豫西某金礦泥石流發(fā)育特征研究

劉星宇，劉向東，孫建偉，馮宇婷

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，西安 710100)

0 引言

豫西某金礦位于河南省欒川縣白土鄉(xiāng)，地處秦嶺山脈東段，熊耳山西南部，伏牛山西段北部，屬豫西成礦帶，已探明有金礦、鉛鋅礦和鐵礦等礦種，其中金礦為主要礦種。豫西某金礦礦業(yè)活動(dòng)從1979年建礦山以來，開采了三十余年,礦業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致礦渣型泥石流問題極其突出[1-7]。豫西某金礦區(qū)主要以豫西某河為主溝，向西呈羽狀發(fā)育多條支溝，但是有礦渣或尾礦庫的只有7條，分別為后木寺、大南溝、小北溝、韭菜溝、磨石溝、星星陰和杏樹崖。

1 區(qū)域地質(zhì)概況及構(gòu)造發(fā)育

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

豫西某金礦床位于華北陸塊南緣華熊臺(tái)隆熊耳山隆斷區(qū)，花山—龍脖背斜南翼近東西向馬超營區(qū)域性斷裂帶與北東向上宮—星星印斷裂帶的交匯部位。斷裂構(gòu)造主要發(fā)育4組，以近東西向和北東向?yàn)橹鳎浯螢榻媳毕蚝捅蔽飨?。區(qū)礦體賦存于新太古界太華群片麻巖和中元古界熊耳群火山巖中，主要出露巖性有第四系覆蓋物、流紋斑巖、安山巖以及片麻巖。工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件屬簡單型，主要以整體塊狀堅(jiān)硬巖體，地下水類型為淺層松散孔隙水和基巖裂隙水，補(bǔ)給主要為大氣降水。

1.2 構(gòu)造發(fā)育背景

馬超營斷裂在漫長的地史演化過程中經(jīng)歷了多期次擠壓、伸展、重力滑脫、逆沖推覆等變形變質(zhì)作用及復(fù)雜的巖漿活動(dòng)和成礦作用，共計(jì)6期次的地質(zhì)作用和7次構(gòu)造事件。分別為D1嵩陽變形旋回(南北向擠壓)、D2熊耳—欒川變形旋回(南北向伸展)、D3加里東變形旋回(南北向擠壓)、D4海西—印支變形旋回(南北伸展、重力滑脫)、D5燕山變形旋回(逆沖推覆構(gòu)造)、D6隨后局部松弛拉張作用、D7喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(水平擠壓)[8]。

2 豫西某金礦區(qū)泥石流發(fā)育的條件特征

2.1 地形條件

因馬超營斷裂6期次的構(gòu)造活動(dòng)(嵩陽發(fā)展—中遠(yuǎn)古形成—后期改造)，在強(qiáng)烈而復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)過程中形成了有利于溝谷型泥石流的地形條件，豫西某金礦西高東低，相對高差670 m，溝谷總長度8 km，物源區(qū)平均縱坡降170‰，最大縱坡降377‰，兩頭(形成區(qū)和堆積區(qū))呈“喇叭狀”，中間(流通區(qū))狹窄，形成了有利于溝谷型泥石流形成的“啞鈴狀”特殊地形。

2.2 物源條件

2.2.1 物源來源

豫西某金礦礦區(qū)工程地質(zhì)條件簡單，主要為完整、較完整堅(jiān)硬致密巖體，巖性為安山巖和片麻巖類，為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，不易風(fēng)化。如圖1所示，有安山巖工程地質(zhì)巖組、片麻巖工程地質(zhì)巖組、礦化蝕變巖工程地質(zhì)巖組、碎裂巖工程地質(zhì)巖組等四類，六種巖土體組合模式。

圖1 豫西某金礦地層巖性剖面圖

巖層層面、破碎帶軟弱結(jié)構(gòu)面以及斷裂形成的貫通的硬性結(jié)構(gòu)面傾向均與坡面反向，所以不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的滑坡不良地質(zhì)現(xiàn)象。由于出露的堅(jiān)硬巖體節(jié)理面長時(shí)間暴露在空氣以及雨水沖蝕、凍融等條件下，節(jié)理面的膠結(jié)物軟化或喪失膠結(jié)作用，出現(xiàn)落石掉塊或局部崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，所以在現(xiàn)場調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)山坡的風(fēng)化層較薄，查閱資料發(fā)現(xiàn)山頂幾乎可見基巖，自然物源較少。

由于豫西某金礦區(qū)礦業(yè)活動(dòng)長時(shí)間無序且粗放式開采，造成了大量的廢石渣堆沿坡面或溝道隨意堆棄，通過選礦活動(dòng)形成的3處較大的尾礦庫和1處排土場。這些物源自身穩(wěn)定性差，有的渣堆堵塞行洪通道，據(jù)現(xiàn)場測量統(tǒng)計(jì)共有渣堆16處，總計(jì)方量12.05×104m3，見表1、表2；有尾礦庫4處，礦漿共計(jì)方量4.30×106m3，礦渣占比2.73%，尾礦庫礦漿占比97.27%。

