磷矿开挖对将军崖岩画区岩体开裂的影响分析

李 伟， 理继红， 何 伟， 李 明， 常学文

（1.江苏省地质调查研究院，南京 210018； 2.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100）

将军崖岩画区位于江苏省连云港市锦屏山南麓山坡上，是我国一处重要的岩画遗址，具有重大的历史意义与研究价值. 锦屏磷矿位于将军崖岩画区的西北侧. 锦屏磷矿的开挖导致将军崖岩画区岩体出现多条裂缝，对岩画遗址的保护产生了极大的威胁，因此分析锦屏磷矿开挖对将军崖岩画区岩体开裂的影响将有助于保护将军崖岩画. 天然岩体具有非均质、各向异性和非连续等特征，岩土工程的失稳与破坏大都是岩体内部裂隙的扩展、贯通造成的. 将军崖岩画区岩体主要由混合花岗岩构成，花岗岩是一种典型的脆性岩石，对花岗岩的强度以及开裂扩展特征进行研究具有重要的工程价值.

岩体的开裂过程是岩体内部裂隙萌生、扩展与贯通的过程，也是岩体失稳破坏的重要原因. 目前关于岩体开裂过程的研究已有很多. 张国凯等［1］通过对裂隙花岗岩进行单轴压缩下的声发射测试综合分析了花岗岩的裂纹扩展特征. 刘杰等［2］通过二维颗粒流程序（PFC2D）对三裂隙花岗岩进行了单轴压缩试验，研究了三裂隙花岗岩岩体强度的破坏准则. 陈中一等［3］使用视频图像和多目标跟踪技术对不同时刻花岗岩中多条裂隙萌生扩展的过程进行了分析. 王向刚［4］、赵振［5］、牛心刚［6］通过单轴压缩试验以及声发射技术研究了预制裂隙岩石的新生裂纹扩展和贯通破坏规律. 朱泽奇［7］、喻学文［8］在室内试验的基础上研究了三峡花岗岩在加荷与卸荷过程中的裂纹扩展模式与破坏后的应力-应变关系. 张洁［9］、李兆霖［10］研究了真三轴条件下的岩石卸荷破坏特性. 张占荣［11］、王培涛［12］、章广成［13］结合支持向量机模型以及离散元方法对裂隙岩体变形参数的影响因素进行了研究. 另有较多学者［14-19］通过对单裂隙花岗岩进行单轴压缩试验探究了单轴压缩条件下裂隙岩石的强度特性、裂纹起裂规律及破坏模式. 此外，基于数值模拟对岩体开裂与破坏特征进行研究的学者也有很多. 王林丰［20］通过颗粒流PFC2D软件对花岗岩进行了不同裂隙和不同围压下的数值模拟，分析了裂隙花岗岩的微观机理. 陈小婷和黄波林［21］采用有限元/离散元耦合分析方法对柱状危岩进行了研究，并指出这两种数值模拟方法对岩体的小变形与大变形问题均有较好的适用性. 陶志刚等［22］开发的杂交有限元-离散元法（FDEM）为有隐患滑坡体的排查提供了科学依据.

综合来看，目前国内外关于矿山开挖对临近岩体开裂影响的研究较少. 本研究以锦屏西山磷矿层及将军崖岩画区的地质体为研究区域，结合现场调查资料，采用离散元软件3DEC研究了锦屏磷矿开挖对临近岩体（即将军崖岩画区岩体）开裂的影响. 此外，通过计算预测了岩石蠕变作用下20年后将军崖岩画区岩体的开裂状况. 本研究可为矿山边坡支护设计、复杂地质条件下的文物保护等工程地质问题提供参考.

1 将军崖岩画区岩体开裂分析

受锦屏磷矿开挖形成的采空区塌陷影响，将军崖岩画区岩体出现多处裂缝. 现场调查过程中重点调查了将军崖岩画区岩体的变形开裂现状与裂隙发育特征等内容，通过整理现场调查资料对将军崖岩画区岩体的变形特征进行了总结，在此基础上分析了磷矿开采过程中将军崖岩画区岩体开裂破坏的力学机理.

