采礦引起的將軍崖巖畫區(qū)傾倒變形機理及治理措施分析

宋京雷，郝社鋒，岳 翎，李后堯

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098)

采礦引起的將軍崖巖畫區(qū)傾倒變形機理及治理措施分析

宋京雷1，郝社鋒1，岳 翎2，李后堯1

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098)

針對連云港市錦屏山磷礦采空區(qū)引起的將軍崖巖畫區(qū)巖體開裂問題，通過現(xiàn)場調(diào)查，采用理論分析和數(shù)值模擬方法，分析了采空區(qū)周邊巖體傾倒變形的發(fā)展歷史及成因；利用UDEC軟件模擬了采礦開挖過程對周邊圍巖變形的影響，結果表明：傾倒變形體的破壞模式為彎曲-傾倒-拉裂變形破壞，產(chǎn)生裂縫的上盤邊界角為55°，巖畫區(qū)總體水平位移0.3～0.4 m，豎向位移0.5～1.0 m，最大開裂寬度約5 cm，深度約10 m，模擬得到的結果與實際調(diào)查的結果基本一致。此外，采用數(shù)值模擬的手段預測采空塌陷區(qū)在地震等外力作用下將產(chǎn)生進一步沉降，可能引發(fā)巖畫繼續(xù)開裂。為控制巖畫區(qū)的開裂，采用預應力錨索和灌漿的方法對巖畫區(qū)變形巖體進行加固設計，并取得了良好效果。

采礦工程；傾倒；變形機理；數(shù)值模擬；治理措施

0 引言

將軍崖巖畫位于江蘇省連云港市錦屏山南麓的桃花澗景區(qū)內(nèi)(圖1)，是中國迄今發(fā)現(xiàn)的最古老的巖畫，也是唯一反映農(nóng)業(yè)部落原始崇拜內(nèi)容的巖畫(圖2)，距今約10 000年，對人類學、歷史學、藝術和科學史的研究具有極其珍貴的價值，是全國重點文物保護單位。受錦屏磷礦采空塌陷引起的傾倒破壞影響，將軍崖巖畫遺址巖體出現(xiàn)多處裂縫，地面開裂已嚴重威脅到巖畫的長期保存。

圖1 將軍崖巖畫周邊采空區(qū)分布圖Fig.1 Distribution of mine goaf around rock painting area in Jiangjun cliff

圖2 將軍崖巖畫照片F(xiàn)ig.2 Photograph of rock painting area in Jiangjun cliff

傾倒變形是邊坡變形破壞的一種類型，形成的原因和過程復雜。傾倒變形持續(xù)的時間越長，影響的范圍就越大，形成的危害就越嚴重，不僅影響到采礦工程的生產(chǎn)安全，而且威脅周邊人員生命財產(chǎn)安全和建筑設施安全。Goodman[1]、Hock[2]、韓貝傳[3]、申力[4]、郭春穎[5]等已經(jīng)對傾倒變形問題作了充分研究。對于反傾巖質(zhì)邊坡的變形特征，程東幸[6]利用3DECD對龍灘水電站工程邊坡三維變形進行了模擬，韓貝傳[3]利用有限元方法對邊坡傾倒變形的形成機制和影響因素進行了探討。針對錦屏磷礦開采引起的將軍崖巖畫區(qū)遺址巖體變形破壞問題，潘別桐[7]曾經(jīng)基于Brown-Fergnson模型，用極限平衡分析陡傾礦體開采時上盤巖體漸進性破壞機理，并預測了不同開采深度對應的裂縫開裂深度。

本文通過分析監(jiān)測資料、基于離散元數(shù)值模擬計算，分析討論了巖畫區(qū)開裂變形形成的機理，并提出了加固處理措施。

1 巖畫區(qū)地質(zhì)背景

錦屏磷礦位于連云港市錦屏山地區(qū)，所處構造部位為一倒轉背斜。錦屏山山體渾圓，最大海拔+427.0 m，山坡坡度10°～25°，晚太古代-元古代變質(zhì)巖出露良好。錦屏磷礦礦區(qū)地層主要為膠東群朐山組、海州群錦屏組。磷礦體賦存于錦屏組中，為沉積變質(zhì)型磷礦。其中西山礦體賦存在錦屏倒轉背斜的倒轉翼，長約2 070 m，向下往南東方向側伏，側伏角35°～60°。礦體走向305°～330°，傾向北東，傾角50°～75°，礦體延深大約670 m。

