鄰水縣田家灣集群煤礦礦山泥石流形成機制分析及特征值計算

張維科 吳鑫瀧

（1、四川省川建勘察設計院，四川 成都 610000；2、四川省交通廳交通勘察設計研究院，四川 成都 610000）

1 前言

鄰水縣田家灣集群煤礦地處華鎣山山脈中南段，鄰水縣四海鄉四海村境內，地理位置東經106°46′45″—106°46′59″、北緯 30°13′13″—30°13′38″。礦區北距鄰水縣約30km、距廣安市約60km。自田家灣集群煤礦開采以來，礦區及周邊礦碴堆積體堆積成片，國土資源遭到嚴重破壞，礦碴堆積體有形成泥石流的可能，將嚴重威脅下游人民的生命財產安全，制約當地經濟的發展。

田家灣集群煤礦屬于民營礦山，礦山建于九十年代，于2002年礦業秩序治理整頓時關閉。該礦山主要為當地農民私自開采修建的小煤窯。據現場調查訪問，整個礦山共有煤窯窯井多達十幾處。

田家灣集群煤礦共包括兩處開采區，兩處開采區分別位于兩條相鄰的沖溝內，兩條沖溝相距約500m。

2 自然環境概況

2.1 氣象與水文

礦區氣候屬于亞熱帶溫暖濕潤氣候。全年只分旱、雨兩季。一般每年6-10月為雨季，11月-翌年的5月為旱季。最大年降雨量為1709.9mm(1979年)，最低年降雨量為837.9mm(1966年)，日最大降雨量222.3mm，小時最大降雨量88.6mm，多年平均降雨量1150-1300mm，鄰水縣西部高登山至寶頂一帶（即田家灣集群煤礦所在區域）則可達1800mm，為華鎣山地區的降雨中心。降雨分配極不均勻，主要集中在夏季，其中約40%的雨量又以暴雨、陣雨的形式降下；秋季以綿雨的形式降下；冬季降雨量最少，僅占6%（見表2－1）。

年平均氣溫16.8℃，月平均氣溫最低為一月份3.5℃，最高為七月份28℃，日最低氣溫出現在一月份的高登山一帶，可在-6--3℃之間，日最高氣溫出現在七月和八月上旬可達43℃。

表2-1 鄰水縣年月降雨量表（1971-2000）(單位:mm)

華鎣山山脈隆起成為地面徑流的分水嶺，其東側溪溝及沖溝均匯入御臨河。區內地表溝谷發育，多為季節性溪溝，呈樹枝狀分布，暴雨季節，常引發山洪。

礦區位于華鎣山山脈中南段東側，地形起伏較大，區內多發育溪流、沖溝。礦區內主要發育有由西向東流向的兩條沖溝，溝內旱季一般無流水，雨季水量較大，一般流量可達2.0～5.0 m3/s，主要水源為降雨，溝水沿煤炭溝礦渣堆積區坡腳向下游匯入御臨河。

2.2 地形地貌

礦區區域地貌屬侵蝕構造中低山區，山脈走向總體平行于主構造線方向、呈線狀延伸。在區內強烈的構造作用和巖層差異風化的雙重作用下，形成槽谷和山脈平行的侵蝕構造中低山、單面山地貌。

礦區地處華鎣山脈的中南段、為中低山山地，由一組北東向的山嶺與谷地組成。礦區地勢西高東低，海拔高一般400～1200m。

礦碴堆積區周邊表層植被較好，主要為灌木林和草地，堆積區周邊植被覆蓋率達95%。

2.3 地層巖性

根據現場踏勘和區域地質資料，礦區內地層主要為：第四系人工堆填土層（Q4ml）、第四系殘坡積層（Q4el+dl）、二疊系上統吳家坪組（P2W）。

2.3.1 第四系人工堆填土層（Q4ml）

主要為礦山開采堆積的礦碴，分布于礦區溝谷內，為碎塊石土，結構松散-中密，干-稍濕，灰黑色，主要巖性成份為灰巖，碎石粒徑一般2～6cm，塊石塊徑一般20～30cm，個別塊徑大于40cm，碎塊石含量50～60%，煤屑、粉質粘土和角礫等充填。

該層堆積不均勻，堆積厚度一般5-15m、局部達20m以上，自然穩定坡度在32-35°。

2.3.2 第四系殘坡積層（Q4el+dl）

分布于礦碴堆積區周邊，主要為全風化的殘積土，黃色、黃褐色、灰白色等，以粉質粘土為主，含碎礫石，可塑，稍濕，碎礫石含量占10-30%，結構較松軟，層厚一般0.5-2m。

2.3.3 二疊系上統吳家坪組（P2W）

區內地層為二疊系上統吳家坪組，地層巖性以灰巖為主，層厚30—200m。巖層產狀為傾向 215～319°，傾角11～57°。

3 礦山基本特征

目前，鄰水縣田家灣集群煤礦均已關閉。整個礦區僅存在礦渣堆積體。鄰水縣田家灣集群煤礦為地下開采，生產規模為約15萬噸/年，根據《礦山地質環境保護與恢復治理方案編制規范》DZ/T223—2009附表D確定田家灣集群煤礦屬小型礦山。

