金礦區(qū)礦渣型泥石流物源滲透特征研究

楊 敏，陳華清，張江華

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安710054)

礦渣型泥石流是山區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)活動(dòng)中不合理堆排廢石棄渣引發(fā)或加劇的嚴(yán)重危及礦山正常生產(chǎn)和人員安全的一種地質(zhì)災(zāi)害類型，其物源90%以上來源于采礦過程中排放的廢石棄渣，因物源充分、堆積集中，可使非泥石流溝演變?yōu)槟嗍鳒?、低頻泥石流溝演變?yōu)楦哳l泥石流溝［1］。近年來，礦山礦渣型泥石流災(zāi)害發(fā)生頻繁:1989年7月21日神府煤田發(fā)生泥石流，淤平礦井11處、露天礦坑9處，沖毀礦堤1870 m，造成直接經(jīng)濟(jì)損失2000多萬元［2］;1994年7月11日西峪泥石流沖毀礦區(qū)公路9 km、涵洞3 km，淤埋礦山設(shè)備百余臺(tái)，致使礦區(qū)交通、水電中斷，共造成52人死亡、上百人失蹤，礦區(qū)全部停產(chǎn)，直接經(jīng)濟(jì)損失上億元［3－5］。礦渣型泥石流的發(fā)生頻次和災(zāi)害損失隨著采礦業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出加劇的趨勢(shì)［6］。

源區(qū)物源的滲透過程是泥石流形成全過程中不可缺少的一個(gè)子過程［7］，而泥石流防治的要點(diǎn)是阻止其形成準(zhǔn)泥石流體，或準(zhǔn)泥石流體起動(dòng)形成泥石流，或?qū)\(yùn)動(dòng)中的泥石流體加以疏導(dǎo)以降低災(zāi)害損失［8］，因此對(duì)于礦渣型泥石流而言，研究物源的滲透性對(duì)于探索泥石流形成機(jī)理、計(jì)算泥石流臨界降雨量等具有重要的意義。本研究選擇黃河中游某金礦區(qū)礦渣型泥石流物源——采礦廢石、尾礦砂、殘坡積土［9］，對(duì)其顆粒級(jí)配、滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，與已有的自然泥石流物源滲透特性的研究成果進(jìn)行對(duì)比，分析礦渣型泥石流物源滲透特征，為進(jìn)一步研究和治理礦渣型泥石流提供參考。

1 研究區(qū)概況

以黃河中游某金礦區(qū)為研究區(qū)，該區(qū)位于陜西、山西、河南三省交界處，是我國重要的黃金產(chǎn)區(qū)。開采區(qū)主要位于基巖山地，山脈主體呈東西向展布，北麓山勢(shì)陡峭，溝谷切割強(qiáng)烈，整體海拔700—2300 m，平均海拔1500 m，溝坡平均坡度25°～35°，溝谷多呈U形，分水嶺至出山口最大相對(duì)高差約900 m，為泥石流形成提供了重力勢(shì)能條件。

該區(qū)年均降水量645.8 mm，最大年降水量984.7 mm，降水多集中在6—9月份，且多為暴雨，因此具備引發(fā)泥石流的短歷時(shí)、高強(qiáng)度的暴雨條件。

該區(qū)地臺(tái)基底為太古界太華群變質(zhì)巖系，賦存有大量與構(gòu)造破碎帶有關(guān)的含金石英脈［3］。主要開采石英脈型金礦，采礦排放的廢石棄渣粒徑多為1～500 mm，石渣堆固結(jié)弱。礦區(qū)堆渣量巨大，從溝口到溝腦、山腳到山頂、山坡到溝道，采礦廢石、選礦尾礦渣隨意堆放，集中堆排在文峪、棗鄉(xiāng)峪、大湖峪等的廢渣堆積量約為2.629億m3，占該區(qū)礦山廢石總量4.612億m3的57%。據(jù)調(diào)查，金礦區(qū)80%以上的廢渣堆沒有配套防護(hù)工程設(shè)施，廢渣堆穩(wěn)定性極差，為泥石流的發(fā)生提供了豐富的松散物源。研究區(qū)廢石堆分布情況見表1。

