小秦岭金矿区矿渣泥石流的可预测性分析

张文轩，杨国华

(1. 华北水利水电大学，河南 郑州 450000； 2. 郑州工业贸易学校，河南 郑州 450000)



小秦岭金矿区矿渣泥石流的可预测性分析

张文轩1，杨国华2

(1. 华北水利水电大学，河南 郑州 450000； 2. 郑州工业贸易学校，河南 郑州 450000)

主要通过对区内基本概况的调查，结合矿渣泥石流的特点、矿区地层特征以及颗粒级配特征，分析其稳定性。研究表明：渣堆的高透水性与不稳定性是矿渣泥石流起动的关键因素。为以后对矿渣泥石流的监测与预测提供一些基本的理论依据。

矿渣泥石流；地层；颗粒级配；渣堆稳定性

0 前 言

矿渣泥石流是指在山区矿产资源开发利用的过程中，由于大规模集中开采矿产资源，加之采矿废石弃渣无规划不合理的排放、堆放，为泥石流的形成提供了大量的松散固体物质，使地面坡度变大，引发人为泥石流[1]。

矿产开采一直是河南省灵宝市的主导产业，为地方经济的发展发挥了重要作用，但由于大规模的矿产开采使山(岩)体受到破坏。采矿形成的废渣在沟谷内的无序堆放，是成为泥石流灾害形成的主要物源。至2001年[2]，累计堆积矿渣1 444.1万t，尾矿1 851.4万t。废渣堆多以顺沟、顺坡等堆积方式为主，严重堵塞了沟道，影响行洪，矿渣泥石流隐患严重。

1 矿渣泥石流的特点

渣坡堆积方式以顺沟、顺坡、沿沟等堆积方式为主，其中顺沟堆积、沿沟堆积、顺坡堆积于坡脚的渣堆均不同程度的挤占沟道(河道)。多数渣堆没有采取拦挡固定措施,为泥石流灾害的发生提供了丰富的物源，在强降雨作用下极易发生矿渣泥石流灾害。小秦岭金矿区在矿产资源开发过程中，产生了大量的废矿渣。开采所产生废渣与自然界各种内外地质应力产生的固体物质在结构、粒度及松散程度等方面都有较大的不同；且矿渣的堆积速度比沟谷自然风化松散物质快很多，在相同的降雨条件下，其爆发泥石流的几率、规模、频率都要大得多。

第四系地层主要有残坡积层、冲洪积层、人工堆积等，结构松散，广泛分布在勘查区山坡上沟道内。其中残坡积厚度较薄，一般约1～2 m，冲洪积层约2～28 m，人工堆积层第四系地层主要有残坡积层、冲洪积层、人工堆积等，结构松散。广泛分布在勘查区山坡上沟道内，其中残坡积厚度较薄，一般约1～2 m，冲洪积层约2～28 m，人工堆积层约3～50 m。

1) 第四系残坡积层主要分布于矿区山体斜坡地带，成分为灰色片麻岩、片麻状石英闪长岩、片麻状角闪花岗岩、黑云斜长片麻岩、黑云二长花岗岩、花岗岩等风化形成的碎石土，充填粘性土、粉土等。

2) 第四系冲洪积层分布于各主支沟沟道地段，根据不同的形成原因可分为原始冲洪积层和上层矿渣型冲洪积层。

原始冲洪积层主要位于峪道上游沟道地层及王家峪下游补充勘察区沟道内。峪道上游冲洪积层为卵砾石土，层厚一般小于1 m，由山体残坡积遭河水不断冲蚀而自然形成。该层卵石含量50%～80%，粒径一般10～30 cm。成分以灰色片麻岩、片麻状石英闪长岩、片麻状角闪花岗岩、黑云斜长片麻岩为主。呈次圆状，部分为次棱角状，充填以中粗砂为主。

上层矿渣型冲洪积层广泛分布于峪道上游主支沟沟道上层，成分以矿渣为主，层厚1～27 m，由多年来矿区堆积的矿渣不断遭雨水冲蚀进入沟道淤积而形成。岩性主要以灰色片麻岩、片麻状石英闪长岩、片麻状石英闪长岩、片麻状角闪花岗岩、黑云斜长片麻岩、黑云二长花岗岩、花岗岩为主，结构混乱。该层以块石、碎石为主。大部分棱角分明，少部分出现不同程度的磨圆，呈次棱角状。充填物为细颗粒矿渣及少量中粗砂。

