王 越

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連116622)

0 引言

金山店鐵礦是采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采的大型地下礦山，也是礦巖松軟破碎的難采礦山。隨著采礦產(chǎn)能的不斷增加，采礦深度逐步加大，礦體的上覆巖體崩落范圍和水文地質(zhì)條件都發(fā)生了較大變化，出現(xiàn)了一系列的工程地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，如崩落開(kāi)采引起的地表移動(dòng)范圍超限，軟巖巷道的支護(hù)等，特別是井下礦泥石流頻發(fā)。為避免泥石流事故的發(fā)生，大量采礦進(jìn)路被迫停采，由此影響生產(chǎn)達(dá)數(shù)月。井下泥石流問(wèn)題給礦山生產(chǎn)帶來(lái)了較大的影響，也嚴(yán)重威脅著井下生產(chǎn)工人的生命安全。

要做到對(duì)井下泥石流的預(yù)警，就需要對(duì)其啟動(dòng)條件進(jìn)行研究，除了通常的采礦過(guò)程中爆破擾動(dòng)和出礦擾動(dòng)外，主要論述在外界未進(jìn)行擾動(dòng)時(shí)，井下泥石流的啟動(dòng)條件，從而為尋找出井下巷道中潛在的泥石流隱患提供一定的理論依據(jù)，及時(shí)對(duì)有潛在危險(xiǎn)的巷道進(jìn)行封閉。

1 井下泥石流顆粒組成分析

金山店泥石流所取樣品的粒度組成采用標(biāo)準(zhǔn)篩篩析法測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1，樣品的粒級(jí)分布累積曲線見(jiàn)圖1。

表1 泥石流樣品的粒度篩分結(jié)果

由表1中可知，粒徑大于1 mm的組分占到67.42%；粒徑大于4 mm的占46.68%；粒徑大于6 mm的占33.31%。

圖1 泥石流樣品的累積曲線圖

鐵礦石的含量：30.80%，而從表中可以看出粒徑小于1 mm的組分占32.58%。

對(duì)篩分出的不同粒徑的樣品用磁鐵做粗略的礦巖分離可得出下列結(jié)論：

樣品中粒徑小于0.098 mm的組分中全為含鐵礦石，即其中含鐵礦石的含量占100%(占總重量的8.50%)；粒徑小于1 mm的組分中含鐵礦石的含量占81.03%(占總重量的26.40%)，也就是說(shuō)粒徑小于1 mm的組分大部分全是含鐵粉礦。這說(shuō)明泥石流物質(zhì)組分中微細(xì)粒的“泥”主要是由粉礦組成的，而并不是一般認(rèn)為的主要由黃土組成。粒徑大于1 mm的組成中含鐵礦石的含量占總重量的4.40%，因此泥石流組分中的“石”主要是由廢石組成的。

同時(shí)，在地表塌陷坑民采車輛傾倒黃土的地方取樣并進(jìn)行了分析，取樣分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，黃土顆粒級(jí)配曲線如圖2。

表2 地表黃土顆粒篩分結(jié)果

圖2 黃土顆粒級(jí)配曲線圖

從對(duì)地表黃泥的粒徑分析可以看出，地表黃泥的粒徑分布最廣的范圍為0.45～2 mm之間，黃土顆粒的粒徑普遍小于井下粉礦段泥石流樣品的粒徑。因此，當(dāng)發(fā)生爆破震動(dòng)或者出礦擾動(dòng)時(shí)，黃土顆粒非常容易通過(guò)粉礦或者塊礦的間隙滲入到出礦巷道中。

2 井下泥石流流動(dòng)性分析

2.1 含水率對(duì)井下泥石流流動(dòng)性的影響

為了使得泥石流流動(dòng)性的研究能夠更加貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，簡(jiǎn)便易行，便于井下技術(shù)人員的操作，使用塌落度筒來(lái)從側(cè)面反映井下泥石流的流動(dòng)情況。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)選用的材料一部分來(lái)自于北京首云鐵礦的粉礦以及部分尾砂，其余均選用金山店鐵礦現(xiàn)場(chǎng)所取的樣品。顆粒級(jí)配則按照之前對(duì)泥石流礦樣進(jìn)行顆粒分析所得的顆粒級(jí)配1∶1進(jìn)行配置，見(jiàn)圖3。