表1 研究區(qū)廢石堆分布情況

2 試驗(yàn)材料及方法

土體的滲透試驗(yàn)是研究泥石流起動(dòng)過程和機(jī)理的重要手段。由于土體孔隙的斷面大小和形狀十分不規(guī)則，水在土體孔隙中的流動(dòng)是非常復(fù)雜的，即使是單純的砂土，也不可能求出流速分布的規(guī)律或者孔隙中真實(shí)流速的大小，因此土的透水性只能用平均的概念，用單位時(shí)間內(nèi)通過土體單位面積的水量這種平均滲透速度來代替真實(shí)速度［10］。陳寧生［7］曾采用徑流產(chǎn)流試驗(yàn)對(duì)泥石流物源區(qū)弱固結(jié)礫石土的滲透特性進(jìn)行了研究，測(cè)得蔣家溝泥石流形成區(qū)的穩(wěn)定下滲率是0.13 mm/min，即自然泥石流物源的穩(wěn)定滲透系數(shù)為2.17×10－4cm/s。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣是于2010年4月采自研究區(qū)東桐峪溝道內(nèi)堆棄的采礦廢石渣和尾礦砂，取土深度0～1 m。由于采礦廢石渣主要為粗粒土石混合料，采集原狀土樣比較困難，因此采用重塑土樣進(jìn)行試驗(yàn)。選擇具有代表性的5處廢石渣堆、2處尾礦砂堆、2 處殘坡積土，采用 20、15、10、5、2、1 cm 以及 5、2、0.83、0.45、0.3、0.2、0.1、0.075 mm 的不同孔徑的篩子進(jìn)行篩析，得到顆粒級(jí)配曲線(圖1)。再進(jìn)行孔隙度測(cè)試，得到采礦廢石渣的平均孔隙度高達(dá)42.2%，尾礦砂平均孔隙度為18.82%。采用多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的5 mm的固定粒徑，將d＞5 mm的顆粒稱為粗料，含量用P5表示，其余稱為細(xì)料［11］。采礦廢石渣中粗料形成骨架，細(xì)料充填孔隙，填充得越密實(shí)，廢石渣的孔隙越小。孔隙的大小直接關(guān)系到廢石渣的滲透特性和滲透穩(wěn)定性。

圖1 研究區(qū)不同泥石流物源顆粒級(jí)配對(duì)比

2.2 試驗(yàn)方法

采用直徑10 cm、高30 cm的常水頭滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)(圖2)。采礦廢石渣粗顆粒粒徑大且松散，不易取原狀樣，因此采用12個(gè)采礦廢石渣重塑樣和10個(gè)尾礦砂重塑樣進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》，試樣顆粒粒徑不得超過儀器口徑的1/10［12］。對(duì)于超徑料的處理采用“等量替代法”［11］，將粗粒土中超徑料等重量地用允許最大粒徑(dmax)至5 mm的粗料按含量加權(quán)平均代替，在有限的試驗(yàn)條件下最大限度地模擬原狀樣。

2.2.1 采礦廢石渣的滲透系數(shù)

圖2 常水頭滲透儀

通過顆粒級(jí)配對(duì)比，采礦廢石渣有著與常見泥石流物源不同的特點(diǎn)，包括粗粒含量大，P5=78.19%～91.38%，孔隙率較大，為42%，因此其滲透系數(shù)也不同于其他物源。

2.2.2 尾礦砂的滲透系數(shù)

尾礦砂顆粒級(jí)配狹窄，以中細(xì)沙—粉粒為主，孔隙率較小，為18.82%。試驗(yàn)結(jié)果見3。

2.2.3 殘坡積土的滲透系數(shù)

采集研究區(qū)殘坡積土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，與礦渣型泥石流物源的滲透系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。采礦廢石渣滲透試驗(yàn)結(jié)果見表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同物源滲透系數(shù)對(duì)比

從滲透試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采礦廢石渣滲透系數(shù)較大，為0.094～0.127 cm/s，平均 0.107 cm/s;尾礦砂滲透系數(shù)比采礦廢石渣小，為 4.9 ×10－4～1.37 ×10－3cm/s，平均 1.03 ×10－3cm/s;殘坡積土滲透系數(shù)為 0.052～0.056 cm/s，平均 0.055 cm/s。采礦廢石渣的滲透系數(shù)是陳寧生［7］研究結(jié)果值的493倍，是殘坡積土的1.9倍、尾礦砂的104倍。需要說明的是，受試驗(yàn)設(shè)備的限制，試驗(yàn)采用的廢石渣顆粒要比實(shí)際物源細(xì)得多，也就是說實(shí)際廢石渣堆的滲透系數(shù)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)還要大。

表2 采礦廢石渣滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 滲透性能與顆粒級(jí)配的關(guān)系

郭慶國［11］認(rèn)為:當(dāng)土體中粗料(礫石)含量＜30%時(shí)，粗料在土體中被細(xì)料所包裹，加上礫石本身又不透水，減小了滲透面積，延長了部分滲透路徑，所以滲透系數(shù)不但不增大，反而會(huì)有所減少;當(dāng)粗料含量超過30%之后，粗料顆粒開始有局部接觸，滲透系數(shù)逐漸增大;當(dāng)粗料含量超過70%之后，粗料已經(jīng)完全形成了骨架，細(xì)料填不滿孔隙，滲透系數(shù)顯著增大。根據(jù)上述理論，由顆粒篩分試驗(yàn)知:5處采礦廢石渣堆的P5平均值為84.5%，粗料已經(jīng)完全形成土體骨架，細(xì)粒物質(zhì)不能填滿孔隙，造成土體內(nèi)部孔隙度大、連通性好、滲透系數(shù)較大;而尾礦砂則全部由細(xì)粒物質(zhì)組成，孔隙率較小、孔隙狹窄、連通性較差，因此其滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于采礦廢石渣。

