金礦區礦渣型泥石流物源滲透特征研究

楊 敏，陳華清，張江華

(中國地質調查局西安地質調查中心，陜西西安710054)

礦渣型泥石流是山區礦產資源開發活動中不合理堆排廢石棄渣引發或加劇的嚴重危及礦山正常生產和人員安全的一種地質災害類型，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為泥石流溝、低頻泥石流溝演變為高頻泥石流溝［1］。近年來，礦山礦渣型泥石流災害發生頻繁:1989年7月21日神府煤田發生泥石流，淤平礦井11處、露天礦坑9處，沖毀礦堤1870 m，造成直接經濟損失2000多萬元［2］;1994年7月11日西峪泥石流沖毀礦區公路9 km、涵洞3 km，淤埋礦山設備百余臺，致使礦區交通、水電中斷，共造成52人死亡、上百人失蹤，礦區全部停產，直接經濟損失上億元［3－5］。礦渣型泥石流的發生頻次和災害損失隨著采礦業的發展呈現出加劇的趨勢［6］。

源區物源的滲透過程是泥石流形成全過程中不可缺少的一個子過程［7］，而泥石流防治的要點是阻止其形成準泥石流體，或準泥石流體起動形成泥石流，或對運動中的泥石流體加以疏導以降低災害損失［8］，因此對于礦渣型泥石流而言，研究物源的滲透性對于探索泥石流形成機理、計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礦渣型泥石流物源——采礦廢石、尾礦砂、殘坡積土［9］，對其顆粒級配、滲透系數進行測試，與已有的自然泥石流物源滲透特性的研究成果進行對比，分析礦渣型泥石流物源滲透特征，為進一步研究和治理礦渣型泥石流提供參考。

1 研究區概況

以黃河中游某金礦區為研究區，該區位于陜西、山西、河南三省交界處，是我國重要的黃金產區。開采區主要位于基巖山地，山脈主體呈東西向展布，北麓山勢陡峭，溝谷切割強烈，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高差約900 m，為泥石流形成提供了重力勢能條件。

該區年均降水量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，因此具備引發泥石流的短歷時、高強度的暴雨條件。

該區地臺基底為太古界太華群變質巖系，賦存有大量與構造破碎帶有關的含金石英脈［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，石渣堆固結弱。礦區堆渣量巨大，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、棗鄉峪、大湖峪等的廢渣堆積量約為2.629億m3，占該區礦山廢石總量4.612億m3的57%。據調查，金礦區80%以上的廢渣堆沒有配套防護工程設施，廢渣堆穩定性極差，為泥石流的發生提供了豐富的松散物源。研究區廢石堆分布情況見表1。

表1 研究區廢石堆分布情況

2 試驗材料及方法

土體的滲透試驗是研究泥石流起動過程和機理的重要手段。由于土體孔隙的斷面大小和形狀十分不規則，水在土體孔隙中的流動是非常復雜的，即使是單純的砂土，也不可能求出流速分布的規律或者孔隙中真實流速的大小，因此土的透水性只能用平均的概念，用單位時間內通過土體單位面積的水量這種平均滲透速度來代替真實速度［10］。陳寧生［7］曾采用徑流產流試驗對泥石流物源區弱固結礫石土的滲透特性進行了研究，測得蔣家溝泥石流形成區的穩定下滲率是0.13 mm/min，即自然泥石流物源的穩定滲透系數為2.17×10－4cm/s。

2.1 試驗材料

試驗土樣是于2010年4月采自研究區東桐峪溝道內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行試驗。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行篩析，得到顆粒級配曲線(圖1)。再進行孔隙度測試，得到采礦廢石渣的平均孔隙度高達42.2%，尾礦砂平均孔隙度為18.82%。采用多數學者認可的5 mm的固定粒徑，將d＞5 mm的顆粒稱為粗料，含量用P5表示，其余稱為細料［11］。采礦廢石渣中粗料形成骨架，細料充填孔隙，填充得越密實，廢石渣的孔隙越小。孔隙的大小直接關系到廢石渣的滲透特性和滲透穩定性。

圖1 研究區不同泥石流物源顆粒級配對比

2.2 試驗方法

采用直徑10 cm、高30 cm的常水頭滲透儀進行試驗(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個采礦廢石渣重塑樣和10個尾礦砂重塑樣進行試驗。根據《土工試驗規程》，試樣顆粒粒徑不得超過儀器口徑的1/10［12］。對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的粗料按含量加權平均代替，在有限的試驗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

