鄰水縣田家灣集群煤礦礦山泥石流形成機(jī)制分析及特征值計(jì)算

張維科 吳鑫瀧

（1、四川省川建勘察設(shè)計(jì)院，四川 成都 610000；2、四川省交通廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610000）

1 前言

鄰水縣田家灣集群煤礦地處華鎣山山脈中南段，鄰水縣四海鄉(xiāng)四海村境內(nèi)，地理位置東經(jīng)106°46′45″—106°46′59″、北緯 30°13′13″—30°13′38″。礦區(qū)北距鄰水縣約30km、距廣安市約60km。自田家灣集群煤礦開(kāi)采以來(lái)，礦區(qū)及周邊礦碴堆積體堆積成片，國(guó)土資源遭到嚴(yán)重破壞，礦碴堆積體有形成泥石流的可能，將嚴(yán)重威脅下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

田家灣集群煤礦屬于民營(yíng)礦山，礦山建于九十年代，于2002年礦業(yè)秩序治理整頓時(shí)關(guān)閉。該礦山主要為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民私自開(kāi)采修建的小煤窯。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)，整個(gè)礦山共有煤窯窯井多達(dá)十幾處。

田家灣集群煤礦共包括兩處開(kāi)采區(qū)，兩處開(kāi)采區(qū)分別位于兩條相鄰的沖溝內(nèi)，兩條沖溝相距約500m。

2 自然環(huán)境概況

2.1 氣象與水文

礦區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒嘏瘽駶?rùn)氣候。全年只分旱、雨兩季。一般每年6-10月為雨季，11月-翌年的5月為旱季。最大年降雨量為1709.9mm(1979年)，最低年降雨量為837.9mm(1966年)，日最大降雨量222.3mm，小時(shí)最大降雨量88.6mm，多年平均降雨量1150-1300mm，鄰水縣西部高登山至寶頂一帶（即田家灣集群煤礦所在區(qū)域）則可達(dá)1800mm，為華鎣山地區(qū)的降雨中心。降雨分配極不均勻，主要集中在夏季，其中約40%的雨量又以暴雨、陣雨的形式降下；秋季以綿雨的形式降下；冬季降雨量最少，僅占6%（見(jiàn)表2－1）。

年平均氣溫16.8℃，月平均氣溫最低為一月份3.5℃，最高為七月份28℃，日最低氣溫出現(xiàn)在一月份的高登山一帶，可在-6--3℃之間，日最高氣溫出現(xiàn)在七月和八月上旬可達(dá)43℃。

表2-1 鄰水縣年月降雨量表（1971-2000）(單位:mm)

華鎣山山脈隆起成為地面徑流的分水嶺，其東側(cè)溪溝及沖溝均匯入御臨河。區(qū)內(nèi)地表溝谷發(fā)育，多為季節(jié)性溪溝，呈樹(shù)枝狀分布，暴雨季節(jié)，常引發(fā)山洪。

礦區(qū)位于華鎣山山脈中南段東側(cè)，地形起伏較大，區(qū)內(nèi)多發(fā)育溪流、沖溝。礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有由西向東流向的兩條沖溝，溝內(nèi)旱季一般無(wú)流水，雨季水量較大，一般流量可達(dá)2.0～5.0 m3/s，主要水源為降雨，溝水沿煤炭溝礦渣堆積區(qū)坡腳向下游匯入御臨河。

2.2 地形地貌

礦區(qū)區(qū)域地貌屬侵蝕構(gòu)造中低山區(qū)，山脈走向總體平行于主構(gòu)造線方向、呈線狀延伸。在區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的構(gòu)造作用和巖層差異風(fēng)化的雙重作用下，形成槽谷和山脈平行的侵蝕構(gòu)造中低山、單面山地貌。

礦區(qū)地處華鎣山脈的中南段、為中低山山地，由一組北東向的山嶺與谷地組成。礦區(qū)地勢(shì)西高東低，海拔高一般400～1200m。

礦碴堆積區(qū)周邊表層植被較好，主要為灌木林和草地，堆積區(qū)周邊植被覆蓋率達(dá)95%。

2.3 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和區(qū)域地質(zhì)資料，礦區(qū)內(nèi)地層主要為：第四系人工堆填土層（Q4ml）、第四系殘坡積層（Q4el+dl）、二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P2W）。