巖畫區(qū)巖體為錦屏磷礦西山磷礦層的頂板(圖3)。礦體和圍巖均呈急傾斜，走向320°，傾向NEE，傾角70°～85°，礦體水平厚度5～8 m，有分支復合現(xiàn)象。頂板巖體為下元古界膠南群朐山組混合花崗巖。斷層不發(fā)育，主要存在兩組節(jié)理構造，一組走向NNW，傾NE，傾角65°～75°和另一組走向NEE，傾SE，傾角70°～80°。巖石單軸抗壓強度158.3 MPa，巖石完整性系數(shù)為0.6，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅱ級。

圖3 錦屏磷礦西山W18號勘探線剖面圖Fig.3 Profile map of W18 in Jinping mountain

2 錦屏磷礦開采概況

錦屏磷礦于20世紀20年代開始開采，至今已有近90年歷史，1955年之前先進行露天開采，1955年后轉入地下開采，開拓方式為主井石門組合式，采礦方法為深孔留礦法，礦石采出后，允許圍巖自然崩落，充填采空區(qū)。礦山分三期開拓建設，一期工程投產(chǎn)水平為-50 m和-110 m中段，投產(chǎn)時間為1959～1970年。二期工程將主副井延深到-230 m水平，投產(chǎn)時間為1971～1981年。三期工程將主副井延深到-350 m水平，投產(chǎn)時間為1982～1988年。一至三期工程基本開拓深度為-350 m標高以上，礦山-350以上設計地質(zhì)儲量為2.189 5×107t。目前除文物保護范圍內(nèi)采空區(qū)分布在地表至-230 m之間，其它區(qū)域-350 m標高以上礦區(qū)已基本采光。

錦屏磷礦地下開采活動引發(fā)地面塌陷，其中西山礦塌陷區(qū)(含塌陷影響帶)呈近北西向不規(guī)則條帶形，走向長約1 800 m，平均寬約310 m，塌陷區(qū)面積約558 000 m2，受采空塌陷影響，將軍崖巖畫區(qū)出現(xiàn)了開裂變形。

3 巖畫區(qū)變形特征及變形機理

根據(jù)對將軍崖巖畫區(qū)的調(diào)查測繪，巖畫區(qū)裂縫開展呈現(xiàn)如下幾個基本特征：

(1)巖畫區(qū)共發(fā)現(xiàn)裂縫28條(圖4)，主要分布在第一組人面圖東側與第二組子午線星象圖以東，有4條裂縫貫穿第三組人面獸面圖區(qū)。

(2)裂縫多為拉張裂縫，裂縫展開無明顯錯臺現(xiàn)象。

(3)裂縫多沿節(jié)理裂縫發(fā)育(個別產(chǎn)生于巖石中)，總體走向與NNW向節(jié)理面走向基本一致(圖5)。

圖4 對穿錨索平面布置示意圖Fig.4 Floor plane of two-ended anchor cable

圖5 NNW向節(jié)理面產(chǎn)生裂縫Fig.5 Fracture generated in the direction of NNW

(4)裂縫開展長度2.0～14.0 m，開裂寬度0.5～20.0 mm，有多組裂縫出現(xiàn)了連接貫通的趨勢(圖6)。

圖6 巖畫區(qū)多組裂縫連接貫通Fig.6 Connection and transfixion of fractures in rock painting area