1.1 岩体开裂特征分析

将军崖岩画区岩体所在的岩坡为锦屏磷矿西山磷矿层的顶板. 锦屏磷矿的矿体和围岩均呈急倾斜，倾角在70°～85°之间，矿体水平厚度在5～8 m之间，矿石采出后围岩自然崩落充填采空区. 多年来的持续监测和实地调查测量结果显示，将军崖岩画区内岩体的主裂隙为近南北向，且有继续向南北延伸的趋势. 岩画区岩体的裂隙数量持续增多，裂隙长度持续增长并连接贯通. 岩画区岩体由线状开裂逐渐向带状破坏方向发展，大部分裂缝开裂无明显错动现象，裂纹性质属于图1所示的水平拉张裂缝. 此外，裂缝多沿原有节理面发育，总体走向为NNW，与节理面产状基本一致，如图2所示. 从延伸方向上看，裂隙是由采空区逐渐扩展到岩画区的，新裂隙主要出现在东侧，东侧裂隙的密度、张开度以及开裂速率整体上大于西侧裂隙. 随着时间的推移，大多数裂隙长度继续扩展，开口继续张大，原有灌浆体脱落，周围逐渐出现新的裂缝，但有少数裂隙趋于收缩闭合. 根据岩画区岩体弹性波CT波速测试成果可知，岩画区岩体存在5条张裂缝带，张裂缝为近南北走向，深度基本在20 m以内.

图1 现场地质调查Fig.1 On-site geological survey

图2 裂隙产状统计图Fig.2 Fracture occurence chart

1.2 岩体开裂边界确定

锦屏磷矿西山磷矿层采空区为近北西向、中间宽两端窄的不规则条带形状，走向长约1800 m，平均宽约310 m.将军崖岩画区的岩体位于西山磷矿层的顶板. 岩画区下部磷矿体采空后，采空区顶板岩体在自重作用下向采空区方向倾倒、崩落并充填采空区. 根据顶板地表岩体变形破坏情况，可将研究区分为采空陷落区（Ⅰ区）、倾倒崩落坍塌区（Ⅱ区）和变形开裂区（Ⅲ区），如图3 所示. 其中采空陷落区（Ⅰ区）为采空区陷落形成的陷落坑，围岩自然崩落充填采空区并逐渐形成以采空区为中心的塌陷槽，坑底堆积落石；倾倒崩落坍塌区（Ⅱ区）主要表现为采空区岩壁倾倒拉裂，倾倒剧烈部位产生横切岩体的折裂、破碎，导致向采空区方向的坍塌、崩落，裂隙不断向上部扩展并逐渐发展至地表，引起地表陷落、开裂和变形，景区通向岩画区的道路即位于该区；变形开裂区（Ⅲ区）主要表现为岩体拉裂张开，形成拉裂隙，裂隙多沿原有节理发育，将军崖岩画区就位于东部变形开裂区.

图3 研究区示意图Fig.3 Schematic diagram of study area

将军崖岩画区位于锦屏磷矿西山磷矿层采空区东北侧顶板，岩画区岩体主要向西偏南方向倾倒，故岩画区倾倒变形边界主要为北侧和东侧边界. 随着时间的推移，顶板岩体继续破坏崩落、空隙压密，导致塌陷槽边界向四周扩展，故北侧和东侧边界岩体的变形方式主要为岩体拉张裂隙. 通过勘察确定，裂隙边界距离岩画区东北侧约75 m，距离采空区边界约255 m，反算上盘裂隙边界角约为54°. 资料显示，1984年实测裂隙边界距离岩画区东北侧约60 m，反算上盘裂隙边界角约为57°. 对比可知，近40年来采空区塌陷影响范围向外扩展了约15 m，反算上盘裂隙边界角扩大了约3°.

2 不同采空区深度下研究区岩体开裂的数值模拟研究

2.1 模型建立与参数选取

运用离散元软件3DEC建立如图4所示的研究区数值模型，模型边界根据本文1.2小节所述的岩体开裂边界确定，Z向水平长度600 m，X向水平宽度200 m，Y向竖直高度400 m，设置了走向为NNW、倾向为NE的节理组，在采空区两侧边界处各设置1个监测点、在岩画区设置3个监测点以获取模型中不同位置的位移. 设定不同的采空区深度（-50、-110、-170、-230 m），在静力条件下通过计算锦屏磷矿开挖过程中不同采空区深度下岩体的应力与塑性区分布来分析磷矿开挖过程对将军崖岩画区岩体的扰动机制和影响程度. 模型参数通过室内试验获得，具体见表1和表2.

