井下泥石流启动条件的研究

王 越

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连116622)

0 引言

金山店铁矿是采用无底柱分段崩落法开采的大型地下矿山，也是矿岩松软破碎的难采矿山。随着采矿产能的不断增加，采矿深度逐步加大，矿体的上覆岩体崩落范围和水文地质条件都发生了较大变化，出现了一系列的工程地质灾害问题，如崩落开采引起的地表移动范围超限，软岩巷道的支护等，特别是井下矿泥石流频发。为避免泥石流事故的发生，大量采矿进路被迫停采，由此影响生产达数月。井下泥石流问题给矿山生产带来了较大的影响，也严重威胁着井下生产工人的生命安全。

要做到对井下泥石流的预警，就需要对其启动条件进行研究，除了通常的采矿过程中爆破扰动和出矿扰动外，主要论述在外界未进行扰动时，井下泥石流的启动条件，从而为寻找出井下巷道中潜在的泥石流隐患提供一定的理论依据，及时对有潜在危险的巷道进行封闭。

1 井下泥石流颗粒组成分析

金山店泥石流所取样品的粒度组成采用标准筛筛析法测定，测定结果见表1，样品的粒级分布累积曲线见图1。

表1 泥石流样品的粒度筛分结果

由表1中可知，粒径大于1 mm的组分占到67.42%；粒径大于4 mm的占46.68%；粒径大于6 mm的占33.31%。

图1 泥石流样品的累积曲线图

铁矿石的含量：30.80%，而从表中可以看出粒径小于1 mm的组分占32.58%。

对筛分出的不同粒径的样品用磁铁做粗略的矿岩分离可得出下列结论：

样品中粒径小于0.098 mm的组分中全为含铁矿石，即其中含铁矿石的含量占100%(占总重量的8.50%)；粒径小于1 mm的组分中含铁矿石的含量占81.03%(占总重量的26.40%)，也就是说粒径小于1 mm的组分大部分全是含铁粉矿。这说明泥石流物质组分中微细粒的“泥”主要是由粉矿组成的，而并不是一般认为的主要由黄土组成。粒径大于1 mm的组成中含铁矿石的含量占总重量的4.40%，因此泥石流组分中的“石”主要是由废石组成的。

同时，在地表塌陷坑民采车辆倾倒黄土的地方取样并进行了分析，取样分析数据见表2，黄土颗粒级配曲线如图2。

表2 地表黄土颗粒筛分结果

图2 黄土颗粒级配曲线图

从对地表黄泥的粒径分析可以看出，地表黄泥的粒径分布最广的范围为0.45～2 mm之间，黄土颗粒的粒径普遍小于井下粉矿段泥石流样品的粒径。因此，当发生爆破震动或者出矿扰动时，黄土颗粒非常容易通过粉矿或者块矿的间隙渗入到出矿巷道中。

2 井下泥石流流动性分析

2.1 含水率对井下泥石流流动性的影响

为了使得泥石流流动性的研究能够更加贴合现场实际情况，简便易行，便于井下技术人员的操作，使用塌落度筒来从侧面反映井下泥石流的流动情况。

室内实验选用的材料一部分来自于北京首云铁矿的粉矿以及部分尾砂，其余均选用金山店铁矿现场所取的样品。颗粒级配则按照之前对泥石流矿样进行颗粒分析所得的颗粒级配1∶1进行配置，见图3。

图3 塌落度实验材料准备

实验共分9组进行，分别为：泥石流散体材料塌落度实验、含水率从5%至12%递增的8组塌落度实验，实验结果如图4。

图4 含水率对塌落度的影响

由图4可知，泥石流试样含水率在7%之下时，其流动性变化并不显著，当含水率水平在7%～9%时，试样粘结强度增加，流动性开始变差。达到10%左右时，粘结强度达到最大，流动性变得很差。含水率达到10%之后，流动性又开始逐渐变好。

为了能够使得实验数据更加真实可信，在现场同样进行了泥石流的塌落度实验，如图5所示，并与室内实验中泥石流塌落度以及扩散范围汇总成记录表3，同时根据实验所得数据的平均值绘制塌落度以及塌落范围随含水率的变化曲线，见图6。

图5 现场塌落度实验

表3 泥石流塌落度统计表

a.不同含水率对应的塌落度变化曲线

b.不同含水率对应的塌落范围变化曲线

通过塌落度以及塌落度范围的变化曲线可以看出，在9组实验中，由于加入水后使得泥石流矿样的粘结强度增大，所以散体的流动性比含水泥石流试样的流动性要好，当含水率达到10%左右时泥石流流动性最差，当含水率超过10%时，泥石流试样基本达到饱和，流动性会逐渐变好。