(5)根據(jù)巖畫區(qū)巖體彈性波CT波速測試，巖畫區(qū)存在5條裂縫帶(圖4)，其中裂縫帶F1對應于地表1號、11號裂縫，長度約13 m，開裂深度約7 m，裂縫帶F2對應于地表5號、15號裂縫，長度16 m，開裂深度約6 m，裂縫帶F3對應于地表7號、28號裂縫，長度14 m，開裂深度約4 m，裂縫帶F4對應于地表9號、10號、19號、22號、23號、25號裂縫，長度21 m，開裂深度約12 m，裂縫帶F5對應于地表8號、13號、14號、17號、18號裂縫，長度7 m，開裂深度約7 m。

將軍巖巖畫區(qū)所在巖體為錦屏磷礦西山磷礦層的頂板，礦體和圍巖均呈急傾斜，根據(jù)錦屏磷礦井巷資料和圈定的采空區(qū)資料，巖畫區(qū)-230 m以上礦體全部采空(圖3)，采空區(qū)形成后，急傾斜礦體采空區(qū)頂板巖體在自重作用下，自頂板開始向臨空方向做懸臂梁彎曲，彎曲的巖體之間相互錯動并伴有拉裂，彎曲劇烈部位產(chǎn)生橫切巖體的折裂、破碎(屬于彎曲-傾倒-拉裂變形破壞模式[8-9])，破碎巖體向采空區(qū)方向移動崩落，并向上部擴展逐漸發(fā)展至地表，引起地表陷落、開裂和變形。雖然將軍巖巖畫區(qū)磷礦已停采30年，塌陷區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但是由于在破壞的覆巖中，各種巖體結構依然存在，伴隨這些結構形成的殘留空洞、裂縫、離層和破碎巖塊欠壓密現(xiàn)象，在地震等外力作用，存在空隙的巖塊間發(fā)生壓密和位移，這些壓密、位移現(xiàn)象均可引起已基本穩(wěn)定采空塌陷產(chǎn)生“活化”。正是由于錦屏磷礦采空塌陷區(qū)活化影響，傾倒變形加劇，從而使得近幾年來巖畫區(qū)地表變形開裂加劇，并產(chǎn)生了許多新的裂縫。

4 采空引起傾倒變形數(shù)值模擬

由于錦屏磷礦礦體走向方向的延伸距離遠遠大于礦體厚度方向，因此可以將巖畫區(qū)復雜的地質(zhì)條件簡化為二維地質(zhì)模型，采用Itasca公司的二維離散元程序UDEC進行模擬，UDEC 基于“拉格朗日”算法很好地模擬塊體系統(tǒng)的變形和大位移。從離散化的角度出發(fā), 巖體本質(zhì)上是節(jié)理介質(zhì)，磷礦開采后的覆巖破碎、斷裂、離層等發(fā)育，可作為離散體來處理， 且塊體間存在著力的聯(lián)系，因而離散元在礦山巖體力學和礦山壓力研究中得到較廣泛的應用，對模擬錦屏磷礦開采導致的傾倒變形問題比較適用。

4.1 模型建立

參照錦屏磷礦西山W18號勘探線剖面圖(圖7)建立數(shù)值模型，左邊界距離礦體露頭處350 m，右邊界距離礦體露頭處508 m，采空區(qū)底標高-230 m，模型底邊界-650 m。

4.2 物理力學參數(shù)

計算采用的力學參數(shù)：巖石密度 2 610 kg/m3，黏聚力0.414 MPa，內(nèi)摩擦角 40°，抗拉強度 4 MPa，彈性模量4.68 MPa，泊松比0.276，節(jié)理內(nèi)摩擦角 20°，節(jié)理黏聚力0.13 MPa。

圖7 W18號剖面線數(shù)值模型Fig.7 Numerical model of profile map of W18

4.3 數(shù)值模擬計算及成果分析

通過設定不同的采空區(qū)深度，分析采深對巖畫區(qū)變形位移的影響程度，采空區(qū)采深分別設定為-50 m、-110 m、-170 m、-230 m，并通過-230 m采深計算結果中應力、應變結果對照經(jīng)驗值和實際調(diào)查結果，驗證本次數(shù)值模擬計算的合理性。根據(jù)不同開采深度計算得到的各深度下巖體的位移見圖8～圖13。

