金矿区矿渣型泥石流物源渗透特征研究

杨 敏，陈华清，张江华

(中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安710054)

矿渣型泥石流是山区矿产资源开发活动中不合理堆排废石弃渣引发或加剧的严重危及矿山正常生产和人员安全的一种地质灾害类型，其物源90%以上来源于采矿过程中排放的废石弃渣，因物源充分、堆积集中，可使非泥石流沟演变为泥石流沟、低频泥石流沟演变为高频泥石流沟［1］。近年来，矿山矿渣型泥石流灾害发生频繁:1989年7月21日神府煤田发生泥石流，淤平矿井11处、露天矿坑9处，冲毁矿堤1870 m，造成直接经济损失2000多万元［2］;1994年7月11日西峪泥石流冲毁矿区公路9 km、涵洞3 km，淤埋矿山设备百余台，致使矿区交通、水电中断，共造成52人死亡、上百人失踪，矿区全部停产，直接经济损失上亿元［3－5］。矿渣型泥石流的发生频次和灾害损失随着采矿业的发展呈现出加剧的趋势［6］。

源区物源的渗透过程是泥石流形成全过程中不可缺少的一个子过程［7］，而泥石流防治的要点是阻止其形成准泥石流体，或准泥石流体起动形成泥石流，或对运动中的泥石流体加以疏导以降低灾害损失［8］，因此对于矿渣型泥石流而言，研究物源的渗透性对于探索泥石流形成机理、计算泥石流临界降雨量等具有重要的意义。本研究选择黄河中游某金矿区矿渣型泥石流物源——采矿废石、尾矿砂、残坡积土［9］，对其颗粒级配、渗透系数进行测试，与已有的自然泥石流物源渗透特性的研究成果进行对比，分析矿渣型泥石流物源渗透特征，为进一步研究和治理矿渣型泥石流提供参考。

1 研究区概况

以黄河中游某金矿区为研究区，该区位于陕西、山西、河南三省交界处，是我国重要的黄金产区。开采区主要位于基岩山地，山脉主体呈东西向展布，北麓山势陡峭，沟谷切割强烈，整体海拔700—2300 m，平均海拔1500 m，沟坡平均坡度25°～35°，沟谷多呈U形，分水岭至出山口最大相对高差约900 m，为泥石流形成提供了重力势能条件。

该区年均降水量645.8 mm，最大年降水量984.7 mm，降水多集中在6—9月份，且多为暴雨，因此具备引发泥石流的短历时、高强度的暴雨条件。

该区地台基底为太古界太华群变质岩系，赋存有大量与构造破碎带有关的含金石英脉［3］。主要开采石英脉型金矿，采矿排放的废石弃渣粒径多为1～500 mm，石渣堆固结弱。矿区堆渣量巨大，从沟口到沟脑、山脚到山顶、山坡到沟道，采矿废石、选矿尾矿渣随意堆放，集中堆排在文峪、枣乡峪、大湖峪等的废渣堆积量约为2.629亿m3，占该区矿山废石总量4.612亿m3的57%。据调查，金矿区80%以上的废渣堆没有配套防护工程设施，废渣堆稳定性极差，为泥石流的发生提供了丰富的松散物源。研究区废石堆分布情况见表1。

表1 研究区废石堆分布情况

2 试验材料及方法

土体的渗透试验是研究泥石流起动过程和机理的重要手段。由于土体孔隙的断面大小和形状十分不规则，水在土体孔隙中的流动是非常复杂的，即使是单纯的砂土，也不可能求出流速分布的规律或者孔隙中真实流速的大小，因此土的透水性只能用平均的概念，用单位时间内通过土体单位面积的水量这种平均渗透速度来代替真实速度［10］。陈宁生［7］曾采用径流产流试验对泥石流物源区弱固结砾石土的渗透特性进行了研究，测得蒋家沟泥石流形成区的稳定下渗率是0.13 mm/min，即自然泥石流物源的稳定渗透系数为2.17×10－4cm/s。

2.1 试验材料

试验土样是于2010年4月采自研究区东桐峪沟道内堆弃的采矿废石渣和尾矿砂，取土深度0～1 m。由于采矿废石渣主要为粗粒土石混合料，采集原状土样比较困难，因此采用重塑土样进行试验。选择具有代表性的5处废石渣堆、2处尾矿砂堆、2 处残坡积土，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 的不同孔径的筛子进行筛析，得到颗粒级配曲线(图1)。再进行孔隙度测试，得到采矿废石渣的平均孔隙度高达42.2%，尾矿砂平均孔隙度为18.82%。采用多数学者认可的5 mm的固定粒径，将d＞5 mm的颗粒称为粗料，含量用P5表示，其余称为细料［11］。采矿废石渣中粗料形成骨架，细料充填孔隙，填充得越密实，废石渣的孔隙越小。孔隙的大小直接关系到废石渣的渗透特性和渗透稳定性。

图1 研究区不同泥石流物源颗粒级配对比

2.2 试验方法

采用直径10 cm、高30 cm的常水头渗透仪进行试验(图2)。采矿废石渣粗颗粒粒径大且松散，不易取原状样，因此采用12个采矿废石渣重塑样和10个尾矿砂重塑样进行试验。根据《土工试验规程》，试样颗粒粒径不得超过仪器口径的1/10［12］。对于超径料的处理采用“等量替代法”［11］，将粗粒土中超径料等重量地用允许最大粒径(dmax)至5 mm的粗料按含量加权平均代替，在有限的试验条件下最大限度地模拟原状样。

2.2.1 采矿废石渣的渗透系数

图2 常水头渗透仪

通过颗粒级配对比，采矿废石渣有着与常见泥石流物源不同的特点，包括粗粒含量大，P5=78.19%～91.38%，孔隙率较大，为42%，因此其渗透系数也不同于其他物源。

