豫西某金矿泥石流发育特征研究

刘星宇，刘向东，孙建伟，冯宇婷

(中国地质调查局西安矿产资源调查中心，西安 710100)

0 引言

豫西某金矿位于河南省栾川县白土乡，地处秦岭山脉东段，熊耳山西南部，伏牛山西段北部，属豫西成矿带，已探明有金矿、铅锌矿和铁矿等矿种，其中金矿为主要矿种。豫西某金矿矿业活动从1979年建矿山以来，开采了三十余年,矿业活动导致矿渣型泥石流问题极其突出[1-7]。豫西某金矿区主要以豫西某河为主沟，向西呈羽状发育多条支沟，但是有矿渣或尾矿库的只有7条，分别为后木寺、大南沟、小北沟、韭菜沟、磨石沟、星星阴和杏树崖。

1 区域地质概况及构造发育

1.1 区域地质概况

豫西某金矿床位于华北陆块南缘华熊台隆熊耳山隆断区，花山—龙脖背斜南翼近东西向马超营区域性断裂带与北东向上宫—星星印断裂带的交汇部位。断裂构造主要发育4组，以近东西向和北东向为主，其次为近南北向和北西向。区矿体赋存于新太古界太华群片麻岩和中元古界熊耳群火山岩中，主要出露岩性有第四系覆盖物、流纹斑岩、安山岩以及片麻岩。工程地质和水文地质条件属简单型，主要以整体块状坚硬岩体，地下水类型为浅层松散孔隙水和基岩裂隙水，补给主要为大气降水。

1.2 构造发育背景

马超营断裂在漫长的地史演化过程中经历了多期次挤压、伸展、重力滑脱、逆冲推覆等变形变质作用及复杂的岩浆活动和成矿作用，共计6期次的地质作用和7次构造事件。分别为D1嵩阳变形旋回(南北向挤压)、D2熊耳—栾川变形旋回(南北向伸展)、D3加里东变形旋回(南北向挤压)、D4海西—印支变形旋回(南北伸展、重力滑脱)、D5燕山变形旋回(逆冲推覆构造)、D6随后局部松弛拉张作用、D7喜山期构造运动(水平挤压)[8]。

2 豫西某金矿区泥石流发育的条件特征

2.1 地形条件

因马超营断裂6期次的构造活动(嵩阳发展—中远古形成—后期改造)，在强烈而复杂的构造活动过程中形成了有利于沟谷型泥石流的地形条件，豫西某金矿西高东低，相对高差670 m，沟谷总长度8 km，物源区平均纵坡降170‰，最大纵坡降377‰，两头(形成区和堆积区)呈“喇叭状”，中间(流通区)狭窄，形成了有利于沟谷型泥石流形成的“哑铃状”特殊地形。

2.2 物源条件

2.2.1 物源来源

豫西某金矿矿区工程地质条件简单，主要为完整、较完整坚硬致密岩体，岩性为安山岩和片麻岩类，为隐晶质结构，不易风化。如图1所示，有安山岩工程地质岩组、片麻岩工程地质岩组、矿化蚀变岩工程地质岩组、碎裂岩工程地质岩组等四类，六种岩土体组合模式。

图1 豫西某金矿地层岩性剖面图

岩层层面、破碎带软弱结构面以及断裂形成的贯通的硬性结构面倾向均与坡面反向，所以不会发生大规模的滑坡不良地质现象。由于出露的坚硬岩体节理面长时间暴露在空气以及雨水冲蚀、冻融等条件下，节理面的胶结物软化或丧失胶结作用，出现落石掉块或局部崩塌等不良地质现象，所以在现场调查过程中发现山坡的风化层较薄，查阅资料发现山顶几乎可见基岩，自然物源较少。

由于豫西某金矿区矿业活动长时间无序且粗放式开采，造成了大量的废石渣堆沿坡面或沟道随意堆弃，通过选矿活动形成的3处较大的尾矿库和1处排土场。这些物源自身稳定性差，有的渣堆堵塞行洪通道，据现场测量统计共有渣堆16处，总计方量12.05×104m3，见表1、表2；有尾矿库4处，矿浆共计方量4.30×106m3，矿渣占比2.73%，尾矿库矿浆占比97.27%。