表3 尾礦砂滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 殘坡積土滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 滲透性能與泥石流發(fā)育規(guī)律的關(guān)系

(1)礦渣型泥石流多為暴雨山洪泥石流。礦渣型泥石流物源的滲透性能比自然泥石流物源的滲透性能強(qiáng)很多倍，一般降雨條件下洪水很快透過礦渣堆中的粗大孔隙滲漏排出，很難匯集形成兇猛的洪峰或堵塞形成堰塞塘，因此除非遇到特大暴雨，研究區(qū)溝道內(nèi)的渣堆才能在洪水沖擊下起動(dòng)進(jìn)而形成泥石流。這也就是說礦渣型泥石流是暴雨或特大暴雨誘發(fā)型泥石流，從7月23日蒿岔峪泥石流形成當(dāng)日潼關(guān)縣3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量超過100 mm，最大降水量為204.8 mm，可以得到證明。

(2)礦渣型泥石流致災(zāi)嚴(yán)重。溝谷切割強(qiáng)烈，降雨強(qiáng)度大，加之溝道內(nèi)礦渣堆數(shù)量龐大，攔擋支護(hù)措施明顯不足，因此研究區(qū)具備礦渣型泥石流的發(fā)生條件。更為嚴(yán)重的是，礦渣型泥石流的發(fā)生通常需要大暴雨和較大的洪水流量，因此一旦發(fā)生泥石流往往會(huì)造成大型甚至特大型災(zāi)害，可能比泥石流高發(fā)區(qū)形成的小型泥石流造成的危害更大、損失更嚴(yán)重。

(3)加強(qiáng)礦渣型泥石流的預(yù)防和治理。由于礦渣型泥石流的形成通常需要特大暴雨誘發(fā)，在一般降雨條件下不易發(fā)生，因此容易造成假象，使人們對(duì)防災(zāi)減災(zāi)工作有所松懈。針對(duì)金礦區(qū)存在的礦渣型泥石流安全隱患，應(yīng)該做到堅(jiān)持治理、群測(cè)群防。對(duì)于研究區(qū)，預(yù)防礦渣型泥石流應(yīng)針對(duì)不穩(wěn)定渣堆修建重力擋墻，將渣堆與行洪通道隔離開來，阻斷泥石流固體物質(zhì)的來源;對(duì)于礦區(qū)溝道擠占嚴(yán)重、洪水排泄不暢的狀況，采取清理河道卡口的廢石堆、疏通河道及修建排導(dǎo)渠，使洪水排泄通暢;對(duì)于存在重大泥石流隱患的局部河段，通過修建谷坊、網(wǎng)格壩、縫隙壩、重力壩等工程，盡可能地減輕泥石流危害。

［1］徐友寧，曹琰波，張江華，等.基于人工模擬試驗(yàn)的小秦嶺金礦區(qū)礦渣型泥石流起動(dòng)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(7):1388 －1395.

［2］徐友寧，何芳，陳華清.西北地區(qū)礦山泥石流分布及特征［J］.山地學(xué)報(bào)，2007，25(6):729 －736.

［3］李昭淑.陜西省泥石流災(zāi)害與防治［M］.西安:西安地圖出版社，2002:112－117.

［4］李昭淑.陜西潼關(guān)金礦區(qū)’94人工泥石流災(zāi)害研究［J］.災(zāi)害學(xué)，1995，10(3):51 －56.

［5］邢永強(qiáng).小秦嶺地區(qū)泥石流發(fā)生趨勢(shì)研究［J］.中國水土保持，2007(8):20－22.

［6］徐友寧，何芳，張江華，等.礦山泥石流特點(diǎn)及其防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策［J］.山地學(xué)報(bào)，2010，28(4):463－469.

［7］陳寧生，張軍.泥石流源區(qū)弱固結(jié)礫石土的滲透規(guī)律［J］.山地學(xué)報(bào)，2001，19(2):169 －171.

［8］崔鵬，柳素清，唐邦興，等.風(fēng)景區(qū)泥石流研究與防治［M］.北京:科學(xué)出版社，2005:25－54.

［9］楊敏，徐友寧，徐冬寅，等.靈寶金礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題現(xiàn)狀及可持續(xù)發(fā)展對(duì)策［J］.黃金，2010，31(7):19 －22.

［10］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算［M］.北京:水利電力出版社，1994:107－111.

［11］郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用［M］.鄭州:黃河水利出版社，1998:15－16.

［12］DL/5355—2006，土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.