田家灣集群煤礦包括兩處堆積區，即堆積一區和堆積二區，總堆積方量約22.6×104m3。

3.1 堆積一區基本特征

礦渣堆積一區內沖溝，為季節性溝，流域面積約1.1km2，主溝長約 1.65km，縱坡降約263‰，兩岸斜坡植被發育較好，未發現崩塌、滑坡等不良地質現象發育。

堆積一區礦渣堆積體長度約488m，寬度約40～60m，總方量約12.6×104m3。該堆積體堆積坡度較陡，一般在30-40°。堆積體主要為碎塊石土，性質不均勻，其碎塊石含量55%以上，粒徑一般3～10cm，最大者可達40cm，主要成分為灰巖、砂巖塊體及煤渣碎屑。

堆積體呈松散～稍密，堆積體整體呈穩定狀體，但部分堆積體由于堆積體前緣受溝水沖刷，呈欠穩定狀態。堆積體表面植被不發育，整個堆積體表面呈裸露狀，僅有零星雜草，堆積體表面雨水沖刷嚴重。經統計，泥石流動儲量約6×104m3。

3.2 堆積二區泥石流基本情況

礦渣堆積二區內沖溝，為季節性溝，流域面積約0.85km2，主溝長約1.25km，縱坡約240‰，兩岸斜坡植被發育較好，未發現有崩塌、滑坡等不良地質現象發育。

堆積二區礦渣堆積體長度約180m，寬度約50～80m，總方量約10×104m3。該堆積體堆積坡度較陡，一般在30-40°。堆積體主要為碎塊石土，性質不均勻，其碎塊石含量55%以上，粒徑一般3～10cm，最大者可達40cm，主要成分為灰巖、砂巖塊體及煤渣碎屑。

堆積體呈松散～稍密，堆積體整體呈穩定狀體。堆積體表面植被不發育，整個堆積體表面呈裸露狀，僅有零星雜草，堆積體表面雨水沖刷嚴重。經統計，泥石流動儲量約5×104m3。

4 礦山泥石流發育條件分析

根據調查分析，礦山泥石流的成因主要有：

4.1 地形條件

鄰水縣地處華鎣山脈中段，地勢西高東低，高差懸殊，起伏較大。地貌上大致以襄渝鐵路為界，東部為中低山地貌區，該地貌區山峰重疊，溝壑縱橫，谷底狹窄，山高坡陡，危崖聳峙，形成壟脊狀山脈。田家灣集群煤礦區沖溝匯水面積較大，分別為1.1km2及0.85km2，縱坡上陡下緩，平均縱坡降約240～263‰。兩岸斜坡坡度較陡，多大于45°，為泥石流水源匯集及流通提供了較好的地形條件。

4.2 物源條件

泥石流物源主要是田家灣集群煤礦礦渣。堆積體結構較松散，表面坡度較大，局部坡度達70°以上，在坡腳遭沖蝕局部有垮塌現象，經統計該部分物源約有12.6×104m3，其中可能參與泥石流活動的動儲量約11×104m3，溝域內松散物源豐富，為泥石流的形成提供了豐富的物源條件。

4.3 水源條件

該區多年平均降雨量為1150-1300mm，最大年降雨量1709.9mm，日最大降雨量222.3mm，小時最大降雨量88.6mm。據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》所附暴雨量等值線圖田家灣集群煤礦所在地區的1/6h、1h、24h多年最大暴雨量平均值分別為17.3mm、40mm、103mm。四川山區泥石流激發雨量一般為一次雨量 48～50mm左右或 10min雨量 8～12.2mm，勘查區完全具備引發泥石流災害的降雨條件。

表4-1 勘查區不同頻率下雨強值計算

綜上所述，溝域內的固體物源條件、水源條件和地形條件，都有利于泥石流的發生和活動。當雨強大于等于泥石流的激發雨強時，可能暴發泥石流，暴雨是引發泥石流的主要因素。

5 泥石流特征值的確定及計算

（1）泥石流流體重度。泥石流重度的確定采用查表法獲取，按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T0220--2006）附錄H填寫泥石流調查表并按附錄G進行易發程度評分，評分結果為86分，再根據表G.2數量化評分（N）與重度、（1+φ）關系對照，可得出泥石流重度為1.593t/m3（如表 5-1）。

表5-1 評分（N）與重度、（1+φ）關系對照表

（2）泥石流流量。泥石流流通區內沒有支溝發育，泥石流流量的計算分別選擇堆積一區堆積二區溝口2個典型斷面進行流量的計算。

泥石流峰值流量采用雨洪法計算。按照泥石流與暴雨同頻率、且同步發生、計算斷面的暴雨洪水設計流量全部轉變成泥石流流量的前提下，首先按水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量，然后選用堵塞系數，采用四川省中小流域推理公式進行泥石流流量Qc計算。