圖3 塌落度實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)共分9組進(jìn)行，分別為：泥石流散體材料塌落度實(shí)驗(yàn)、含水率從5%至12%遞增的8組塌落度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 含水率對(duì)塌落度的影響

由圖4可知，泥石流試樣含水率在7%之下時(shí)，其流動(dòng)性變化并不顯著，當(dāng)含水率水平在7%～9%時(shí)，試樣粘結(jié)強(qiáng)度增加，流動(dòng)性開(kāi)始變差。達(dá)到10%左右時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大，流動(dòng)性變得很差。含水率達(dá)到10%之后，流動(dòng)性又開(kāi)始逐漸變好。

為了能夠使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信，在現(xiàn)場(chǎng)同樣進(jìn)行了泥石流的塌落度實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，并與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中泥石流塌落度以及擴(kuò)散范圍匯總成記錄表3，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的平均值繪制塌落度以及塌落范圍隨含水率的變化曲線，見(jiàn)圖6。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)塌落度實(shí)驗(yàn)

表3 泥石流塌落度統(tǒng)計(jì)表

a.不同含水率對(duì)應(yīng)的塌落度變化曲線

b.不同含水率對(duì)應(yīng)的塌落范圍變化曲線

通過(guò)塌落度以及塌落度范圍的變化曲線可以看出，在9組實(shí)驗(yàn)中，由于加入水后使得泥石流礦樣的粘結(jié)強(qiáng)度增大，所以散體的流動(dòng)性比含水泥石流試樣的流動(dòng)性要好，當(dāng)含水率達(dá)到10%左右時(shí)泥石流流動(dòng)性最差，當(dāng)含水率超過(guò)10%時(shí)，泥石流試樣基本達(dá)到飽和，流動(dòng)性會(huì)逐漸變好。

2.2 粘土物質(zhì)的含量對(duì)泥石流流動(dòng)性的影響

在對(duì)井下泥石流取樣的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在出礦巷道中或多或少都會(huì)出現(xiàn)黃泥等粘土類物質(zhì)。因此，通過(guò)使用DV-1旋轉(zhuǎn)式智能數(shù)顯粘度計(jì)來(lái)測(cè)量其粘度，來(lái)揭示不同粘土物質(zhì)含量對(duì)泥石流流動(dòng)性的影響。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于所測(cè)物質(zhì)為非牛頓流體且含水率過(guò)低時(shí)粘度值超出了儀器的測(cè)量范圍，同時(shí)在測(cè)量過(guò)程中粘度值隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生較大的變化，數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生較大的偏差，因此在測(cè)量時(shí)僅測(cè)量配置好的含水率為20%的泥石流漿體后兩分鐘內(nèi)粘度變化值作為其最終的粘度值。

實(shí)驗(yàn)中所用到的物料均來(lái)自于金山店鐵礦張福山礦區(qū)的樣品，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 粘度隨時(shí)間變化圖

從粘度的變化中看到，當(dāng)粘土含量由10%增加到20%時(shí)，泥石流的流動(dòng)性沒(méi)有太大的變化，但是當(dāng)粘土含量增加到30%時(shí)，泥石流的流動(dòng)性明顯降低。因此，可以粗略的判定泥石流的流動(dòng)性隨粘土含量值的增大而逐漸變小，當(dāng)粘土含量達(dá)到30%時(shí)，流動(dòng)性顯著下降。

3 地表入滲規(guī)律對(duì)井下泥石流的影響

3.1 粉礦段滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)步驟

滲透實(shí)驗(yàn)采用的是土力學(xué)中常用的南55滲透儀以及相關(guān)的土壤試樣制備器具。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)裝土：將裝有試樣的環(huán)刀推入套筒內(nèi)并壓入止水墊圈。裝好帶有透水石和墊圈的上、下蓋，并用螺絲擰緊，不得漏氣漏水。

2)供水：把裝好試樣的容器進(jìn)水口與供水裝置連通，關(guān)止水夾，向供水瓶注滿水。

3)排氣：把容器側(cè)立，排氣管向上，并打開(kāi)排氣管止水夾。然后開(kāi)進(jìn)水口夾，排除容器底部的空氣，直至水中無(wú)氣泡溢出為止。關(guān)閉排氣管止水夾，平放好容器。在不大于200 cm水頭作用下，靜置某一時(shí)間，待容器出水口有水溢出后，則認(rèn)為試樣已達(dá)飽和。

