采矿引起的将军崖岩画区倾倒变形机理及治理措施分析

宋京雷，郝社锋，岳 翎，李后尧

(1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018；2.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098)

采矿引起的将军崖岩画区倾倒变形机理及治理措施分析

宋京雷1，郝社锋1，岳 翎2，李后尧1

(1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018；2.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098)

针对连云港市锦屏山磷矿采空区引起的将军崖岩画区岩体开裂问题，通过现场调查，采用理论分析和数值模拟方法，分析了采空区周边岩体倾倒变形的发展历史及成因；利用UDEC软件模拟了采矿开挖过程对周边围岩变形的影响，结果表明：倾倒变形体的破坏模式为弯曲-倾倒-拉裂变形破坏，产生裂缝的上盘边界角为55°，岩画区总体水平位移0.3～0.4 m，竖向位移0.5～1.0 m，最大开裂宽度约5 cm，深度约10 m，模拟得到的结果与实际调查的结果基本一致。此外，采用数值模拟的手段预测采空塌陷区在地震等外力作用下将产生进一步沉降，可能引发岩画继续开裂。为控制岩画区的开裂，采用预应力锚索和灌浆的方法对岩画区变形岩体进行加固设计，并取得了良好效果。

采矿工程；倾倒；变形机理；数值模拟；治理措施

0 引言

将军崖岩画位于江苏省连云港市锦屏山南麓的桃花涧景区内(图1)，是中国迄今发现的最古老的岩画，也是唯一反映农业部落原始崇拜内容的岩画(图2)，距今约10 000年，对人类学、历史学、艺术和科学史的研究具有极其珍贵的价值，是全国重点文物保护单位。受锦屏磷矿采空塌陷引起的倾倒破坏影响，将军崖岩画遗址岩体出现多处裂缝，地面开裂已严重威胁到岩画的长期保存。

图1 将军崖岩画周边采空区分布图Fig.1 Distribution of mine goaf around rock painting area in Jiangjun cliff

图2 将军崖岩画照片Fig.2 Photograph of rock painting area in Jiangjun cliff

倾倒变形是边坡变形破坏的一种类型，形成的原因和过程复杂。倾倒变形持续的时间越长，影响的范围就越大，形成的危害就越严重，不仅影响到采矿工程的生产安全，而且威胁周边人员生命财产安全和建筑设施安全。Goodman[1]、Hock[2]、韩贝传[3]、申力[4]、郭春颖[5]等已经对倾倒变形问题作了充分研究。对于反倾岩质边坡的变形特征，程东幸[6]利用3DECD对龙滩水电站工程边坡三维变形进行了模拟，韩贝传[3]利用有限元方法对边坡倾倒变形的形成机制和影响因素进行了探讨。针对锦屏磷矿开采引起的将军崖岩画区遗址岩体变形破坏问题，潘别桐[7]曾经基于Brown-Fergnson模型，用极限平衡分析陡倾矿体开采时上盘岩体渐进性破坏机理，并预测了不同开采深度对应的裂缝开裂深度。

本文通过分析监测资料、基于离散元数值模拟计算，分析讨论了岩画区开裂变形形成的机理，并提出了加固处理措施。

1 岩画区地质背景

锦屏磷矿位于连云港市锦屏山地区，所处构造部位为一倒转背斜。锦屏山山体浑圆，最大海拔+427.0 m，山坡坡度10°～25°，晚太古代-元古代变质岩出露良好。锦屏磷矿矿区地层主要为胶东群朐山组、海州群锦屏组。磷矿体赋存于锦屏组中，为沉积变质型磷矿。其中西山矿体赋存在锦屏倒转背斜的倒转翼，长约2 070 m，向下往南东方向侧伏，侧伏角35°～60°。矿体走向305°～330°，倾向北东，倾角50°～75°，矿体延深大约670 m。

岩画区岩体为锦屏磷矿西山磷矿层的顶板(图3)。矿体和围岩均呈急倾斜，走向320°，倾向NEE，倾角70°～85°，矿体水平厚度5～8 m，有分支复合现象。顶板岩体为下元古界胶南群朐山组混合花岗岩。断层不发育，主要存在两组节理构造，一组走向NNW，倾NE，倾角65°～75°和另一组走向NEE，倾SE，倾角70°～80°。岩石单轴抗压强度158.3 MPa，岩石完整性系数为0.6，岩体基本质量等级为Ⅱ级。