2.2 粘土物质的含量对泥石流流动性的影响

在对井下泥石流取样的过程中，发现在出矿巷道中或多或少都会出现黄泥等粘土类物质。因此，通过使用DV-1旋转式智能数显粘度计来测量其粘度，来揭示不同粘土物质含量对泥石流流动性的影响。

在实验过程中，由于所测物质为非牛顿流体且含水率过低时粘度值超出了仪器的测量范围，同时在测量过程中粘度值随着时间的推移会发生较大的变化，数据会发生较大的偏差，因此在测量时仅测量配置好的含水率为20%的泥石流浆体后两分钟内粘度变化值作为其最终的粘度值。

实验中所用到的物料均来自于金山店铁矿张福山矿区的样品，其实验结果如图7所示。

图7 粘度随时间变化图

从粘度的变化中看到，当粘土含量由10%增加到20%时，泥石流的流动性没有太大的变化，但是当粘土含量增加到30%时，泥石流的流动性明显降低。因此，可以粗略的判定泥石流的流动性随粘土含量值的增大而逐渐变小，当粘土含量达到30%时，流动性显著下降。

3 地表入渗规律对井下泥石流的影响

3.1 粉矿段渗透系数实验步骤

渗透实验采用的是土力学中常用的南55渗透仪以及相关的土壤试样制备器具。具体实验步骤如下：

1)装土：将装有试样的环刀推入套筒内并压入止水垫圈。装好带有透水石和垫圈的上、下盖，并用螺丝拧紧，不得漏气漏水。

2)供水：把装好试样的容器进水口与供水装置连通，关止水夹，向供水瓶注满水。

3)排气：把容器侧立，排气管向上，并打开排气管止水夹。然后开进水口夹，排除容器底部的空气，直至水中无气泡溢出为止。关闭排气管止水夹，平放好容器。在不大于200 cm水头作用下，静置某一时间，待容器出水口有水溢出后，则认为试样已达饱和。

4)测记：使变水头管充水至需要高度后，关止水夹，开动秒表，同时测记开始水头h1，经过时间t后，再测记终了水头h2，同时测记试验开始与终了时的水温。如此连续测记2～3次后，再使变水头管水位回升至需要高度，再连续测记数次。

3.2 实验记录及分析

渗透实验中用到的相关计算公式如下：

变水头计算公式：

(1)

常水头计算公式：

(2)

标准温度下的渗透系数计算公式：

(3)

式中：kT—水温为T℃时试样的渗透系数，cm/s；a—变水头管的断面积，cm2；L—两侧压管中心距离，cm；A—试样断面积，cm2；t—时间，s；h1—开始时水头，cm；h2—结束时水头，cm；Q—时间t秒内的渗出水量，cm3；k20—标准温度(20℃)时试样的渗透系数，cm/s；η20—20℃时水动力粘滞系数，kPa·s；ηT—T℃时水动力粘滞系数，kPa·s。

通过对实验数据的记录以及相关公式的计算记录如表4所示。

表4 渗透系数实验数据

从表4中可以发现，随着试样中粘土含量的增高，渗透率逐渐降低。反而在纯黄泥的情况下，渗透率会处于一个较高的水平。因此，单从渗透率方面考虑可以做出初步推断：地表黄泥仅仅是井下泥石流形成物源条件之一，另外一个重要的物源则是来自于粉矿。当黄泥在粉矿中的含量超20%时，渗透率会降低到一个比较低的水平，此时比较容易在出矿口形成隔水层，而隔水层的形成则会逐渐演变为悬顶，成为泥石流发生隐患。

根据地表积水入渗的特点，在防治泥石流的过程中，对于塌陷坑中积水的疏导就显得尤为重要。由于塌陷坑地势很低，使得当降雨量过大或持续时间很长时，形成的地表如果无法有效疏导，随着降雨的持续，当超过土壤导水率时，就可能造成井下大规模泥石流的发生。

4 结语

1)金山店铁矿井下泥石流样品颗粒中小1 mm的细小颗粒绝大部分为黄泥包裹着的粉矿颗粒，而且地表黄土颗粒中小于2 mm的颗粒所占百分比明显要多于现场所取的泥石流样品。

2)从对井下泥石流的流动性分析中看出，含水率对泥石流流动性的影响呈现一个先降低后升高的过程，当含水率达到9%左右时，塌落度以及塌落范围均达到最小值，此时泥石流流动性最差；而粘土含量对泥石流的影响则随着粘土含量的增多而增大，且当粘土含量大于20%时，泥石流流动性将会有较大幅度的下降。

3)在对泥石流样品的渗透实验中发现，地表黄泥仅仅是井下泥石流形成物源条件之一，另外一个重要的物源则是来自于粉矿。当黄泥在粉矿中的含量超过20%时，渗透率会降低到一个比较低的水平，此时比较容易在出矿口上方形成隔水层，而隔水层的形成则会逐渐演变为悬顶，成为泥石流发生隐患。