表1 后木寺渣堆屬性統(tǒng)計(jì)表

表2 大南溝渣堆屬性統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 礦渣的級配及滲透性

從物源區(qū)選取13處渣堆，分別取樣的做粒徑級配曲線，如圖2所示。由試驗(yàn)曲線可知，土的不均勻系數(shù)Cu均大于5，屬于級配不良土體，滲透系數(shù)大，利于水流通過，所以在強(qiáng)降雨條件下破壞形式以溶移、懸移、躍移及推移為主[9]。尾礦庫的滲透系數(shù)小，滲透作用強(qiáng)，在強(qiáng)降雨條件下，滲透力作用下容易發(fā)生失穩(wěn)，主要以滲透破壞為主。

圖2 渣堆粒徑級配圖

2.3 水源條件

豫西某金礦區(qū)地處洛陽市欒川縣，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨多集中在7～9月份，年均降水量872.6 mm，年降水量最高1386.6 mm，最低403.3 mm，月最高降水量179.2 mm。充沛的降雨為泥石流提供了水動(dòng)力條件。

3 泥石流發(fā)育情況分析

3.1 泥石流各項(xiàng)參數(shù)分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[10,11]，泥石流容重的計(jì)算公式為

γc=tanJ+k0×kr×k1×A0.11

(1)

式中：k0為補(bǔ)給系數(shù)；γc為泥石流容重；kr為巖性系數(shù)；k1為稀釋系數(shù)；J為物源區(qū)平均坡度，對于豫西某金礦取15.5°；A為物源區(qū)儲(chǔ)備方量與匯水面積比，豫西某金礦泥石流隱患溝物源區(qū)匯水面積7.94 km2，渣堆方量4.30×106m3。

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)條件及有關(guān)資料，查表知，k0=1.0，k1=1.0，kr=0.9，則可計(jì)算出本區(qū)泥石流的可能容重γc=1.67 kN·m-3。

豫西某金礦的主要誘發(fā)條件為短時(shí)強(qiáng)降雨，由降雨引發(fā)洪峰流量可按下式計(jì)算：

(2)

(3)

查表知，K3=0.63，α1=0.15，I=0.083，得τ=1.03。

μ=K1(Sp)β1

(4)

查表知，K1=1，β1=1。公式(2)中：Q為洪峰流量；Sp為雨力，取值49 mm/h；n為暴雨遞減指數(shù)，取值1；μ為損失參數(shù)，取值15.85 mm/h；τ為匯流時(shí)間；α1為匯流參數(shù)；I為主河道平均比降；L為主河道長度，取值8.02 km；F為匯流面積，取值21.18 km2。經(jīng)計(jì)算可得Q=186.79 m3/s。

根據(jù)工程地質(zhì)手冊[12]中提供的方法計(jì)算泥洪峰流量石流的最大流量

(5)

式中：γs=2.72 kN·m-3，Qc為泥石流流量，計(jì)算得Qc=306.99 m3/s。

3.2 泥石流的發(fā)育階段分析

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》(DZ/T0220-2006)判別泥石流發(fā)展階段可知，豫西某金礦泥石流處于發(fā)展期。

3.3 泥石流易發(fā)性分析

根據(jù)《中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對后木寺等支溝進(jìn)行評價(jià)，其易發(fā)程度如表4所示。

表4 泥石流易發(fā)程度評價(jià)表

3.4 泥石流的險(xiǎn)情分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)查可知，豫西某金礦泥石流隱患溝影響金興礦部3個(gè)選礦廠、豫西某學(xué)校以及當(dāng)?shù)爻Ｗ【用窈兔穹?。根?jù)中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估規(guī)范》DZ/T 0286-2015判定該地區(qū)險(xiǎn)情級別為大型。

4 結(jié)論

(1)因馬超營斷裂6期次的構(gòu)造活動(dòng)(嵩陽發(fā)展—中遠(yuǎn)古形成—后期改造)，在強(qiáng)烈而復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)過程中形成了有利于溝谷型泥石流的地形條件。

(2)晶粒細(xì)小、堅(jiān)硬致密的火山熔巖不易風(fēng)化，巖層傾向和坡面反向，不易造成滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，因此自然物源較少，難以形成自然泥石流。

(3)礦渣松散、固結(jié)差、尾礦庫壩體脆弱，極易在暴雨、短時(shí)強(qiáng)降雨下失穩(wěn)匯入溝谷匯聚形成泥石流物源，是豫西某金礦泥石流形成的主要物源。

(4)豫西某金礦泥石流隱患溝是礦業(yè)活動(dòng)引起的礦渣型泥石流隱患，其發(fā)育階段為發(fā)展期，易發(fā)程度為中易發(fā)，險(xiǎn)情級別為大型。