2.3.1 第四系人工堆填土層（Q4ml）

主要為礦山開(kāi)采堆積的礦碴，分布于礦區(qū)溝谷內(nèi)，為碎塊石土，結(jié)構(gòu)松散-中密，干-稍濕，灰黑色，主要巖性成份為灰?guī)r，碎石粒徑一般2～6cm，塊石塊徑一般20～30cm，個(gè)別塊徑大于40cm，碎塊石含量50～60%，煤屑、粉質(zhì)粘土和角礫等充填。

該層堆積不均勻，堆積厚度一般5-15m、局部達(dá)20m以上，自然穩(wěn)定坡度在32-35°。

2.3.2 第四系殘坡積層（Q4el+dl）

分布于礦碴堆積區(qū)周邊，主要為全風(fēng)化的殘積土，黃色、黃褐色、灰白色等，以粉質(zhì)粘土為主，含碎礫石，可塑，稍濕，碎礫石含量占10-30%，結(jié)構(gòu)較松軟，層厚一般0.5-2m。

2.3.3 二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P2W）

區(qū)內(nèi)地層為二疊系上統(tǒng)吳家坪組，地層巖性以灰?guī)r為主，層厚30—200m。巖層產(chǎn)狀為傾向 215～319°，傾角11～57°。

3 礦山基本特征

目前，鄰水縣田家灣集群煤礦均已關(guān)閉。整個(gè)礦區(qū)僅存在礦渣堆積體。鄰水縣田家灣集群煤礦為地下開(kāi)采，生產(chǎn)規(guī)模為約15萬(wàn)噸/年，根據(jù)《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范》DZ/T223—2009附表D確定田家灣集群煤礦屬小型礦山。

田家灣集群煤礦包括兩處堆積區(qū)，即堆積一區(qū)和堆積二區(qū)，總堆積方量約22.6×104m3。

3.1 堆積一區(qū)基本特征

礦渣堆積一區(qū)內(nèi)沖溝，為季節(jié)性溝，流域面積約1.1km2，主溝長(zhǎng)約 1.65km，縱坡降約263‰，兩岸斜坡植被發(fā)育較好，未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。

堆積一區(qū)礦渣堆積體長(zhǎng)度約488m，寬度約40～60m，總方量約12.6×104m3。該堆積體堆積坡度較陡，一般在30-40°。堆積體主要為碎塊石土，性質(zhì)不均勻，其碎塊石含量55%以上，粒徑一般3～10cm，最大者可達(dá)40cm，主要成分為灰?guī)r、砂巖塊體及煤渣碎屑。

堆積體呈松散～稍密，堆積體整體呈穩(wěn)定狀體，但部分堆積體由于堆積體前緣受溝水沖刷，呈欠穩(wěn)定狀態(tài)。堆積體表面植被不發(fā)育，整個(gè)堆積體表面呈裸露狀，僅有零星雜草，堆積體表面雨水沖刷嚴(yán)重。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，泥石流動(dòng)儲(chǔ)量約6×104m3。

3.2 堆積二區(qū)泥石流基本情況

礦渣堆積二區(qū)內(nèi)沖溝，為季節(jié)性溝，流域面積約0.85km2，主溝長(zhǎng)約1.25km，縱坡約240‰，兩岸斜坡植被發(fā)育較好，未發(fā)現(xiàn)有崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。

堆積二區(qū)礦渣堆積體長(zhǎng)度約180m，寬度約50～80m，總方量約10×104m3。該堆積體堆積坡度較陡，一般在30-40°。堆積體主要為碎塊石土，性質(zhì)不均勻，其碎塊石含量55%以上，粒徑一般3～10cm，最大者可達(dá)40cm，主要成分為灰?guī)r、砂巖塊體及煤渣碎屑。

堆積體呈松散～稍密，堆積體整體呈穩(wěn)定狀體。堆積體表面植被不發(fā)育，整個(gè)堆積體表面呈裸露狀，僅有零星雜草，堆積體表面雨水沖刷嚴(yán)重。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，泥石流動(dòng)儲(chǔ)量約5×104m3。

4 礦山泥石流發(fā)育條件分析

根據(jù)調(diào)查分析，礦山泥石流的成因主要有：

4.1 地形條件

鄰水縣地處華鎣山脈中段，地勢(shì)西高東低，高差懸殊，起伏較大。地貌上大致以襄渝鐵路為界，東部為中低山地貌區(qū)，該地貌區(qū)山峰重疊，溝壑縱橫，谷底狹窄，山高坡陡，危崖聳峙，形成壟脊?fàn)钌矫}。田家灣集群煤礦區(qū)沖溝匯水面積較大，分別為1.1km2及0.85km2，縱坡上陡下緩，平均縱坡降約240～263‰。兩岸斜坡坡度較陡，多大于45°，為泥石流水源匯集及流通提供了較好的地形條件。