3) 第四系崩积层分布于各崩塌堆积体地段，为崩塌堆积体堆积于山脚形成。

4) 第四系人工堆积层广泛存在于沟谷、山坡中，为采矿造成的废渣堆积形成，岩性灰色片麻岩、片麻状角闪花岗岩、黑云斜长片麻岩、黑云二长花岗岩、花岗岩为主，结构混乱，厚度3～50 m。矿渣堆以块石、碎石为主，含量65%～80%，粒度一般10～70 cm；填充物以粒度0.5～5 cm的碎矿渣为主，含量约20%～35%。

其中第四系人工堆积层即为矿渣泥石流的主要物质补给。大量人为堆积的矿渣加速了泥石流的物源补给过程，使沟谷在数年内堆积了在自然状态下需要成百上千年才能集聚的松散碎屑。

2 矿渣的颗粒级配特征

对勘查区内渣堆、沟道中，第四系人工堆积、冲洪积碎石土的固体堆积物进行重度以及颗分试验后总结得出以下结论。

人工堆积碎石土：杂色，主要由块石、碎石组成，碎块石含量75%以上。堆积体结构松散，呈棱角状，局部有架空现象。其重度范围值为19.50～20.32 kN/m3,平均值为19.86 kN/m3；含水率3.48%～4.27%，平均值为3.89%。

冲洪积碎石土：杂色，主要由块石、碎石、卵石组成，碎块石含量65%以上。冲洪积碎石土结构比较松散，呈棱角状、次元状。其重度范围值为20.21～22.56 kN/m3，平均值为21.99 kN/m3；含水率5.16%～6.08%，平均值为5.71%。颗粒大小分析结果见表1。

表1 颗粒大小分析结果

显然根据上述实验的结果，小秦岭金矿区矿渣泥石流的物源中大于2 mm的颗粒所占比例高达90%以上。我们普遍将粒径大于2 mm的颗粒所占的物源百分比含量大于80%，且主体以砾石、卵石和漂砾为主的泥石流界定为水石流，与泥流以及狭义上的泥石流相区分。小秦岭地区的矿渣泥石流明显为水石流。

3 渣堆稳定性

典型的的泥石流[2]流域一般划分为形成区、流通区和堆积区3个区段。而区内的矿渣泥石流形成区与流通区难以明确区分。区内的整个沟道中大多都堆满了矿渣，一旦上游出现泥石流或大量挟沙水流，与大量顺坡堆积的渣堆相遇，极易造成渣堆失稳从而形成更大规模的泥石流。如2010年的嵩岔峪泥石流[3]，在泥石流沟的运动中，累积为泥石流堆积扇提供了81.6%的物源。因此在泥石流的形成与流通过程中，采矿渣堆稳定性以及启动条件显得尤为重要。

3.1 渣堆天然状态下的稳定性

3.2 降雨入渗及其启动分析

区内的泥石流类型为典型的水石流。根据颗粒大小分析结果，渣堆应为巨粒混合土。其粒径小于2 mm的颗粒不足总量的10%，且矿渣堆中粘粒物质极少。而一般把粒径大于2 mm的颗粒成为石砾组，是泥石流体骨架结构的主体。渣堆中大量的粗颗粒形成了骨架结构，由于缺乏细颗粒、粘粒物质，渣堆中骨架孔隙较大，渣堆中通道连通性好，透水性能极强。从这一点来看静止状态的渣堆虽然不稳定，但由于其渗透性好，透水能力佳，一般强降雨情况不能完全使其启动。

在物源补给、地形因素和水源补给这3个泥石流形成的主要条件中，水是泥石流形成的重要组成部分，也是泥石流起动激发的最为决定性的因素。区内的泥石流类型为典型的水石流，刘兴昌[4]在研究秦岭山地水石流提出了一种简单的理想化的水石流单个块体起动力学分析，当水流漫过块体，并以流速V下泄时的块体。