表1 后木寺渣堆属性统计表

表2 大南沟渣堆属性统计表

2.2.2 矿渣的级配及渗透性

从物源区选取13处渣堆，分别取样的做粒径级配曲线，如图2所示。由试验曲线可知，土的不均匀系数Cu均大于5，属于级配不良土体，渗透系数大，利于水流通过，所以在强降雨条件下破坏形式以溶移、悬移、跃移及推移为主[9]。尾矿库的渗透系数小，渗透作用强，在强降雨条件下，渗透力作用下容易发生失稳，主要以渗透破坏为主。

图2 渣堆粒径级配图

2.3 水源条件

豫西某金矿区地处洛阳市栾川县，属于暖温带大陆性季风气候，降雨多集中在7～9月份，年均降水量872.6 mm，年降水量最高1386.6 mm，最低403.3 mm，月最高降水量179.2 mm。充沛的降雨为泥石流提供了水动力条件。

3 泥石流发育情况分析

3.1 泥石流各项参数分析

根据相关文献[10,11]，泥石流容重的计算公式为

γc=tanJ+k0×kr×k1×A0.11

(1)

式中：k0为补给系数；γc为泥石流容重；kr为岩性系数；k1为稀释系数；J为物源区平均坡度，对于豫西某金矿取15.5°；A为物源区储备方量与汇水面积比，豫西某金矿泥石流隐患沟物源区汇水面积7.94 km2，渣堆方量4.30×106m3。

根据研究区地质条件及有关资料，查表知，k0=1.0，k1=1.0，kr=0.9，则可计算出本区泥石流的可能容重γc=1.67 kN·m-3。

豫西某金矿的主要诱发条件为短时强降雨，由降雨引发洪峰流量可按下式计算：

(2)

(3)

查表知，K3=0.63，α1=0.15，I=0.083，得τ=1.03。

μ=K1(Sp)β1

(4)

查表知，K1=1，β1=1。公式(2)中：Q为洪峰流量；Sp为雨力，取值49 mm/h；n为暴雨递减指数，取值1；μ为损失参数，取值15.85 mm/h；τ为汇流时间；α1为汇流参数；I为主河道平均比降；L为主河道长度，取值8.02 km；F为汇流面积，取值21.18 km2。经计算可得Q=186.79 m3/s。

根据工程地质手册[12]中提供的方法计算泥洪峰流量石流的最大流量

(5)

式中：γs=2.72 kN·m-3，Qc为泥石流流量，计算得Qc=306.99 m3/s。

3.2 泥石流的发育阶段分析

根据《泥石流灾害防治工程勘察规范》(DZ/T0220-2006)判别泥石流发展阶段可知，豫西某金矿泥石流处于发展期。

3.3 泥石流易发性分析

根据《中国地质调查局地质调查技术标准》，对后木寺等支沟进行评价，其易发程度如表4所示。

表4 泥石流易发程度评价表

3.4 泥石流的险情分析

根据实地调查可知，豫西某金矿泥石流隐患沟影响金兴矿部3个选矿厂、豫西某学校以及当地常住居民和民房。根据中华人民共和国地质矿产行业标准《地质灾害危险性评估规范》DZ/T 0286-2015判定该地区险情级别为大型。

4 结论

(1)因马超营断裂6期次的构造活动(嵩阳发展—中远古形成—后期改造)，在强烈而复杂的构造活动过程中形成了有利于沟谷型泥石流的地形条件。

(2)晶粒细小、坚硬致密的火山熔岩不易风化，岩层倾向和坡面反向，不易造成滑坡等不良地质现象，因此自然物源较少，难以形成自然泥石流。

(3)矿渣松散、固结差、尾矿库坝体脆弱，极易在暴雨、短时强降雨下失稳汇入沟谷汇聚形成泥石流物源，是豫西某金矿泥石流形成的主要物源。

(4)豫西某金矿泥石流隐患沟是矿业活动引起的矿渣型泥石流隐患，其发育阶段为发展期，易发程度为中易发，险情级别为大型。