图3 锦屏磷矿西山W18号勘探线剖面图Fig.3 Profile map of W18 in Jinping mountain

2 锦屏磷矿开采概况

锦屏磷矿于20世纪20年代开始开采，至今已有近90年历史，1955年之前先进行露天开采，1955年后转入地下开采，开拓方式为主井石门组合式，采矿方法为深孔留矿法，矿石采出后，允许围岩自然崩落，充填采空区。矿山分三期开拓建设，一期工程投产水平为-50 m和-110 m中段，投产时间为1959～1970年。二期工程将主副井延深到-230 m水平，投产时间为1971～1981年。三期工程将主副井延深到-350 m水平，投产时间为1982～1988年。一至三期工程基本开拓深度为-350 m标高以上，矿山-350以上设计地质储量为2.189 5×107t。目前除文物保护范围内采空区分布在地表至-230 m之间，其它区域-350 m标高以上矿区已基本采光。

锦屏磷矿地下开采活动引发地面塌陷，其中西山矿塌陷区(含塌陷影响带)呈近北西向不规则条带形，走向长约1 800 m，平均宽约310 m，塌陷区面积约558 000 m2，受采空塌陷影响，将军崖岩画区出现了开裂变形。

3 岩画区变形特征及变形机理

根据对将军崖岩画区的调查测绘，岩画区裂缝开展呈现如下几个基本特征：

(1)岩画区共发现裂缝28条(图4)，主要分布在第一组人面图东侧与第二组子午线星象图以东，有4条裂缝贯穿第三组人面兽面图区。

(2)裂缝多为拉张裂缝，裂缝展开无明显错台现象。

(3)裂缝多沿节理裂缝发育(个别产生于岩石中)，总体走向与NNW向节理面走向基本一致(图5)。

图4 对穿锚索平面布置示意图Fig.4 Floor plane of two-ended anchor cable

图5 NNW向节理面产生裂缝Fig.5 Fracture generated in the direction of NNW

(4)裂缝开展长度2.0～14.0 m，开裂宽度0.5～20.0 mm，有多组裂缝出现了连接贯通的趋势(图6)。

图6 岩画区多组裂缝连接贯通Fig.6 Connection and transfixion of fractures in rock painting area

(5)根据岩画区岩体弹性波CT波速测试，岩画区存在5条裂缝带(图4)，其中裂缝带F1对应于地表1号、11号裂缝，长度约13 m，开裂深度约7 m，裂缝带F2对应于地表5号、15号裂缝，长度16 m，开裂深度约6 m，裂缝带F3对应于地表7号、28号裂缝，长度14 m，开裂深度约4 m，裂缝带F4对应于地表9号、10号、19号、22号、23号、25号裂缝，长度21 m，开裂深度约12 m，裂缝带F5对应于地表8号、13号、14号、17号、18号裂缝，长度7 m，开裂深度约7 m。

将军岩岩画区所在岩体为锦屏磷矿西山磷矿层的顶板，矿体和围岩均呈急倾斜，根据锦屏磷矿井巷资料和圈定的采空区资料，岩画区-230 m以上矿体全部采空(图3)，采空区形成后，急倾斜矿体采空区顶板岩体在自重作用下，自顶板开始向临空方向做悬臂梁弯曲，弯曲的岩体之间相互错动并伴有拉裂，弯曲剧烈部位产生横切岩体的折裂、破碎(属于弯曲-倾倒-拉裂变形破坏模式[8-9])，破碎岩体向采空区方向移动崩落，并向上部扩展逐渐发展至地表，引起地表陷落、开裂和变形。虽然将军岩岩画区磷矿已停采30年，塌陷区处于基本稳定状态，但是由于在破坏的覆岩中，各种岩体结构依然存在，伴随这些结构形成的残留空洞、裂缝、离层和破碎岩块欠压密现象，在地震等外力作用，存在空隙的岩块间发生压密和位移，这些压密、位移现象均可引起已基本稳定采空塌陷产生“活化”。正是由于锦屏磷矿采空塌陷区活化影响，倾倒变形加剧，从而使得近几年来岩画区地表变形开裂加剧，并产生了许多新的裂缝。

4 采空引起倾倒变形数值模拟

由于锦屏磷矿矿体走向方向的延伸距离远远大于矿体厚度方向，因此可以将岩画区复杂的地质条件简化为二维地质模型，采用Itasca公司的二维离散元程序UDEC进行模拟，UDEC 基于“拉格朗日”算法很好地模拟块体系统的变形和大位移。从离散化的角度出发, 岩体本质上是节理介质，磷矿开采后的覆岩破碎、断裂、离层等发育，可作为离散体来处理， 且块体间存在着力的联系，因而离散元在矿山岩体力学和矿山压力研究中得到较广泛的应用，对模拟锦屏磷矿开采导致的倾倒变形问题比较适用。

4.1 模型建立

参照锦屏磷矿西山W18号勘探线剖面图(图7)建立数值模型，左边界距离矿体露头处350 m，右边界距离矿体露头处508 m，采空区底标高-230 m，模型底边界-650 m。

4.2 物理力学参数

计算采用的力学参数：岩石密度 2 610 kg/m3，黏聚力0.414 MPa，内摩擦角 40°，抗拉强度 4 MPa，弹性模量4.68 MPa，泊松比0.276，节理内摩擦角 20°，节理黏聚力0.13 MPa。