把作用于块体上推力综合效应用F表示，则

其中，λ为块体粗糙度及形状系数，砾石λ取1.0，棱形λ取1.46，球形λ取0.79；γ为水比重；d为块体平均直径。

块体对水流抵抗力为R，则

式中，γ′为块体比重，μ为摩擦系数。

如果R

当然真实情况下的矿渣的起动要复杂的多，渣堆作为一个整体难以用简单的力学关系及公式来推导解决。但是公式中可以看出，颗粒粒径越大，起动时所需的水的流速就越大。

由于水石流属于稀性泥石流，其运动特性相对来说近似于推移质运动为主的挟沙水流[5]，用“推移质运动——层移运动[6]”的理论来分析水石流的起动形成机理。在堆积物厚度一定的情况下，随着沟谷坡度的增大，其转化为层移运动的所需的清水水深变小。

综上所述，对于矿区内的矿渣泥石流，在同一条矿渣泥石流沟内，流域内的坡降、物源条件在一定时间内，可以认为是相对稳定的，而只有降雨才会在时间上发生变化。与渣堆良好的透水性相联系，能得出只有在极端降雨天气情况下渣堆才可能会起动。所以在实际监测和预测时，我们不仅可以采取以往短时雨强等检测手段，也可以对沟谷内的一些流速较快的较为狭窄的过水断面进行流速监测。如在矿区的一个确定的泥石流沟谷内，确定其转化为“推移质运动—层移运动”时所需的临界流速、水深，尤其确定在沟谷、沟道内渣堆堆积严重的类似“卡口”的易堵塞，溃决位置在极端降雨时的流速、流量。

4 结 论

1) 小秦岭金矿区矿渣泥石流作为典型的人为泥石流，在物源特征、起动特征与自然泥石流有着明显的区别，虽然大量的废渣、渣堆在天然状态下处于不稳定与欠稳定的的临界状态，但其良好的透水性导致其并不像自然泥石流的物源那么容易起动。因而渣堆所分布的位置是不是位于“易堵塞”、“卡口”部位显得尤为重要。

2) 在预测矿渣泥石流的发生时，不仅要考虑沟谷内的短时雨强，还要分析强降雨对渣堆的起动作用。在矿渣物源、坡度一定时，流速以及清水水深对渣堆的起动起着决定性的作用。

[1] 姚得基(译). 泥石流[M]. 北京: 科学出版社, 1986.

[2] 王现国, 翟小洁,张平辉， 等. 小秦岭矿区地质灾害发育特征与易发性分区[J]. 地下水, 2010(4): 162-164.

[3] 徐友宁, 陈华清, 张江华, 等. 小秦岭金矿区7·23蒿岔峪泥石流成灾模式及启示[J]. 地质通报, 2015(11):2001-2008.

[4] 刘兴昌. 秦岭山地水石流特性及其起动力学分析[J]. 水土保持通报, 1997(4): 21-25.

[5] 孟河清. 水石型泥石流河工模型试验方法[J]. 泥沙研究, 1989(4): 67-75.

[6] 陈晓辉, 孙红月, 梅成, 等. 水石流起动的流量控制研究[J]. 山地学报, 2016(2):194-199.

Predictability of Slag Debris Flow in Gold Deposit

ZHANG Wenxuan1, YANG Guohua2

(1.NorthChinaUniversityOfWaterResourcesAndElectricPower,Zhengzhou,Henan450000,China; 2.ZhengzhouTradeAndIndustrySchools,Zhengzhou,Henan450000,China)

The slag debris flow is a typical representative of the debris flow, as is obviously different from the natural debris flow. Slag debris flow disaster in our country , connected with the developments of the exploitation ,makes it become one of the most dangerous geological disasters.This paper is aimed at the analysis of its stability through the investigations of the basic situation in the area, combining with the characteristics of the slag debris flow. The layer characteristics and particle size is in distribution. It shows that the high water permeability and instability are the key factors of the start in slag debris flow to provide some basic theoretical basis for the monitoring and prediction of debris flow in future.

Slag debris flow; Layer characteristics; Particle size distribution; Stability

2016-10-31

张文轩(1992-)，男，河南巩义人，在读硕士研究生，研究方向：工程地质，手机：13837182899，E-mail：396749405@qq.com.

P642.23

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.035