2.2.2 尾矿砂的渗透系数

尾矿砂颗粒级配狭窄，以中细沙—粉粒为主，孔隙率较小，为18.82%。试验结果见3。

2.2.3 残坡积土的渗透系数

采集研究区残坡积土进行渗透试验，与矿渣型泥石流物源的渗透系数进行对比，结果见表4。采矿废石渣渗透试验结果见表2。

3 试验结果分析

3.1 不同物源渗透系数对比

从渗透试验结果可以看出，采矿废石渣渗透系数较大，为0.094～0.127 cm/s，平均 0.107 cm/s;尾矿砂渗透系数比采矿废石渣小，为 4.9 ×10－4～1.37 ×10－3cm/s，平均 1.03 ×10－3cm/s;残坡积土渗透系数为 0.052～0.056 cm/s，平均 0.055 cm/s。采矿废石渣的渗透系数是陈宁生［7］研究结果值的493倍，是残坡积土的1.9倍、尾矿砂的104倍。需要说明的是，受试验设备的限制，试验采用的废石渣颗粒要比实际物源细得多，也就是说实际废石渣堆的渗透系数比试验数据还要大。

表2 采矿废石渣渗透试验数据

3.2 渗透性能与颗粒级配的关系

郭庆国［11］认为:当土体中粗料(砾石)含量＜30%时，粗料在土体中被细料所包裹，加上砾石本身又不透水，减小了渗透面积，延长了部分渗透路径，所以渗透系数不但不增大，反而会有所减少;当粗料含量超过30%之后，粗料颗粒开始有局部接触，渗透系数逐渐增大;当粗料含量超过70%之后，粗料已经完全形成了骨架，细料填不满孔隙，渗透系数显著增大。根据上述理论，由颗粒筛分试验知:5处采矿废石渣堆的P5平均值为84.5%，粗料已经完全形成土体骨架，细粒物质不能填满孔隙，造成土体内部孔隙度大、连通性好、渗透系数较大;而尾矿砂则全部由细粒物质组成，孔隙率较小、孔隙狭窄、连通性较差，因此其渗透系数远小于采矿废石渣。

表3 尾矿砂渗透试验数据

表4 残坡积土渗透试验数据

3.3 渗透性能与泥石流发育规律的关系

(1)矿渣型泥石流多为暴雨山洪泥石流。矿渣型泥石流物源的渗透性能比自然泥石流物源的渗透性能强很多倍，一般降雨条件下洪水很快透过矿渣堆中的粗大孔隙渗漏排出，很难汇集形成凶猛的洪峰或堵塞形成堰塞塘，因此除非遇到特大暴雨，研究区沟道内的渣堆才能在洪水冲击下起动进而形成泥石流。这也就是说矿渣型泥石流是暴雨或特大暴雨诱发型泥石流，从7月23日蒿岔峪泥石流形成当日潼关县3个乡镇降水量超过100 mm，最大降水量为204.8 mm，可以得到证明。

(2)矿渣型泥石流致灾严重。沟谷切割强烈，降雨强度大，加之沟道内矿渣堆数量庞大，拦挡支护措施明显不足，因此研究区具备矿渣型泥石流的发生条件。更为严重的是，矿渣型泥石流的发生通常需要大暴雨和较大的洪水流量，因此一旦发生泥石流往往会造成大型甚至特大型灾害，可能比泥石流高发区形成的小型泥石流造成的危害更大、损失更严重。

(3)加强矿渣型泥石流的预防和治理。由于矿渣型泥石流的形成通常需要特大暴雨诱发，在一般降雨条件下不易发生，因此容易造成假象，使人们对防灾减灾工作有所松懈。针对金矿区存在的矿渣型泥石流安全隐患，应该做到坚持治理、群测群防。对于研究区，预防矿渣型泥石流应针对不稳定渣堆修建重力挡墙，将渣堆与行洪通道隔离开来，阻断泥石流固体物质的来源;对于矿区沟道挤占严重、洪水排泄不畅的状况，采取清理河道卡口的废石堆、疏通河道及修建排导渠，使洪水排泄通畅;对于存在重大泥石流隐患的局部河段，通过修建谷坊、网格坝、缝隙坝、重力坝等工程，尽可能地减轻泥石流危害。

［1］徐友宁，曹琰波，张江华，等.基于人工模拟试验的小秦岭金矿区矿渣型泥石流起动研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(7):1388 －1395.

［2］徐友宁，何芳，陈华清.西北地区矿山泥石流分布及特征［J］.山地学报，2007，25(6):729 －736.

［3］李昭淑.陕西省泥石流灾害与防治［M］.西安:西安地图出版社，2002:112－117.

［4］李昭淑.陕西潼关金矿区’94人工泥石流灾害研究［J］.灾害学，1995，10(3):51 －56.

［5］邢永强.小秦岭地区泥石流发生趋势研究［J］.中国水土保持，2007(8):20－22.

［6］徐友宁，何芳，张江华，等.矿山泥石流特点及其防灾减灾对策［J］.山地学报，2010，28(4):463－469.

［7］陈宁生，张军.泥石流源区弱固结砾石土的渗透规律［J］.山地学报，2001，19(2):169 －171.

［8］崔鹏，柳素清，唐邦兴，等.风景区泥石流研究与防治［M］.北京:科学出版社，2005:25－54.

［9］杨敏，徐友宁，徐冬寅，等.灵宝金矿区地质环境问题现状及可持续发展对策［J］.黄金，2010，31(7):19 －22.

［10］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.北京:水利电力出版社，1994:107－111.

［11］郭庆国.粗粒土的工程特性及应用［M］.郑州:黄河水利出版社，1998:15－16.

［12］DL/5355—2006，土工试验规程［S］.