高村排土场泥石流形成的可能性分析及防治措施

2018-02-14陈红权陈宗援

现代矿业 2018年9期

李伟陈红权陈宗援

(马钢集团南山矿业公司)

高村排土场是马钢南山矿业公司下属高村铁矿的配套排土场，设计排土堆置标高185 m，排土场设计容积8 690万m3[1-2]。排土场东西长约1 350 m，南北宽约820 m，排土堆置标高90～180 m，有90，120，150，180 m 4个排土台阶，目前90～120 m台阶已经排弃结束。高村铁矿剥岩采用汽车+胶带运输、排土机堆排的半连续排岩工艺，为提高排岩效率，排土机采取高台阶(段高65 m)堆排，利用高村排土场一期占地范围北侧220 m宽的临时用地堆排185 m标高的平台，由西向东排土。高村排土场作为高村铁矿重要的排土场地，若产生大规模泥石流和滑坡等地质灾害，势必会危及到下游高村采场，更有可能危及到周边村庄，对周边安全环境和矿山的正常生产带来极大影响。本研究对高村排土场泥石流形成的可能性进行分析，并对相应的防治措施进行讨论。

1 排土场泥石流分类及其成因

按泥石流的基本动力作用，可将泥石流划分为重力成因泥石流、水动力成因泥石流和复合成因泥石流3类；按泥石流体的流动特性划分，可分为稀性泥石流和黏性泥石流。在无地表水系和地下水补给的情况下，一般矿山排土场的泥石流多属重力成因泥石流。在流域斜坡上积聚的大量松散固体物质，其物理机械组成相当于干燥的泥石流体，当该类松散固体物质吸收水分并达到一定含水量时，便转变为黏稠状流体，在重力作用下沿着斜坡流动，从而形成重力成因泥石流。固体物质参与泥石流的过程有2种不同形式：一种是大量积聚于坡度较大的斜坡上的松散固体物质充水后，直接转变为泥石流体，即为“堆积物渗水形成泥石流”；另一种是其他重力作用(滑坡、坍塌)下形成的泥石流，即为滑坡型泥石流。在黏土及细粒含量大的排土场，“堆积物渗水形成泥石流”较多。在颗粒较粗、透水性好的排土场，发生泥石流的可能性较小，但若周围有隔水层(如排弃的黏土等形成相对隔水层，易形成贮水层)，在有暴雨或振动的情况下，形成滑坡型泥石流的可能性较大。

1.1 排土场渗水形成泥石流

排土场泥石流的产生与所排弃岩土的物理、力学性质及组成关系密切。如朱家包包铁矿排土场的昔格达土和表土，昔格达土遇水强度急剧降低，且易软化崩解。不良岩性的散体含量越多，越易形成泥石流。另外，水的作用对泥石流的产生起决定作用。水对排土场散体的作用分为静水和动水作用，静水作用导致散体的内摩擦角及含水量降低、增加岩土颗粒间的润滑性及自身重量。

当排土场的松散物料细粒含量较多时，若粒径为5 mm的黏粒含量超过40%，排土场易失稳，若粒径小于0.05 mm的黏粒含量超过15%～20%，排土场散体在降水等外界因素的作用下失去稳定的过程，即为排土场泥石流、滑坡开始形成的过程。起初，降雨强度小于散体的稳定入渗值，散体未达到饱和状态而仍可处于稳定平衡状态，随着降雨强度达到或超过散体的稳定入渗值后，上部松散岩土饱和或过饱和，其力学性质大大降低而失去稳定，开始向下蠕动，由固态变为流态，并逐步演变为泥石流。该类泥石流主要发生于新排弃的、黏土含量高的排上场上部或边坡凸起部位，规模一般为中、小型。

1.2 滑坡型泥石流

滑坡型泥石流的形成条件有别于一般泥石流，其发生的首要条件是滑坡体位于斜坡上，即滑坡的剪出口并非边坡底部，而是边坡的中、上部，因而具有较大的位能，当斜坡坡度较陡时，在滑体前部有较大的滑坡空间或通道，在外部条件的作用下(如降雨、振动等)，使得滑体滑出后，其位能很快会转化为动能。连续降雨、地下水的动水压力和静水压力增大等都是形成滑坡型泥石流的重要条件。

形成滑坡型泥石流的必备条件为：①滑坡在空间经历一段落差后，获得足够的动能，并且在运动过程中形成类似黏滞流体的碎屑流；②排土场散体含有足够的泥化母岩； ③滑坡的同时有充足的大气降水或地表水补给。

滑坡型泥石流的行程过程可分为2个阶段：排土场初始破坏阶段(滑坡阶段)和流动阶段。在滑坡阶段，滑体的运动沿1个或几个独立的剪切面滑动，滑体经历了有限变形；在流动阶段，泥石流流体沿着无数个剪切面运动。排土场的滑坡绝大部分是由于暴雨的冲刷、汇聚和渗入引起排土场边坡内的孔隙压力上升，静水作用使得散体的抗剪强度降低，并增加了岩土颗粒之间的润滑性。排上场中上部滑坡不仅给泥石流的形成提供了丰富的固体物料，而且排土场自身坡度(达30°～38°)会促使滑体释放的势能绝大部分转化为动能。由于滑坡的高速运动，在功能消耗的基础上形成了类似黏滞流体的碎屑流。此时，若有足够的雨水渗入，且散体中存在一定的泥化母岩(如黏土等)，发生水解后与硬岩块及水相混合组成似液态的浆体，在滑坡动能作用下，加之沟床有较大的纵坡，会进一步促使滑坡向泥石流转化，从而形成泥石流。

