普朗铜矿塌陷坑内泥石流成因及造浆运动过程浅析

赵明亮，冯兴隆，吴道雍，曾庆田，杨朝义，吴明，王晶，彭张

(云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 香格里拉市 674400)

普朗铜矿位于云南省香格里拉市东北部72 km处。矿床成矿作用发生在复式斑岩体内。岩体中心形成由细脉浸染状矿石组成的筒状矿体，岩体边部产出脉状矿体[1]。矿体赋存条件：矿体呈北西走向，倾向北东，为急倾斜矿体，矿体较厚；
矿岩稳定性总体表现为东南部较为破碎，西北部相对较稳固。水文地质为简单—中等类型。地层岩性较单一。岩石硬度坚硬为主，地质构造较发育，局部破碎带较发育[2]。矿山工程地质勘探的复杂程度为中等类型。矿体厚大，倾角近乎垂直，有足够的崩落面积。矿体节理裂隙发育，矿岩易崩落。矿石无自燃和黏结性。矿体总体可崩性及连续性较好，可以形成连续的崩落，地表容许塌陷。矿山采用自然崩落法开采[3]。

自然崩落法开采主要是借助重力作用进行岩体崩落，即在矿体的底部进行拉底形成足够大的空间，集中形成区域应力，当应力值超过节理岩体的抗拉、抗剪强度时，矿岩体逐渐破裂开始崩落，同时通过出矿口以恰当的出矿量将矿石放出，从而保证矿石崩落的持续进行[4]。采用自然崩落法开采，在回采过程中必然会造成地表的移动和塌陷。随着开采幅度的不断加大，将会造成地表塌陷范围的不断扩大，一旦遇到矿区地表降雨量增大，地表的覆盖层冰碛物将吸水饱和，并在重力作用下通过地质构造及矿石空隙通道流入到井下出矿口内，形成泥石流从出矿口内涌出，危及到人员和设备设施安全。从现场分析可以看出，大量的地表第四系冰碛物和矿区内强降雨是造成矿山泥石流发生的重要原因。

1.1 塌陷区地形现状

塌陷区范围内的原始地形地貌，呈现为西北高东南低，经过井下矿体自然崩落出矿后，总体上西北高东南低的现状没有改变，东面由于地形相对较低，放矿后出现了一个面积相对较大的塌陷坑。致使塌陷坑西边边坡相对较陡，坑内局部也伴随有高低不平的区域出现，塌陷坑底是泥石流的主要汇聚区域，见图1。

图1 塌陷区范围及坑底

1.2 泥石流形成的物源条件

泥石流形成的主要物源之一是冰碛物。在矿体上部出露地表层第四系冰碛物较多。地表冰碛物沉积较为复杂，有坡积、残坡积、河床堆积及冰川堆积。总体以冰川堆积物为主，其成分也较复杂，为变砂岩、板岩、角岩、石英二长斑岩、石英闪长玢岩等大小不等的碎块，与砂土松散堆积，碎块呈次圆—圆状。冰碛物最厚的区域达80 m，目前回采区内揭露冰碛物平均厚度约17 m，由北向南呈现出现增厚趋势[5]。冰碛物是造成泥石流的主要物源之一（见图2），由于各种复杂原因及客观现实导致无法修建排土场，从而不能把矿体上部出露地表区域的这层冰碛物剥离运搬。

图2 塌陷区出露地表层冰碛物

降雨量也是泥石流形成的重要物源。塌陷区范围内降雨量充足。普朗铜矿的降雨量随着海拔的增高而逐渐递增，海拔每增高100 m，降雨量随之增加约30 mm。最大降雨出现在海拔3600 m 以上的区域，降雨量最大可达1200 mm，而海拔每增高100 m，年蒸发量则降低90 mm，就会导致大量的山洪在短时间内汇聚。根据普朗铜矿历年气象资料及矿区水文监测站降雨量数据统计，普朗铜矿降雨量年均不低于1000 mm[6]。一般每年6 月至10 月为雨季，其中又以 7 月至9 月最多，其降雨量占全年降雨量的80%以上，降雨特点主要表现为来势猛、较集中、特大暴雨多、防范较为困难等特点。

2.1 造浆区域

“造浆”是指松散的冰碛物吸收雨水山洪变饱和后，通过重力势能作用搬运，并自然搅拌成泥浆的全过程。通过现场观察，总体可以把塌陷坑分为“造浆区域”和“无造浆区域”两个部分（见图3）。“造浆区域”是指会产生泥石流泥浆的区域，造浆过程必须同时具备的条件包括：充足的冰碛物；
足够多的雨水山洪；
一定角度的陡坡面；
冰碛物处于完全松散状态。“无造浆区域”是指没有形成泥石流泥浆的区域，这个区域现场必须满足的条件为：完全没有冰碛物（只有矿石）；
有冰碛物但是已经被固定（或没有处于完全松散的状态）；
有较缓的坡面。