图4 研究区数值模型的纵剖面图Fig.4 Longitudinal section of numerical model in the study area

表1 研究区岩体的物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock mass in the study area

表2 研究区岩体的结构面物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of structural plane of rock mass in the study area

2.2 不同采空区深度下研究区岩体的应力分析

从图5可以看出，随着采空区深度的增加，最小主应力逐渐在采空区顶板边界处集中，从岩体边界到顶板坡体内，最小主应力呈扩散趋势，在顶板坡体中，最小主应力与坡面近于平行. 最小主应力的最大值主要位于模型底部，最小主应力随着地层深度的变浅而减小，并在采空区底部附近趋于零，再往上则处于拉应力状态. 拉应力区首先出现在采空区顶板边界处并呈现断续状态. 随着采空区深度的增加，拉应力区逐渐变得连续并不断向采空区顶板后方延伸扩大到达岩画区，然后穿过岩画区继续向后方扩展. 当采空区深度为-230 m 时，拉应力区最终到达岩画区后约80 m 处. 开挖过程中，最大拉应力值随着采空区深度的增加而增加；当采空区深度为-50 m时，最大拉应力为0.46 MPa；当采空区深度为-110 m时，最大拉应力为0.99 MPa；当采空区深度为-170 m时，最大拉应力为1.25 MPa；当采空区深度为-230 m时，最大拉应力增大到1.90 MPa；且从采空区深度为-170 m开始，岩画区岩体的拉应力近于最大值，此时，拉应力已经超过节理面的抗拉强度.

图5 不同采空区深度下研究区岩体的最小主应力云图（单位：Pa）Fig.5 Nephogram of minimum principal stress of rock mass in the study area under different goaf depths（unit：Pa）

从图6可以看出，剪应力主要集中在采空区坡脚处，随着采空区深度增加，剪应力区不断向采空区两侧的坡体内延伸并到达岩画区，然后穿过岩画区继续向后方扩展. 最大剪应力始终位于采空区顶板坡脚处，且随着采空区深度的增大，最大剪应力也不断增大. 当采空区深度为-50 m时，最大剪应力只有1.31 MPa，剪应力区仅限于开挖边界处；当采空区深度为-110 m时，最大剪应力为4.14 MPa，增加了2.83 MPa，剪应力区扩展到岩画区的西南边界；当采空区深度为-170 m 时，最大剪应力为5.71 MPa，剪应力区覆盖了大部分岩画区，此时岩画区岩体的最大剪应力为1 MPa；当采空区深度为-230 m时，顶板坡脚处的最大剪应力为6.15 MPa，剪应力区穿过岩画区继续向后方扩展，此时岩画区岩体的最大剪应力约为1.4 MPa.

图6 不同采空区深度下研究区岩体的剪应力云图（单位：Pa）Fig.6 Shear stress nephogram of rock mass in the study area under different goaf depths（unit：Pa）

2.3 不同采空区深度下研究区岩体的塑性区分析

从图7可以看出，整个开采过程中，采空区顶板和底板整体上处于弹性变形状态，只有局部出现塑性屈服区. 塑性屈服区包括剪切屈服区和受拉屈服区，剪切屈服区主要出现在采空区开挖坡脚处，受拉屈服区则主要出现在采空区顶板-20 m以内的浅地层中. 从分步开挖过程来看，当采空区深度为-50 m时，只有采空区顶板坡脚的个别岩体处于剪切屈服状态，其他区域则处于弹性状态；当采空区深度为-110 m时，剪切屈服区在采空区顶板坡脚处横向扩展，坡脚岩体已大部分处于剪切屈服状态，纵向扩展不明显，1号监测点附近的顶板边界表面出现了零星受拉屈服区；当采空区深度为-170 m时，剪切屈服区在采空区顶板坡脚处向上扩展明显，岩画区周围浅地表出现明显的受拉屈服区，部分受拉屈服区覆盖到岩画区，但深度不超过10 m；当采空区深度为-230 m时，采空区底板坡脚处也出现剪切屈服区，但范围不大，顶板坡脚处剪切屈服区继续沿开挖边界向外发展，顶板浅地表受拉屈服区范围继续扩大，基本覆盖了顶板边界和岩画区浅地表，最深约在地表下20 m左右. 在模型计算过程中发现，塑性屈服区多沿节理面开始出现，并沿节理面向周围扩展. 因为节理面的强度相较于岩石小得多，所以岩体在受到剪切力和拉张力时，节理面首先会屈服开裂，张开成缝.