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

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

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

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

圖12 -230 m采深豎直位移圖Fig.12 Vertical displacement in the mining depth of -230 m

圖13 -230 m采深塑性區(qū)及拉張破壞區(qū)Fig.13 Distribution of plastic and tension failure zone in the mining depth of -230 m

模擬計算結果分析如下：

(1)錦屏磷礦急傾斜礦體采空后，引起頂板巖體變形破壞，底板巖體保持基本穩(wěn)定。

(2)隨著采深的變大，地面發(fā)生水平位移的范圍在逐漸變大，位移值也相應變大。當采空區(qū)深度為-110 m時候，巖畫區(qū)地表變形不明顯，當采深到達-170 m，巖畫區(qū)巖體已經(jīng)受到擾動出現(xiàn)位移。

(3)頂板巖體中，首先地表巖體形成拉裂隙，然后在巖體中形成破壞面，拉張破壞區(qū)主要分布在地表以下0～30 m范圍內(nèi)，30 m以下范圍主要為塑性屈服區(qū)。

(4)在垂向方向上，自上而下表現(xiàn)為水平和豎向位移逐漸變小，采空區(qū)上部頂板巖體主要表現(xiàn)為傾倒變形破壞。

(5)根據(jù)錦屏磷礦于1984年初實測的裂縫邊界，裂縫邊界距離采空區(qū)底部邊界水平投影距離為168 m，垂直高度258.7 m，反算上盤邊界角為57°。數(shù)值模擬采空區(qū)深度為-230 m時，地表出現(xiàn)水平位移的分界線與采空區(qū)-230 m底邊界相連測的上盤邊界角為56°，模擬計算的反算值與實際測量推算值基本一致?？紤]到實測過程中對于一些已經(jīng)破壞但是裂縫拉張數(shù)值較小難以發(fā)現(xiàn)的實際情況，本區(qū)采空塌陷上盤邊界角值應略小于56°，根據(jù)摩爾庫倫破壞準則，認為55°取值較為合理。

(6)巖畫區(qū)總體水平位移在0.3～0.4 m，總體豎向位移0.5～1.0 m，裂縫開裂最大開裂寬度可以達到5 cm，開裂深度大約10 m，與巖體CT波速測試結果基本吻合。

根據(jù)實際調(diào)查以及數(shù)值模擬計算結果，巖畫區(qū)雖然位于錦屏磷礦采空塌陷影響范圍區(qū)，但是從巖性構造、地形和地貌等條件分析，巖畫所處巖坡不會產(chǎn)生整體滑動或者陷落垮塌，但是受采空區(qū)頂板傾倒變形的影響，巖畫所處巖坡地面開裂會繼續(xù)發(fā)展，目前開裂寬度2 cm，還沒有達到5 cm的計算開裂寬度，如不采取及時有效的措施，巖畫區(qū)裂縫開裂情況將會日趨加劇，導致發(fā)生巖畫支離破碎甚至損毀的嚴重后果。

5 加固工程設計

5.1 已有加固措施分析

針對采礦引起的傾倒變形等地質(zhì)災害，常用的變形控制和治理技術有灌漿技術、錨固技術、樁技術等[13]，1992年5月連云港市文管局委托總參工程兵學院和中國文物保護研究所共同合作，制定了大預應力錨索和深層強力灌漿相結合的加固方案。

工程內(nèi)容包括預應力錨索加固、裂隙深層灌漿和畫面空鼓處化學灌漿、封縫三部分內(nèi)容。

預應力錨索加固所使用錨索類型為一次灌漿型預應力錨索，此種錨索由7根(12.7 mm鋼絞線組成，錨孔直徑120 mm，鉆孔數(shù)量38個。錨固孔方位與主裂隙走向正交，各孔大致平行，錨孔間距1.5～3 m，傾角均為俯角，控制在23°～35°范圍內(nèi)，錨固段長度距離最后一道主裂隙12 m，錨索總長度17～36 m。錨索施工完成后，用混凝土進行封孔，進行做舊處理，對裂縫用環(huán)氧樹脂加入就地取材的石粉灌入填實使之與周邊色澤一致。

