小秦嶺金礦區(qū)礦渣泥石流的可預(yù)測性分析

張文軒，楊國華

(1. 華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000； 2. 鄭州工業(yè)貿(mào)易學(xué)校，河南 鄭州 450000)

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小秦嶺金礦區(qū)礦渣泥石流的可預(yù)測性分析

張文軒1，楊國華2

(1. 華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000； 2. 鄭州工業(yè)貿(mào)易學(xué)校，河南 鄭州 450000)

主要通過對區(qū)內(nèi)基本概況的調(diào)查，結(jié)合礦渣泥石流的特點、礦區(qū)地層特征以及顆粒級配特征，分析其穩(wěn)定性。研究表明：渣堆的高透水性與不穩(wěn)定性是礦渣泥石流起動的關(guān)鍵因素。為以后對礦渣泥石流的監(jiān)測與預(yù)測提供一些基本的理論依據(jù)。

礦渣泥石流；地層；顆粒級配；渣堆穩(wěn)定性

0 前 言

礦渣泥石流是指在山區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的過程中，由于大規(guī)模集中開采礦產(chǎn)資源，加之采礦廢石棄渣無規(guī)劃不合理的排放、堆放，為泥石流的形成提供了大量的松散固體物質(zhì)，使地面坡度變大，引發(fā)人為泥石流[1]。

礦產(chǎn)開采一直是河南省靈寶市的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，為地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，但由于大規(guī)模的礦產(chǎn)開采使山(巖)體受到破壞。采礦形成的廢渣在溝谷內(nèi)的無序堆放，是成為泥石流災(zāi)害形成的主要物源。至2001年[2]，累計堆積礦渣1 444.1萬t，尾礦1 851.4萬t。廢渣堆多以順溝、順坡等堆積方式為主，嚴(yán)重堵塞了溝道，影響行洪，礦渣泥石流隱患嚴(yán)重。

1 礦渣泥石流的特點

渣坡堆積方式以順溝、順坡、沿溝等堆積方式為主，其中順溝堆積、沿溝堆積、順坡堆積于坡腳的渣堆均不同程度的擠占溝道(河道)。多數(shù)渣堆沒有采取攔擋固定措施,為泥石流災(zāi)害的發(fā)生提供了豐富的物源，在強(qiáng)降雨作用下極易發(fā)生礦渣泥石流災(zāi)害。小秦嶺金礦區(qū)在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，產(chǎn)生了大量的廢礦渣。開采所產(chǎn)生廢渣與自然界各種內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力產(chǎn)生的固體物質(zhì)在結(jié)構(gòu)、粒度及松散程度等方面都有較大的不同；且礦渣的堆積速度比溝谷自然風(fēng)化松散物質(zhì)快很多，在相同的降雨條件下，其爆發(fā)泥石流的幾率、規(guī)模、頻率都要大得多。

第四系地層主要有殘坡積層、沖洪積層、人工堆積等，結(jié)構(gòu)松散，廣泛分布在勘查區(qū)山坡上溝道內(nèi)。其中殘坡積厚度較薄，一般約1～2 m，沖洪積層約2～28 m，人工堆積層第四系地層主要有殘坡積層、沖洪積層、人工堆積等，結(jié)構(gòu)松散。廣泛分布在勘查區(qū)山坡上溝道內(nèi)，其中殘坡積厚度較薄，一般約1～2 m，沖洪積層約2～28 m，人工堆積層約3～50 m。

1) 第四系殘坡積層主要分布于礦區(qū)山體斜坡地帶，成分為灰色片麻巖、片麻狀石英閃長巖、片麻狀角閃花崗巖、黑云斜長片麻巖、黑云二長花崗巖、花崗巖等風(fēng)化形成的碎石土，充填粘性土、粉土等。

2) 第四系沖洪積層分布于各主支溝溝道地段，根據(jù)不同的形成原因可分為原始沖洪積層和上層礦渣型沖洪積層。

原始沖洪積層主要位于峪道上游溝道地層及王家峪下游補(bǔ)充勘察區(qū)溝道內(nèi)。峪道上游沖洪積層為卵礫石土，層厚一般小于1 m，由山體殘坡積遭河水不斷沖蝕而自然形成。該層卵石含量50%～80%，粒徑一般10～30 cm。成分以灰色片麻巖、片麻狀石英閃長巖、片麻狀角閃花崗巖、黑云斜長片麻巖為主。呈次圓狀，部分為次棱角狀，充填以中粗砂為主。

上層礦渣型沖洪積層廣泛分布于峪道上游主支溝溝道上層，成分以礦渣為主，層厚1～27 m，由多年來礦區(qū)堆積的礦渣不斷遭雨水沖蝕進(jìn)入溝道淤積而形成。巖性主要以灰色片麻巖、片麻狀石英閃長巖、片麻狀石英閃長巖、片麻狀角閃花崗巖、黑云斜長片麻巖、黑云二長花崗巖、花崗巖為主，結(jié)構(gòu)混亂。該層以塊石、碎石為主。大部分棱角分明，少部分出現(xiàn)不同程度的磨圓，呈次棱角狀。充填物為細(xì)顆粒礦渣及少量中粗砂。