图7 W18号剖面线数值模型Fig.7 Numerical model of profile map of W18

4.3 数值模拟计算及成果分析

通过设定不同的采空区深度，分析采深对岩画区变形位移的影响程度，采空区采深分别设定为-50 m、-110 m、-170 m、-230 m，并通过-230 m采深计算结果中应力、应变结果对照经验值和实际调查结果，验证本次数值模拟计算的合理性。根据不同开采深度计算得到的各深度下岩体的位移见图8～图13。

图8 -50 m采深水平位移图Fig.8 Horizontal displacement in the mining depth of -50 m

图9 -110 m采深水平位移图Fig.9 Horizontal displacement in the mining depth of -110 m

图10 -170 m采深水平位移图Fig.10 Horizontal displacement in the mining depth of -170 m

图11 -230 m采深水平位移图Fig.11 Horizontal displacement in the mining depth of -230 m

图12 -230 m采深竖直位移图Fig.12 Vertical displacement in the mining depth of -230 m

图13 -230 m采深塑性区及拉张破坏区Fig.13 Distribution of plastic and tension failure zone in the mining depth of -230 m

模拟计算结果分析如下：

(1)锦屏磷矿急倾斜矿体采空后，引起顶板岩体变形破坏，底板岩体保持基本稳定。

(2)随着采深的变大，地面发生水平位移的范围在逐渐变大，位移值也相应变大。当采空区深度为-110 m时候，岩画区地表变形不明显，当采深到达-170 m，岩画区岩体已经受到扰动出现位移。

(3)顶板岩体中，首先地表岩体形成拉裂隙，然后在岩体中形成破坏面，拉张破坏区主要分布在地表以下0～30 m范围内，30 m以下范围主要为塑性屈服区。

(4)在垂向方向上，自上而下表现为水平和竖向位移逐渐变小，采空区上部顶板岩体主要表现为倾倒变形破坏。

(5)根据锦屏磷矿于1984年初实测的裂缝边界，裂缝边界距离采空区底部边界水平投影距离为168 m，垂直高度258.7 m，反算上盘边界角为57°。数值模拟采空区深度为-230 m时，地表出现水平位移的分界线与采空区-230 m底边界相连测的上盘边界角为56°，模拟计算的反算值与实际测量推算值基本一致。考虑到实测过程中对于一些已经破坏但是裂缝拉张数值较小难以发现的实际情况，本区采空塌陷上盘边界角值应略小于56°，根据摩尔库伦破坏准则，认为55°取值较为合理。

(6)岩画区总体水平位移在0.3～0.4 m，总体竖向位移0.5～1.0 m，裂缝开裂最大开裂宽度可以达到5 cm，开裂深度大约10 m，与岩体CT波速测试结果基本吻合。

根据实际调查以及数值模拟计算结果，岩画区虽然位于锦屏磷矿采空塌陷影响范围区，但是从岩性构造、地形和地貌等条件分析，岩画所处岩坡不会产生整体滑动或者陷落垮塌，但是受采空区顶板倾倒变形的影响，岩画所处岩坡地面开裂会继续发展，目前开裂宽度2 cm，还没有达到5 cm的计算开裂宽度，如不采取及时有效的措施，岩画区裂缝开裂情况将会日趋加剧，导致发生岩画支离破碎甚至损毁的严重后果。

5 加固工程设计

5.1 已有加固措施分析

针对采矿引起的倾倒变形等地质灾害，常用的变形控制和治理技术有灌浆技术、锚固技术、桩技术等[13]，1992年5月连云港市文管局委托总参工程兵学院和中国文物保护研究所共同合作，制定了大预应力锚索和深层强力灌浆相结合的加固方案。

工程内容包括预应力锚索加固、裂隙深层灌浆和画面空鼓处化学灌浆、封缝三部分内容。

预应力锚索加固所使用锚索类型为一次灌浆型预应力锚索，此种锚索由7根(12.7 mm钢绞线组成，锚孔直径120 mm，钻孔数量38个。锚固孔方位与主裂隙走向正交，各孔大致平行，锚孔间距1.5～3 m，倾角均为俯角，控制在23°～35°范围内，锚固段长度距离最后一道主裂隙12 m，锚索总长度17～36 m。锚索施工完成后，用混凝土进行封孔，进行做旧处理，对裂缝用环氧树脂加入就地取材的石粉灌入填实使之与周边色泽一致。

通过这一系列的工程手段，岩画裂缝开裂情况得到控制，竣工几年的裂缝监测显示，加固效果比较理想。2012年7月20日宝应地震之后，塌陷区出现了复活迹象，采空区上部通往岩画区的道路出现了明显的下陷和开裂，同时岩画区又新增了几道裂缝，并且出现了原有裂缝变宽、封缝浆体脱落等现象。