图7 不同采空区深度下研究区岩体的塑性云图（单位：Pa）Fig.7 Plastic nephogram of rock mass in the study area under different goaf depths（unit：Pa）

根据资料可知，锦屏磷矿在1984年初实测的裂缝边界距离采空区的水平投影距离约为240 m，反算上盘裂隙边界角约为57°. 本次实测的采空塌陷区反算上盘裂隙边界角比57°略小是因为在实测过程中会存在一些已经破坏但是裂缝开口较小难以发现的情况. 本次数值模拟是根据采空区深度为-230 m时所得到的受拉屈服区边界与采空区上盘坡脚连线来反算上盘裂隙边界角的，计算结果约为58°，这个结果与利用摩尔库伦破坏准则中破坏面方向与主应力方向夹角计算的结果较为接近，可见模拟计算所得的反算上盘裂隙边界角与实测值基本一致，这也证明了本次模拟计算的合理性.

3 将军崖岩画区岩体的开裂预测

图8a是岩石蠕变作用下20年后研究区岩体的总位移云图. 从图8a可以看出，整个顶板持续向采空区倾倒，边界位置的倾倒位移已增大至51 cm，岩画区岩体的倾倒总位移在14～25 cm之间. 从图8b可以看出，整个采空区顶板的岩体开裂情况在不断恶化，裂隙也在不断拓宽加深. 模拟计算结果显示，20 年后岩画区岩体的最大裂隙宽度约为6 cm，最大裂隙深度约为50 m.

图8 20年后研究区岩体的位移云图（单位：m）Fig.8 Displacement nephogram of rock mass in the study area after 20 years（unit：m）

图9 是20 年后岩画区东西边界3 号和5 号监测点的位移差曲线. 从图9可以明显看出，总位移差增长明显，各分向上，无论是水平位移差还是竖向位移差都在持续变大，其中，Z向水平位移差对岩体拉裂作用的影响最大，其曲线斜率随时间的延长逐渐变大，说明岩体的水平拉裂速度逐渐加快；Y向竖直位移差和X向水平位移差随着时间的延长也略有增大. 从数值上来看，岩画区岩体的总位移差由4.5 cm增大到8.5 cm，Z向水平位移差由2.5 cm 增加到6 cm，最大裂隙宽度由3 cm 增大到6 cm左右，说明20年后将军崖岩画区岩体的开裂程度加剧.

图9 20年后将军崖岩画区东西边界3号和5号监测点的位移差曲线Fig.9 Displacement difference curve of monitoring points 3 and 5 on the East-West boundary of in rock painting area of Jiangjun Cliff after 20 years

将军崖岩画区岩体裂隙发育的过程可概括为：首先在磷矿开挖过程中，岩画区岩体节理面出现受拉屈服，产生1～2 mm的微裂隙；随后在20年岩石蠕变作用下，裂隙因继续受拉增大到6 cm左右. 因为岩体节理面的黏结力不足以抵抗岩体倾倒所产生的拉张力，所以裂隙多为沿节理面发生的继发性张裂，然后再加上风化作用、雨水冲蚀等因素的相互叠加、相互影响，最终加快了岩体变形破坏的速度. 从数值模拟结果来看，目前采空区顶板岩体整体上是稳定的，不会产生整体陷落垮塌，但是由于受到岩石蠕变作用以及采空区塌陷影响，顶板岩体会继续向采空区倾倒变形，岩画区岩体也会继续受拉开裂，因此20年后将军崖岩画区岩体的开裂程度将会加剧.

4 结论

在现场调查将军崖岩画区岩体开裂情况的基础上，运用离散元软件3DEC模拟了磷矿开挖对将军崖岩画区岩体的应力场、塑性区和裂隙开展情况的影响，同时分析了磷矿开挖过程对采空区顶板倾倒变形和岩画区岩体开裂破坏的影响机制和程度，得出结论如下：

1）磷矿开挖过程中，采空区顶板岩体因应力场变化产生表生改造变形并持续倾倒下沉，岩画区岩体出现拉应力集中. 随着采空区深度的增加，拉应力区相互连接并不断向后方延伸，导致岩体节理面受拉开裂，产生裂隙.

2）采空区顶板坡脚处以剪切屈服破坏为主，随着采空区深度增加，剪应力区不断向采空区两侧坡体延伸并不断向后方扩展，导致岩画区岩体不断开裂. 塑性屈服区多沿节理面开始出现，并沿节理面向周围扩展. 因为节理面强度远小于岩石强度，所以岩体在受到剪切力和拉张力时，节理面首先会屈服开裂，张开成缝.

3）目前采空区顶板整体上是稳定的，不会产生整体陷落垮塌，但是在岩石蠕变作用以及采空塌陷影响下，顶板岩体会不断向采空区倾倒变形，岩画区岩体裂隙数量会继续增多、裂隙长度会继续增大并连接贯通. 因此，预测20年后将军崖岩画区岩体的破裂程度会进一步加剧.