4.2 物源條件

泥石流物源主要是田家灣集群煤礦礦渣。堆積體結(jié)構(gòu)較松散，表面坡度較大，局部坡度達(dá)70°以上，在坡腳遭沖蝕局部有垮塌現(xiàn)象，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該部分物源約有12.6×104m3，其中可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約11×104m3，溝域內(nèi)松散物源豐富，為泥石流的形成提供了豐富的物源條件。

4.3 水源條件

該區(qū)多年平均降雨量為1150-1300mm，最大年降雨量1709.9mm，日最大降雨量222.3mm，小時(shí)最大降雨量88.6mm。據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》所附暴雨量等值線圖田家灣集群煤礦所在地區(qū)的1/6h、1h、24h多年最大暴雨量平均值分別為17.3mm、40mm、103mm。四川山區(qū)泥石流激發(fā)雨量一般為一次雨量 48～50mm左右或 10min雨量 8～12.2mm，勘查區(qū)完全具備引發(fā)泥石流災(zāi)害的降雨條件。

表4-1 勘查區(qū)不同頻率下雨強(qiáng)值計(jì)算

綜上所述，溝域內(nèi)的固體物源條件、水源條件和地形條件，都有利于泥石流的發(fā)生和活動(dòng)。當(dāng)雨強(qiáng)大于等于泥石流的激發(fā)雨強(qiáng)時(shí)，可能暴發(fā)泥石流，暴雨是引發(fā)泥石流的主要因素。

5 泥石流特征值的確定及計(jì)算

（1）泥石流流體重度。泥石流重度的確定采用查表法獲取，按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220--2006）附錄H填寫(xiě)泥石流調(diào)查表并按附錄G進(jìn)行易發(fā)程度評(píng)分，評(píng)分結(jié)果為86分，再根據(jù)表G.2數(shù)量化評(píng)分（N）與重度、（1+φ）關(guān)系對(duì)照，可得出泥石流重度為1.593t/m3（如表 5-1）。

表5-1 評(píng)分（N）與重度、（1+φ）關(guān)系對(duì)照表

（2）泥石流流量。泥石流流通區(qū)內(nèi)沒(méi)有支溝發(fā)育，泥石流流量的計(jì)算分別選擇堆積一區(qū)堆積二區(qū)溝口2個(gè)典型斷面進(jìn)行流量的計(jì)算。

泥石流峰值流量采用雨洪法計(jì)算。按照泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生、計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量的前提下，首先按水文方法計(jì)算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量，然后選用堵塞系數(shù)，采用四川省中小流域推理公式進(jìn)行泥石流流量Qc計(jì)算。

1、頻率為P的暴雨洪水流量計(jì)算（QP）

洪水流量Qp：

取暴雨時(shí)的最大洪峰流量，按推理公式：

式中，SP--某頻率的雨力，mm/h。其計(jì)算式為：

出山口處一帶暴雨洪水流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5-2。

表5-2 暴雨洪水流量計(jì)算結(jié)果表

2、頻率為P的泥石流峰值流量計(jì)算公式：

Qc=（1＋φ）·Qp·Dc

式中：Qc—頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；Qp—頻率為P的暴雨洪峰值流量（m3/s）；φ—泥石流泥砂修正系數(shù)，φ=（γc－γw）/(γH－γc)；Dc—泥石流堵塞系數(shù)值。

采用雨洪法求的各斷面處泥石流峰值流量值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5-3。

表5-3 泥石流峰值流量計(jì)算表

(3)一次泥石流過(guò)流總量。一次泥石流過(guò)流總量按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T0220－2006）附錄I.6提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：Q=KTQC

式中Q—一次泥石流過(guò)程總量（m3）；T—泥石流歷時(shí)（s）；QC—泥石流最大流量（m3/s）；

根據(jù)泥石流峰值流量計(jì)算結(jié)果，同時(shí)，結(jié)合泥石流溝道特征綜合分析，泥石流的歷時(shí)約30分鐘1800s，按上式計(jì)算計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5-4。