4)測(cè)記：使變水頭管充水至需要高度后，關(guān)止水夾，開(kāi)動(dòng)秒表，同時(shí)測(cè)記開(kāi)始水頭h1，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，再測(cè)記終了水頭h2，同時(shí)測(cè)記試驗(yàn)開(kāi)始與終了時(shí)的水溫。如此連續(xù)測(cè)記2～3次后，再使變水頭管水位回升至需要高度，再連續(xù)測(cè)記數(shù)次。

3.2 實(shí)驗(yàn)記錄及分析

滲透實(shí)驗(yàn)中用到的相關(guān)計(jì)算公式如下：

變水頭計(jì)算公式：

(1)

常水頭計(jì)算公式：

(2)

標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)計(jì)算公式：

(3)

式中：kT—水溫為T℃時(shí)試樣的滲透系數(shù)，cm/s；a—變水頭管的斷面積，cm2；L—兩側(cè)壓管中心距離，cm；A—試樣斷面積，cm2；t—時(shí)間，s；h1—開(kāi)始時(shí)水頭，cm；h2—結(jié)束時(shí)水頭，cm；Q—時(shí)間t秒內(nèi)的滲出水量，cm3；k20—標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)時(shí)試樣的滲透系數(shù)，cm/s；η20—20℃時(shí)水動(dòng)力粘滯系數(shù)，kPa·s；ηT—T℃時(shí)水動(dòng)力粘滯系數(shù)，kPa·s。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄以及相關(guān)公式的計(jì)算記錄如表4所示。

表4 滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4中可以發(fā)現(xiàn)，隨著試樣中粘土含量的增高，滲透率逐漸降低。反而在純黃泥的情況下，滲透率會(huì)處于一個(gè)較高的水平。因此，單從滲透率方面考慮可以做出初步推斷：地表黃泥僅僅是井下泥石流形成物源條件之一，另外一個(gè)重要的物源則是來(lái)自于粉礦。當(dāng)黃泥在粉礦中的含量超20%時(shí)，滲透率會(huì)降低到一個(gè)比較低的水平，此時(shí)比較容易在出礦口形成隔水層，而隔水層的形成則會(huì)逐漸演變?yōu)閼翼?，成為泥石流發(fā)生隱患。

根據(jù)地表積水入滲的特點(diǎn)，在防治泥石流的過(guò)程中，對(duì)于塌陷坑中積水的疏導(dǎo)就顯得尤為重要。由于塌陷坑地勢(shì)很低，使得當(dāng)降雨量過(guò)大或持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)，形成的地表如果無(wú)法有效疏導(dǎo)，隨著降雨的持續(xù)，當(dāng)超過(guò)土壤導(dǎo)水率時(shí)，就可能造成井下大規(guī)模泥石流的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

1)金山店鐵礦井下泥石流樣品顆粒中小1 mm的細(xì)小顆粒絕大部分為黃泥包裹著的粉礦顆粒，而且地表黃土顆粒中小于2 mm的顆粒所占百分比明顯要多于現(xiàn)場(chǎng)所取的泥石流樣品。

2)從對(duì)井下泥石流的流動(dòng)性分析中看出，含水率對(duì)泥石流流動(dòng)性的影響呈現(xiàn)一個(gè)先降低后升高的過(guò)程，當(dāng)含水率達(dá)到9%左右時(shí)，塌落度以及塌落范圍均達(dá)到最小值，此時(shí)泥石流流動(dòng)性最差；而粘土含量對(duì)泥石流的影響則隨著粘土含量的增多而增大，且當(dāng)粘土含量大于20%時(shí)，泥石流流動(dòng)性將會(huì)有較大幅度的下降。

3)在對(duì)泥石流樣品的滲透實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，地表黃泥僅僅是井下泥石流形成物源條件之一，另外一個(gè)重要的物源則是來(lái)自于粉礦。當(dāng)黃泥在粉礦中的含量超過(guò)20%時(shí)，滲透率會(huì)降低到一個(gè)比較低的水平，此時(shí)比較容易在出礦口上方形成隔水層，而隔水層的形成則會(huì)逐漸演變?yōu)閼翼?，成為泥石流發(fā)生隱患。