图3 塌陷内“造浆区域”和“无造浆区域”

2.2 造浆坡面倾角

泥石流的造浆过程，必须有足够大的坡面角度，否则重力势能不够，少量的山洪也难以搬运大量的冰碛物，很难形成大量的泥浆。只有足够陡峭的坡面才能为泥石流的造浆过程提供足够的运动能量。泥石流造浆运动过程线路见图4。

图4 泥石流造浆运动过程线路

当造浆坡面倾角处于0°～5°时，这一区域的坡面可以称之为水平和近水平（微倾斜）坡面，这类坡面往往会成为泥浆堆积的平台，此种情况下，一般不会产生大量泥浆。

当造浆坡面倾角处于5°～30°时，这一区域的坡面可以称之为缓倾斜坡面，该类型坡面如果有足够的物源（冰碛物）和足够充足的山洪，就能够在重力势能的作用下产生一定的泥浆，其角度越陡的区域产生的泥浆越多，角度越缓的区域产生的泥浆越少，并且也能够在角度较缓的区域内堆存一部分泥浆，需要采取措施治理。

当造浆坡面倾角处于30°～55°时，这一区域的坡面可以称之为倾斜坡面，这种类型坡面的重力势能较大，产生的泥浆量相对较多，并且坡面上能堆存下来的泥浆量较少，需要重点采取措施治理。

当造浆坡面倾角大于55°[7]（理论值55°～90°）时，这一区域的坡面可以称之为急倾斜坡面，这类坡面重力势能很大，在重力势能的作用下能够产生大量的泥浆，只要有一定量的雨水山洪就能够造浆，必须对这类型坡面进行重点治理。造浆坡面分类如图5 所示。

图5 塌陷坑内造浆坡面分类

2.3 造浆物源状态

普朗塌陷坑内的造浆物源主要为冰碛物，原始状态下的冰碛物覆盖在矿体上面且出露地表，上面有森林植被覆盖[8]，并不是松散体状态。由于需要崩落放矿，地表植被被清理掉，冰碛物裸露在外，随着井下开采不断推进，矿石崩落的同时带动地表冰碛物一同崩落，导致冰碛物逐渐松散开来。从现场可以看出，冰碛物可以分为未松散、松散、完全松散3 种状态。处于完全松散状态下的冰碛物很容易吸水饱和流动。未松散的冰碛物只能吸入少量水分或能透水，并不会达到吸水饱和的状态（见图6）。

图6 塌陷坑内冰碛物状态

2.4 泥浆运动终点

造浆坡面所制造的泥浆，最终会沿着坡面低洼的地方流入到塌陷坑底逐渐往上堆存，最终形成大面积的泥浆堆存坑，坑内的泥浆是冰碛物和山洪充分混合自然搅拌后的产物，是一种流动性极强的悬浊液胶体。泥浆汇聚坑将对井下安全生产造成严重威胁，也是造成井下泥石流的直接原因。只要是泥浆坑底附近或正下方有出矿扰动形成的通道，或有薄弱面裂隙、松散矿石通道就会导致井下泥石流发生，从而危及人员、设备、设施安全。塌陷坑底泥浆汇聚区见图7。

图7 塌陷坑底泥浆汇聚区

通过分析，形成泥石流的主要因素为：冰碛物、雨水、坡面角、汇聚坑。因此，必须针对其采取相应的防范措施，从而消除各种隐患因素。出露地表的冰碛物，必须采取固结的方式进行处理，达到不被雨水饱和的目的，固结冰碛物的措施主要有喷浆（素喷）、锚网喷、种草绿化等。强降雨所产生的山洪，所采取的措施主要是在塌陷坑周围相应位置施工有效的山洪排洪沟渠，包括排洪沟，泄洪井、泄洪道等。造浆坡面，主要是控制其倾角不能达到倾斜坡面以上的坡度，可采取回填或削坡的方式进行处理。泥浆汇聚的塌陷坑底，必须采取回填的方式进行处理，消除泥水汇聚区域，才能消除安全隐患，避免井下泥石流的发生。

针对普朗铜矿泥石流的危害，必须采取防范措施，加强治理。通过分析，只要能有效控制住形成泥石流的造浆运动过程，及时消除塌陷区内泥浆汇聚坑的安全隐患，在塌陷坑周围相应位置施工有效的沟渠排泄洪水，就能够有效防范井下泥石流的发生，从而保证矿山生产活动的顺利进行，达到井下安全生产的目的。