1.3 水动力成因泥石流

滑坡、坍塌形成了大量的松散物料堵塞于汇水大的沟谷地带，经动水冲刷后形成的泥石流，即为水动力成因泥石流。该型泥石流与滑坡型泥石流的区别在于滑坡没有直接形成泥石流。排土场中这2类泥石流的行成都是由于地表水作用或汇水面积较大所致。大部分矿山排土场都不易形成水动力成因泥石流。在排土场中后期，原沟道基本被堵塞，较长的沟道内分布有许多巨砾，使得泥石流的形成机制更为复杂。

1.4 坡面冲刷形成含沙洪水

排土场坡面受雨水冲刷较易形成含沙洪水，如潘洛铁矿大格排土场、永平铜矿西北部排土场、海南铁矿1#～4#排土场和德兴铜矿排土场坡面都形成了较大的冲沟。排土场坡面冲刷与大气降雨强度、排土场边界条件、岩土体物理力学性质、颗粒大小级配等因素有关。

2 高村排土场泥石流形成的可能性

2.1 排土场渗水形成泥石流的可能性

在泥石流研究中，一般认为散体中细粒岩土(粒径小于5 mm)含量大于40%，黏粒(粒径小于0.05 mm)含量为15%～20%时，易形成渗水型泥石流，是由于黏粒粒径小，范德华力和黏附力作用明显，使得黏粒具有较大的亲水性，遇水会很快泡胀。即细颗黏土(特别是黏粒)具有较强的持水性，易达到饱和状态，在外力作用下，易产生渗水型泥石流。高村排土扬散体岩性较好，主要由辉长岩、花岗岩组成，从现场排土情况来看，散体中细粒(粒径小于5 mm)含量不大于40%，并且黏粒含量极少，渗透性较大，在排土扬上部不易形成饱和带，该类泥石流发生的可能性较小。但若采场集中剥离表土，并且进行集中排弃时(表土颗粒粒径较小，黏粒含量较高)，则该类型泥石流也有可能发生。

2.2 滑坡型泥石流形成的可能性

滑坡型泥石流形成的条件为排土扬上部存在1个较大的软弱层，靠近排土扬坡脚且下游地基坡度较陡，较大的大气降水和地表迳流补给。高村排土场由于表土总量较小，可以采取分散排弃措施，避免排土场内部形成软弱层；排土场上游山坡设置了截水坡构筑载截洪沟，切断地表迳流补给通道，减少了排土场雨水汇聚，排弃物中黏土含量较少，很难形成软弱层，因此发生滑坡型泥石流的可能性较小。

2.3 水动力成因泥石流形成的可能性

高村排土场无地表水源补给，径流主要由大气降雨和少量地下泉水补给，因而形成动力成因泥石流的主因水源不充足，故该矿排土场发生动力成因泥石流的可能性较小。

2.4 水动力成因泥石流形成的可能性

排土场坡面受雨水冲刷不可避免，由于高村排土场排土台阶高度较大，且排土粒度较细，遇暴雨极易在排土场坡面出现含沙洪水，一般来说，排土扬坡面泥沙流失量约占排土量的0.2%。

3 泥石流防治措施

(1)地表水和地下水。地下水和雨水对于排土场滑坡和泥石流的发生具有重要作用，因此需要采取一系列的工程措施进行地表水和地下水治理和疏排工作，防止排土场平台的汇水浸蚀和冲刷排土场边坡。可在平台上铺设黏土并经过排土车辆反复压实，杜绝地表水下渗入台阶内部，并将排土平台修成2%～3%的反坡，并保持排土场平台平整、不出现低洼积水，使平台汇水自然流向排土场坡根处，通过排水沟将水引出界外，可减少泥沙流失量，减轻坡面侵蚀。由于水动能力得以减小，导致其在坡面上的泥沙搬运能力大大降低，从而抑制了泥石流的发生。

(2)合理控制排土顺序。在进行矿山排土规划时，应分别将不同岩性的岩土(硬岩、软岩、大块和破碎岩石)排弃至排土场的不同位置[3]，同时将坚硬块岩堆置于底层以稳固基底，或将大块岩石堆置于最低一个台阶反压坡脚。根据剥离岩石的性质，应设计不同的排土顺序，尤其是剥离表土和风化岩石，需要合理堆排，实行岩、土(包括风化岩石)分排或岩、土混排，有利于提高排土场的稳定性。排弃表土和强风化岩石时，应控制排土场的推进速度，以免工作面一次推进距离过大，导致沉降变形大，对于生产设备的安全带来危害，也易产生滑坡。为此，应有备用排土线，轮换作业，留出一定时间使新排土线达到充分沉降与压实。针对剥离的不同岩性分别进行堆置，避免将表土和软弱岩石堆置于排土场下部和中间，将坚硬岩石尽可能排弃于底层，以利于底部排水和稳固基底及坡脚。

(3)加强排土场安全检查。应配备专门人员对排土场进行管理，加强排土场观测，一旦出现裂缝、大量沉降、局部边坡滑落等现象，应立即采取必要的措施防止滑坡、泥石流的产生，特别是雨季和雨后的1个半月内应加强观测。