3) 第四系崩積層分布于各崩塌堆積體地段，為崩塌堆積體堆積于山腳形成。

4) 第四系人工堆積層廣泛存在于溝谷、山坡中，為采礦造成的廢渣堆積形成，巖性灰色片麻巖、片麻狀角閃花崗巖、黑云斜長片麻巖、黑云二長花崗巖、花崗巖為主，結(jié)構(gòu)混亂，厚度3～50 m。礦渣堆以塊石、碎石為主，含量65%～80%，粒度一般10～70 cm；填充物以粒度0.5～5 cm的碎礦渣為主，含量約20%～35%。

其中第四系人工堆積層即為礦渣泥石流的主要物質(zhì)補(bǔ)給。大量人為堆積的礦渣加速了泥石流的物源補(bǔ)給過程，使溝谷在數(shù)年內(nèi)堆積了在自然狀態(tài)下需要成百上千年才能集聚的松散碎屑。

2 礦渣的顆粒級配特征

對勘查區(qū)內(nèi)渣堆、溝道中，第四系人工堆積、沖洪積碎石土的固體堆積物進(jìn)行重度以及顆分試驗后總結(jié)得出以下結(jié)論。

人工堆積碎石土：雜色，主要由塊石、碎石組成，碎塊石含量75%以上。堆積體結(jié)構(gòu)松散，呈棱角狀，局部有架空現(xiàn)象。其重度范圍值為19.50～20.32 kN/m3,平均值為19.86 kN/m3；含水率3.48%～4.27%，平均值為3.89%。

沖洪積碎石土：雜色，主要由塊石、碎石、卵石組成，碎塊石含量65%以上。沖洪積碎石土結(jié)構(gòu)比較松散，呈棱角狀、次元狀。其重度范圍值為20.21～22.56 kN/m3，平均值為21.99 kN/m3；含水率5.16%～6.08%，平均值為5.71%。顆粒大小分析結(jié)果見表1。

表1 顆粒大小分析結(jié)果

顯然根據(jù)上述實驗的結(jié)果，小秦嶺金礦區(qū)礦渣泥石流的物源中大于2 mm的顆粒所占比例高達(dá)90%以上。我們普遍將粒徑大于2 mm的顆粒所占的物源百分比含量大于80%，且主體以礫石、卵石和漂礫為主的泥石流界定為水石流，與泥流以及狹義上的泥石流相區(qū)分。小秦嶺地區(qū)的礦渣泥石流明顯為水石流。

3 渣堆穩(wěn)定性

典型的的泥石流[2]流域一般劃分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)3個區(qū)段。而區(qū)內(nèi)的礦渣泥石流形成區(qū)與流通區(qū)難以明確區(qū)分。區(qū)內(nèi)的整個溝道中大多都堆滿了礦渣，一旦上游出現(xiàn)泥石流或大量挾沙水流，與大量順坡堆積的渣堆相遇，極易造成渣堆失穩(wěn)從而形成更大規(guī)模的泥石流。如2010年的嵩岔峪泥石流[3]，在泥石流溝的運動中，累積為泥石流堆積扇提供了81.6%的物源。因此在泥石流的形成與流通過程中，采礦渣堆穩(wěn)定性以及啟動條件顯得尤為重要。

3.1 渣堆天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性

3.2 降雨入滲及其啟動分析

區(qū)內(nèi)的泥石流類型為典型的水石流。根據(jù)顆粒大小分析結(jié)果，渣堆應(yīng)為巨?；旌贤痢Ｆ淞叫∮? mm的顆粒不足總量的10%，且礦渣堆中粘粒物質(zhì)極少。而一般把粒徑大于2 mm的顆粒成為石礫組，是泥石流體骨架結(jié)構(gòu)的主體。渣堆中大量的粗顆粒形成了骨架結(jié)構(gòu)，由于缺乏細(xì)顆粒、粘粒物質(zhì)，渣堆中骨架孔隙較大，渣堆中通道連通性好，透水性能極強(qiáng)。從這一點來看靜止?fàn)顟B(tài)的渣堆雖然不穩(wěn)定，但由于其滲透性好，透水能力佳，一般強(qiáng)降雨情況不能完全使其啟動。

在物源補(bǔ)給、地形因素和水源補(bǔ)給這3個泥石流形成的主要條件中，水是泥石流形成的重要組成部分，也是泥石流起動激發(fā)的最為決定性的因素。區(qū)內(nèi)的泥石流類型為典型的水石流，劉興昌[4]在研究秦嶺山地水石流提出了一種簡單的理想化的水石流單個塊體起動力學(xué)分析，當(dāng)水流漫過塊體，并以流速V下泄時的塊體。