5.2 本次加固方案

(1)加固思路

岩画区裂缝重新出现应该是部分锚索失效造成的，加固锚索的部分失效可能是由于以下三种原因造成：一是由于宝应地震影响导致采空区活化，岩画区应力重新分布使得锚索失效。二是由于锚索(施工已有20年时间)自身存在锚固力松弛的问题导致锚索预应力变小。三是锚固段所处岩体开裂导致雨水入渗，部分锚索锈蚀失效。

因此本次加固工程采用补充新锚索的加固方案，并遵循以下几点原则：

①根据场地条件，尽量减少对原始地形破坏，必须破坏时，需配套相应的修复措施。

②在原有锚索基础之上采用对穿锚的锚固方式对岩体进行加固。

③锚索走向尽量与节理、裂隙走向垂直或者保持较小夹角。

④锚索尽量距离加固岩体表面保持距离，最小不能小于3 m。

⑤锚索间距不小于4 m。

⑥锚索均采用无粘结型，以便于二次张拉。

(2)加固方案设计

①对穿锚：垂直于节理、裂隙走向布置10根对穿锚索(图4、图14)，对穿锚索为无粘结式，锚索走向东西向，每隔4 m布置一排，锚索倾角0°～15°，锚孔直径150 mm，锚索由9根φ21.6 mm(抗拉强度标准值1 860 MPa)钢绞线组成，锚索长度35.1～51.2 m，总长度459.1 m，预应力大小2 000 kN。

②裂缝注浆：锚索施工完成后，对已有裂缝进行注浆封堵，防治雨水沿裂缝入渗岩画，对锚索及岩画造成不利影响。注浆材料选用改性灌浆材料(环氧树脂与当地石粉混合)，使之与周边岩石色泽一致。

图14 岩体加固示意剖面Fig.14 Sketch map of rock mass reinforcement profile

5.3 加固后数值分析结果

应用数值软件UDEC对本次加固措施进行模拟计算发现，预应力施加后，岩画区两侧岩体位移保持一致(图15)，裂缝宽度出现明显收缩，宽度比加固前减小2～3 cm，说明此种加固措施可以有效控制岩画区的开裂，能够遏止已有裂缝的扩张以及新裂缝的产生。

图15 加固后-230 m采深水平位移图Fig.15 Horizontal displacement in the mining depth of -230 m after reinforcement

6 结论

针对将军崖岩画区开裂及倾倒变形问题的研究有以下结论：

(1)将军岩岩画区开裂是由于锦屏磷矿采空区顶板倾倒变形做成，属于弯曲-倾倒-拉裂变形破坏模式。

(2)岩画所处岩坡不会产生整体塌陷，但地面开裂会继续发展，如不采取及时有效的治理措施，岩画区裂缝开裂情况将会日趋加剧。

(3)岩画区的加固可以采用对穿锚索结合裂缝注浆的方式进行，实际加固方案的合理性及工程的有效性需要现场的监测结果进一步验证。

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Deformationmechanismandtreatmentmeasuresofthemining-inducedtopplingdeformationinrockpaintingareainJiangjuncliff

SONG Jinglei1，HAO Shefeng1，YUE Ling2，LI Houyao1

(1.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing，Jiangsu210018,China；2.SchoolofEarthScienceandEngineering，HehaiUniversity，Nanjing,Jiangsu210098,China)

In this paper, in order to solve the problem of the toppling deformation and the cracking of rock mass in rock paintings area caused by Jinping phosphate mined-out area of Lianyungang city, some methods, such as conditions investigation, theoretical analysis and numerical simulation are taken to analyze the reason and process of toppling deformation body. The numerical software of UDEC is used to simulate the influence of mining process on deformation of surrounding rock. The results show that the failure mode of toppling deformation body is bend- toppling-pull crack, the plate boundary angle is 55 degrees, the overall horizontal displacement of the rock paintings area is 0.3～0.4 m, the vertical displacement is 0.5～1.0 m, maximum crack width is about 5 cm, the maximum crack depth is about 10 m. Through practical investigation and analysis of numerical simulation results, it is found that the mined-out area and subsidence area produced further settlement under the earthquake, which leading to the occurrence of toppling deformation of the roof rock as well as the cracks of rock in rock paintings area. In order to control persistent crack of toppling deformation body, some measures, such as prestressed anchor and grouting, are used to consolidate toppling deformation body and these measures will become efficient ways to control rock deformation.

mining engineering; toppling; deformation mechanism; numerical simulation; treatment measure

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.07

TD167

A

1003-8035(2017)04-0040-07

2016-12-22;

2017-02-22

宋京雷(1984-)，男，硕士，工程师，主要从事地质灾害勘查与防治设计工作。E-mail:676505165@qq.com