5-4 一次泥石流過(guò)流量計(jì)算表

(4)一次泥石流固體沖出物。一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T0220－2006）附錄I.7提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中QH— 一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量（m3）；Q—一次泥石流過(guò)程總量（m3）；rc—泥石流重度（t/m3）；rw—水的重度（t/m3）；rH—泥石流固體物質(zhì)的重度（t/m3）。按上述公式對(duì)出口處一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5-5。

表5-5 一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量計(jì)算表剖面

（5）泥石流整體沖壓力。泥石流整體沖壓力按《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DZ/T0239－2004）3.1－8式計(jì)算：

式中P—泥石流沖壓力（KN）；λ—建筑物形狀系數(shù)，圓形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47；rc—泥石流重度（KN/m3）；VC—泥石流平均流速（m/s）；α—建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）。

計(jì)算過(guò)程主要選擇擬建攔渣壩部位15-15’（堆積一區(qū)）、4-4’（堆積二區(qū)）斷面進(jìn)行計(jì)算。建筑物形狀系數(shù)按矩形建筑取λ=1.33，壩位泥石流整體沖壓力計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表 5－6。

（6）泥石流爬高和最大沖起高度。泥石流遇反坡，由于慣性作用，將沿直線前進(jìn)的現(xiàn)象稱為爬高；泥石流遇阻，其動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，撞擊處使泥漿及包裹的石塊飛濺起來(lái)，稱為泥石流的沖起。泥石流爬高和最大沖起高度按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T0220－2006）附錄I提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中ΔH—泥石流最大沖起高度（m）；ΔHC—泥石流爬高（m）；VC—泥石流平均流速（m/s）；b—泥石流迎面坡度的函數(shù)。

表5－6 泥石流整體沖壓力計(jì)算表

此處仍選擇擬建攔渣壩部位15-15’（堆積一區(qū)）、4-4’（堆積二區(qū)）斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表5－7。

表5－7 泥石流爬高和沖起高度計(jì)算表

（7）泥石流彎道超高。泥石流彎道超高指泥石流在溝槽轉(zhuǎn)彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側(cè)流速較慢，流體變薄而產(chǎn)生超高的現(xiàn)象，當(dāng)凹岸為陡壁時(shí)將對(duì)凹岸產(chǎn)生強(qiáng)大的侵蝕作用。泥石流彎道超高按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T0220－2006）附錄I.27計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中Δh—泥石流彎道超高（m）；VC—泥石流平均流速（m/s）；R—主流中心曲率半徑（m）；g—重力加速度（m/s）；B—泥面寬度（m）。選擇擬建攔渣壩工程部位（堆積一區(qū)15-15’剖面，堆積二區(qū)4-4’）計(jì)算泥石流彎道超高，其彎道超高計(jì)算結(jié)果為：堆積一區(qū)0.91m；堆積二區(qū)0.97m。工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡充分考慮泥石流彎道超高。

6 泥石流危害性評(píng)價(jià)

泥石流主要危害對(duì)象為堆積一區(qū)兩側(cè)10余戶村民住房和40余畝耕地分布，以及其溝谷下游山腳兩個(gè)自然村60余戶居民和300余畝耕地等，礦區(qū)中部有公路通過(guò)，該公路為通往下游居民區(qū)的重要通道，也受到泥石流的威脅。堆積二區(qū)泥石流主要威脅周邊和下游分布的50余戶村民和200余畝耕地。

結(jié)論

1、鄰水縣田家灣集群煤礦礦山開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生大量的礦渣，總體積約22.6×104m3，礦渣堆積于兩條沖溝內(nèi)，為泥石流的形成提供了豐富的物源條件。

2、田家灣集群煤礦礦渣堆積于兩條沖溝內(nèi)，沖溝匯水面積大，分別為1.1km2及0.85km2，沖溝縱坡上陡下緩，平均縱坡降約240～263‰。兩岸斜坡坡度較陡，多大于45°，為泥石流水源匯集及流通提供了較好的地形條件。

3、鄰水降雨豐富雨量大，在暴雨誘發(fā)下礦區(qū)容易形成泥石流。

4、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及相關(guān)資料對(duì)泥石流的主要特征進(jìn)行了計(jì)算。

5、泥石流對(duì)附近居民具有較大的危害。

[1]徐友寧，何芳，陳華清.西北地區(qū)礦山泥石流及分布特征.《山地學(xué)報(bào)》ISTIC PKU-2007年6期.