通過這一系列的工程手段，巖畫裂縫開裂情況得到控制，竣工幾年的裂縫監(jiān)測顯示，加固效果比較理想。2012年7月20日寶應地震之后，塌陷區(qū)出現(xiàn)了復活跡象，采空區(qū)上部通往巖畫區(qū)的道路出現(xiàn)了明顯的下陷和開裂，同時巖畫區(qū)又新增了幾道裂縫，并且出現(xiàn)了原有裂縫變寬、封縫漿體脫落等現(xiàn)象。

5.2 本次加固方案

(1)加固思路

巖畫區(qū)裂縫重新出現(xiàn)應該是部分錨索失效造成的，加固錨索的部分失效可能是由于以下三種原因造成：一是由于寶應地震影響導致采空區(qū)活化，巖畫區(qū)應力重新分布使得錨索失效。二是由于錨索(施工已有20年時間)自身存在錨固力松弛的問題導致錨索預應力變小。三是錨固段所處巖體開裂導致雨水入滲，部分錨索銹蝕失效。

因此本次加固工程采用補充新錨索的加固方案，并遵循以下幾點原則：

①根據(jù)場地條件，盡量減少對原始地形破壞，必須破壞時，需配套相應的修復措施。

②在原有錨索基礎之上采用對穿錨的錨固方式對巖體進行加固。

③錨索走向盡量與節(jié)理、裂隙走向垂直或者保持較小夾角。

④錨索盡量距離加固巖體表面保持距離，最小不能小于3 m。

⑤錨索間距不小于4 m。

⑥錨索均采用無粘結型，以便于二次張拉。

(2)加固方案設計

①對穿錨：垂直于節(jié)理、裂隙走向布置10根對穿錨索(圖4、圖14)，對穿錨索為無粘結式，錨索走向東西向，每隔4 m布置一排，錨索傾角0°～15°，錨孔直徑150 mm，錨索由9根φ21.6 mm(抗拉強度標準值1 860 MPa)鋼絞線組成，錨索長度35.1～51.2 m，總長度459.1 m，預應力大小2 000 kN。

②裂縫注漿：錨索施工完成后，對已有裂縫進行注漿封堵，防治雨水沿裂縫入滲巖畫，對錨索及巖畫造成不利影響。注漿材料選用改性灌漿材料(環(huán)氧樹脂與當?shù)厥刍旌?，使之與周邊巖石色澤一致。

圖14 巖體加固示意剖面Fig.14 Sketch map of rock mass reinforcement profile

5.3 加固后數(shù)值分析結果

應用數(shù)值軟件UDEC對本次加固措施進行模擬計算發(fā)現(xiàn)，預應力施加后，巖畫區(qū)兩側巖體位移保持一致(圖15)，裂縫寬度出現(xiàn)明顯收縮，寬度比加固前減小2～3 cm，說明此種加固措施可以有效控制巖畫區(qū)的開裂，能夠遏止已有裂縫的擴張以及新裂縫的產(chǎn)生。

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

6 結論

針對將軍崖巖畫區(qū)開裂及傾倒變形問題的研究有以下結論：

(1)將軍巖巖畫區(qū)開裂是由于錦屏磷礦采空區(qū)頂板傾倒變形做成，屬于彎曲-傾倒-拉裂變形破壞模式。

(2)巖畫所處巖坡不會產(chǎn)生整體塌陷，但地面開裂會繼續(xù)發(fā)展，如不采取及時有效的治理措施，巖畫區(qū)裂縫開裂情況將會日趨加劇。

(3)巖畫區(qū)的加固可以采用對穿錨索結合裂縫注漿的方式進行，實際加固方案的合理性及工程的有效性需要現(xiàn)場的監(jiān)測結果進一步驗證。

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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，碩士，工程師，主要從事地質(zhì)災害勘查與防治設計工作。E-mail:676505165@qq.com