圖2 常水頭滲透儀

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

2.2.2 尾礦砂的滲透系數

尾礦砂顆粒級配狹窄，以中細沙—粉粒為主，孔隙率較小，為18.82%。試驗結果見3。

2.2.3 殘坡積土的滲透系數

采集研究區殘坡積土進行滲透試驗，與礦渣型泥石流物源的滲透系數進行對比，結果見表4。采礦廢石渣滲透試驗結果見表2。

3 試驗結果分析

3.1 不同物源滲透系數對比

從滲透試驗結果可以看出，采礦廢石渣滲透系數較大，為0.094～0.127 cm/s，平均 0.107 cm/s;尾礦砂滲透系數比采礦廢石渣小，為 4.9 ×10－4～1.37 ×10－3cm/s，平均 1.03 ×10－3cm/s;殘坡積土滲透系數為 0.052～0.056 cm/s，平均 0.055 cm/s。采礦廢石渣的滲透系數是陳寧生［7］研究結果值的493倍，是殘坡積土的1.9倍、尾礦砂的104倍。需要說明的是，受試驗設備的限制，試驗采用的廢石渣顆粒要比實際物源細得多，也就是說實際廢石渣堆的滲透系數比試驗數據還要大。

表2 采礦廢石渣滲透試驗數據

3.2 滲透性能與顆粒級配的關系

郭慶國［11］認為:當土體中粗料(礫石)含量＜30%時，粗料在土體中被細料所包裹，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，所以滲透系數不但不增大，反而會有所減少;當粗料含量超過30%之后，粗料顆粒開始有局部接觸，滲透系數逐漸增大;當粗料含量超過70%之后，粗料已經完全形成了骨架，細料填不滿孔隙，滲透系數顯著增大。根據上述理論，由顆粒篩分試驗知:5處采礦廢石渣堆的P5平均值為84.5%，粗料已經完全形成土體骨架，細粒物質不能填滿孔隙，造成土體內部孔隙度大、連通性好、滲透系數較大;而尾礦砂則全部由細粒物質組成，孔隙率較小、孔隙狹窄、連通性較差，因此其滲透系數遠小于采礦廢石渣。

表3 尾礦砂滲透試驗數據

表4 殘坡積土滲透試驗數據

3.3 滲透性能與泥石流發育規律的關系

(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，研究區溝道內的渣堆才能在洪水沖擊下起動進而形成泥石流。這也就是說礦渣型泥石流是暴雨或特大暴雨誘發型泥石流，從7月23日蒿岔峪泥石流形成當日潼關縣3個鄉鎮降水量超過100 mm，最大降水量為204.8 mm，可以得到證明。

(2)礦渣型泥石流致災嚴重。溝谷切割強烈，降雨強度大，加之溝道內礦渣堆數量龐大，攔擋支護措施明顯不足，因此研究區具備礦渣型泥石流的發生條件。更為嚴重的是，礦渣型泥石流的發生通常需要大暴雨和較大的洪水流量，因此一旦發生泥石流往往會造成大型甚至特大型災害，可能比泥石流高發區形成的小型泥石流造成的危害更大、損失更嚴重。

(3)加強礦渣型泥石流的預防和治理。由于礦渣型泥石流的形成通常需要特大暴雨誘發，在一般降雨條件下不易發生，因此容易造成假象，使人們對防災減災工作有所松懈。針對金礦區存在的礦渣型泥石流安全隱患，應該做到堅持治理、群測群防。對于研究區，預防礦渣型泥石流應針對不穩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的來源;對于礦區溝道擠占嚴重、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渠，使洪水排泄通暢;對于存在重大泥石流隱患的局部河段，通過修建谷坊、網格壩、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.基于人工模擬試驗的小秦嶺金礦區礦渣型泥石流起動研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(7):1388 －1395.

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

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

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

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

［6］徐友寧，何芳，張江華，等.礦山泥石流特點及其防災減災對策［J］.山地學報，2010，28(4):463－469.

［7］陳寧生，張軍.泥石流源區弱固結礫石土的滲透規律［J］.山地學報，2001，19(2):169 －171.

［8］崔鵬，柳素清，唐邦興，等.風景區泥石流研究與防治［M］.北京:科學出版社，2005:25－54.

［9］楊敏，徐友寧，徐冬寅，等.靈寶金礦區地質環境問題現狀及可持續發展對策［J］.黃金，2010，31(7):19 －22.

［10］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算［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用［M］.鄭州:黃河水利出版社，1998:15－16.

［12］DL/5355—2006，土工試驗規程［S］.