把作用于塊體上推力綜合效應(yīng)用F表示，則

其中，λ為塊體粗糙度及形狀系數(shù)，礫石λ取1.0，棱形λ取1.46，球形λ取0.79；γ為水比重；d為塊體平均直徑。

塊體對水流抵抗力為R，則

式中，γ′為塊體比重，μ為摩擦系數(shù)。

如果R

當(dāng)然真實情況下的礦渣的起動要復(fù)雜的多，渣堆作為一個整體難以用簡單的力學(xué)關(guān)系及公式來推導(dǎo)解決。但是公式中可以看出，顆粒粒徑越大，起動時所需的水的流速就越大。

由于水石流屬于稀性泥石流，其運動特性相對來說近似于推移質(zhì)運動為主的挾沙水流[5]，用“推移質(zhì)運動——層移運動[6]”的理論來分析水石流的起動形成機(jī)理。在堆積物厚度一定的情況下，隨著溝谷坡度的增大，其轉(zhuǎn)化為層移運動的所需的清水水深變小。

綜上所述，對于礦區(qū)內(nèi)的礦渣泥石流，在同一條礦渣泥石流溝內(nèi)，流域內(nèi)的坡降、物源條件在一定時間內(nèi)，可以認(rèn)為是相對穩(wěn)定的，而只有降雨才會在時間上發(fā)生變化。與渣堆良好的透水性相聯(lián)系，能得出只有在極端降雨天氣情況下渣堆才可能會起動。所以在實際監(jiān)測和預(yù)測時，我們不僅可以采取以往短時雨強(qiáng)等檢測手段，也可以對溝谷內(nèi)的一些流速較快的較為狹窄的過水?dāng)嗝孢M(jìn)行流速監(jiān)測。如在礦區(qū)的一個確定的泥石流溝谷內(nèi)，確定其轉(zhuǎn)化為“推移質(zhì)運動—層移運動”時所需的臨界流速、水深，尤其確定在溝谷、溝道內(nèi)渣堆堆積嚴(yán)重的類似“卡口”的易堵塞，潰決位置在極端降雨時的流速、流量。

4 結(jié) 論

1) 小秦嶺金礦區(qū)礦渣泥石流作為典型的人為泥石流，在物源特征、起動特征與自然泥石流有著明顯的區(qū)別，雖然大量的廢渣、渣堆在天然狀態(tài)下處于不穩(wěn)定與欠穩(wěn)定的的臨界狀態(tài)，但其良好的透水性導(dǎo)致其并不像自然泥石流的物源那么容易起動。因而渣堆所分布的位置是不是位于“易堵塞”、“卡口”部位顯得尤為重要。

2) 在預(yù)測礦渣泥石流的發(fā)生時，不僅要考慮溝谷內(nèi)的短時雨強(qiáng)，還要分析強(qiáng)降雨對渣堆的起動作用。在礦渣物源、坡度一定時，流速以及清水水深對渣堆的起動起著決定性的作用。

[1] 姚得基(譯). 泥石流[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1986.

[2] 王現(xiàn)國, 翟小潔,張平輝， 等. 小秦嶺礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征與易發(fā)性分區(qū)[J]. 地下水, 2010(4): 162-164.

[3] 徐友寧, 陳華清, 張江華, 等. 小秦嶺金礦區(qū)7·23蒿岔峪泥石流成災(zāi)模式及啟示[J]. 地質(zhì)通報, 2015(11):2001-2008.

[4] 劉興昌. 秦嶺山地水石流特性及其起動力學(xué)分析[J]. 水土保持通報, 1997(4): 21-25.

[5] 孟河清. 水石型泥石流河工模型試驗方法[J]. 泥沙研究, 1989(4): 67-75.

[6] 陳曉輝, 孫紅月, 梅成, 等. 水石流起動的流量控制研究[J]. 山地學(xué)報, 2016(2):194-199.

Predictability of Slag Debris Flow in Gold Deposit

ZHANG Wenxuan1, YANG Guohua2

(1.NorthChinaUniversityOfWaterResourcesAndElectricPower,Zhengzhou,Henan450000,China; 2.ZhengzhouTradeAndIndustrySchools,Zhengzhou,Henan450000,China)

The slag debris flow is a typical representative of the debris flow, as is obviously different from the natural debris flow. Slag debris flow disaster in our country , connected with the developments of the exploitation ,makes it become one of the most dangerous geological disasters.This paper is aimed at the analysis of its stability through the investigations of the basic situation in the area, combining with the characteristics of the slag debris flow. The layer characteristics and particle size is in distribution. It shows that the high water permeability and instability are the key factors of the start in slag debris flow to provide some basic theoretical basis for the monitoring and prediction of debris flow in future.

Slag debris flow; Layer characteristics; Particle size distribution; Stability

2016-10-31

張文軒(1992-)，男，河南鞏義人，在讀碩士研究生，研究方向：工程地質(zhì)，手機(jī)：13837182899，E-mail：396749405@qq.com.

P642.23

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10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.035