌出(模型運(yùn)行96萬步)，礦石和冰磧物顆粒間的粘滯性較大，放礦相對(duì)較為困難。

2)根據(jù)不同降雨強(qiáng)度條件下的放礦泥石流數(shù)值模擬試驗(yàn)可知，在整個(gè)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(huì)不斷增大，隨后地表冰磧物會(huì)流出，隨著礦石與地表冰磧物的不斷流出，流出速度達(dá)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(chǎn)生變形，當(dāng)流出的礦石量累積到一定程度時(shí)地表才會(huì)出現(xiàn)大的變形開裂，直到全部冒落破壞。

3)根據(jù)不同降雨強(qiáng)度條件下的放礦泥石流數(shù)值模擬試驗(yàn)可知，隨著放礦時(shí)間的推移，在自然狀態(tài)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?yàn)橄葍啥?，后中間。若不能人為控制出礦口的出礦順序，則對(duì)整個(gè)放礦過程非常不利。