1、頻率為P的暴雨洪水流量計算（QP）

洪水流量Qp：

取暴雨時的最大洪峰流量，按推理公式：

式中，SP--某頻率的雨力，mm/h。其計算式為：

出山口處一帶暴雨洪水流量計算結果見表5-2。

表5-2 暴雨洪水流量計算結果表

2、頻率為P的泥石流峰值流量計算公式：

Qc=（1＋φ）·Qp·Dc

式中：Qc—頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；Qp—頻率為P的暴雨洪峰值流量（m3/s）；φ—泥石流泥砂修正系數，φ=（γc－γw）/(γH－γc)；Dc—泥石流堵塞系數值。

采用雨洪法求的各斷面處泥石流峰值流量值，計算結果見表5-3。

表5-3 泥石流峰值流量計算表

(3)一次泥石流過流總量。一次泥石流過流總量按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/T0220－2006）附錄I.6提供的計算公式進行計算：Q=KTQC

式中Q—一次泥石流過程總量（m3）；T—泥石流歷時（s）；QC—泥石流最大流量（m3/s）；

根據泥石流峰值流量計算結果，同時，結合泥石流溝道特征綜合分析，泥石流的歷時約30分鐘1800s，按上式計算計算結果見表5-4。

5-4 一次泥石流過流量計算表

(4)一次泥石流固體沖出物。一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/T0220－2006）附錄I.7提供的計算公式進行計算：

式中QH— 一次泥石流沖出固體物質總量（m3）；Q—一次泥石流過程總量（m3）；rc—泥石流重度（t/m3）；rw—水的重度（t/m3）；rH—泥石流固體物質的重度（t/m3）。按上述公式對出口處一次泥石流沖出固體物質總量進行計算，計算結果見表5-5。

表5-5 一次泥石流沖出固體物質總量計算表剖面

（5）泥石流整體沖壓力。泥石流整體沖壓力按《泥石流災害防治工程設計規范》（DZ/T0239－2004）3.1－8式計算：

式中P—泥石流沖壓力（KN）；λ—建筑物形狀系數，圓形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47；rc—泥石流重度（KN/m3）；VC—泥石流平均流速（m/s）；α—建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）。

計算過程主要選擇擬建攔渣壩部位15-15’（堆積一區）、4-4’（堆積二區）斷面進行計算。建筑物形狀系數按矩形建筑取λ=1.33，壩位泥石流整體沖壓力計算參數及計算結果詳見表 5－6。

（6）泥石流爬高和最大沖起高度。泥石流遇反坡，由于慣性作用，將沿直線前進的現象稱為爬高；泥石流遇阻，其動能瞬間轉化為勢能，撞擊處使泥漿及包裹的石塊飛濺起來，稱為泥石流的沖起。泥石流爬高和最大沖起高度按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/T0220－2006）附錄I提供的計算公式進行計算：

式中ΔH—泥石流最大沖起高度（m）；ΔHC—泥石流爬高（m）；VC—泥石流平均流速（m/s）；b—泥石流迎面坡度的函數。

表5－6 泥石流整體沖壓力計算表

此處仍選擇擬建攔渣壩部位15-15’（堆積一區）、4-4’（堆積二區）斷面進行計算，計算結果詳見表5－7。

表5－7 泥石流爬高和沖起高度計算表

（7）泥石流彎道超高。泥石流彎道超高指泥石流在溝槽轉彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側流速較慢，流體變薄而產生超高的現象，當凹岸為陡壁時將對凹岸產生強大的侵蝕作用。泥石流彎道超高按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/T0220－2006）附錄I.27計算公式進行計算：

式中Δh—泥石流彎道超高（m）；VC—泥石流平均流速（m/s）；R—主流中心曲率半徑（m）；g—重力加速度（m/s）；B—泥面寬度（m）。選擇擬建攔渣壩工程部位（堆積一區15-15’剖面，堆積二區4-4’）計算泥石流彎道超高，其彎道超高計算結果為：堆積一區0.91m；堆積二區0.97m。工程設計時應盡充分考慮泥石流彎道超高。

6 泥石流危害性評價

泥石流主要危害對象為堆積一區兩側10余戶村民住房和40余畝耕地分布，以及其溝谷下游山腳兩個自然村60余戶居民和300余畝耕地等，礦區中部有公路通過，該公路為通往下游居民區的重要通道，也受到泥石流的威脅。堆積二區泥石流主要威脅周邊和下游分布的50余戶村民和200余畝耕地。

結論

1、鄰水縣田家灣集群煤礦礦山開采過程中產生大量的礦渣，總體積約22.6×104m3，礦渣堆積于兩條沖溝內，為泥石流的形成提供了豐富的物源條件。

2、田家灣集群煤礦礦渣堆積于兩條沖溝內，沖溝匯水面積大，分別為1.1km2及0.85km2，沖溝縱坡上陡下緩，平均縱坡降約240～263‰。兩岸斜坡坡度較陡，多大于45°，為泥石流水源匯集及流通提供了較好的地形條件。

3、鄰水降雨豐富雨量大，在暴雨誘發下礦區容易形成泥石流。

4、根據現場調查及相關資料對泥石流的主要特征進行了計算。

5、泥石流對附近居民具有較大的危害。

[1]徐友寧，何芳，陳華清.西北地區礦山泥石流及分布特征.《山地學報》ISTIC PKU-2007年6期.