李 偉， 理繼紅， 何 偉， 李 明， 常學文

（1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210018； 2.河海大學地球科學與工程學院，南京 211100）

將軍崖巖畫區(qū)位于江蘇省連云港市錦屏山南麓山坡上，是我國一處重要的巖畫遺址，具有重大的歷史意義與研究價值. 錦屏磷礦位于將軍崖巖畫區(qū)的西北側(cè). 錦屏磷礦的開挖導致將軍崖巖畫區(qū)巖體出現(xiàn)多條裂縫，對巖畫遺址的保護產(chǎn)生了極大的威脅，因此分析錦屏磷礦開挖對將軍崖巖畫區(qū)巖體開裂的影響將有助于保護將軍崖巖畫. 天然巖體具有非均質(zhì)、各向異性和非連續(xù)等特征，巖土工程的失穩(wěn)與破壞大都是巖體內(nèi)部裂隙的擴展、貫通造成的. 將軍崖巖畫區(qū)巖體主要由混合花崗巖構(gòu)成，花崗巖是一種典型的脆性巖石，對花崗巖的強度以及開裂擴展特征進行研究具有重要的工程價值.

巖體的開裂過程是巖體內(nèi)部裂隙萌生、擴展與貫通的過程，也是巖體失穩(wěn)破壞的重要原因. 目前關(guān)于巖體開裂過程的研究已有很多. 張國凱等［1］通過對裂隙花崗巖進行單軸壓縮下的聲發(fā)射測試綜合分析了花崗巖的裂紋擴展特征. 劉杰等［2］通過二維顆粒流程序（PFC2D）對三裂隙花崗巖進行了單軸壓縮試驗，研究了三裂隙花崗巖巖體強度的破壞準則. 陳中一等［3］使用視頻圖像和多目標跟蹤技術(shù)對不同時刻花崗巖中多條裂隙萌生擴展的過程進行了分析. 王向剛［4］、趙振［5］、牛心剛［6］通過單軸壓縮試驗以及聲發(fā)射技術(shù)研究了預制裂隙巖石的新生裂紋擴展和貫通破壞規(guī)律. 朱澤奇［7］、喻學文［8］在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上研究了三峽花崗巖在加荷與卸荷過程中的裂紋擴展模式與破壞后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系. 張潔［9］、李兆霖［10］研究了真三軸條件下的巖石卸荷破壞特性. 張占榮［11］、王培濤［12］、章廣成［13］結(jié)合支持向量機模型以及離散元方法對裂隙巖體變形參數(shù)的影響因素進行了研究. 另有較多學者［14-19］通過對單裂隙花崗巖進行單軸壓縮試驗探究了單軸壓縮條件下裂隙巖石的強度特性、裂紋起裂規(guī)律及破壞模式. 此外，基于數(shù)值模擬對巖體開裂與破壞特征進行研究的學者也有很多. 王林豐［20］通過顆粒流PFC2D軟件對花崗巖進行了不同裂隙和不同圍壓下的數(shù)值模擬，分析了裂隙花崗巖的微觀機理. 陳小婷和黃波林［21］采用有限元/離散元耦合分析方法對柱狀危巖進行了研究，并指出這兩種數(shù)值模擬方法對巖體的小變形與大變形問題均有較好的適用性. 陶志剛等［22］開發(fā)的雜交有限元-離散元法（FDEM）為有隱患滑坡體的排查提供了科學依據(jù).

綜合來看，目前國內(nèi)外關(guān)于礦山開挖對臨近巖體開裂影響的研究較少. 本研究以錦屏西山磷礦層及將軍崖巖畫區(qū)的地質(zhì)體為研究區(qū)域，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料，采用離散元軟件3DEC研究了錦屏磷礦開挖對臨近巖體（即將軍崖巖畫區(qū)巖體）開裂的影響. 此外，通過計算預測了巖石蠕變作用下20年后將軍崖巖畫區(qū)巖體的開裂狀況. 本研究可為礦山邊坡支護設(shè)計、復雜地質(zhì)條件下的文物保護等工程地質(zhì)問題提供參考.

1 將軍崖巖畫區(qū)巖體開裂分析

受錦屏磷礦開挖形成的采空區(qū)塌陷影響，將軍崖巖畫區(qū)巖體出現(xiàn)多處裂縫. 現(xiàn)場調(diào)查過程中重點調(diào)查了將軍崖巖畫區(qū)巖體的變形開裂現(xiàn)狀與裂隙發(fā)育特征等內(nèi)容，通過整理現(xiàn)場調(diào)查資料對將軍崖巖畫區(qū)巖體的變形特征進行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上分析了磷礦開采過程中將軍崖巖畫區(qū)巖體開裂破壞的力學機理.

1.1 巖體開裂特征分析

將軍崖巖畫區(qū)巖體所在的巖坡為錦屏磷礦西山磷礦層的頂板. 錦屏磷礦的礦體和圍巖均呈急傾斜，傾角在70°～85°之間，礦體水平厚度在5～8 m之間，礦石采出后圍巖自然崩落充填采空區(qū). 多年來的持續(xù)監(jiān)測和實地調(diào)查測量結(jié)果顯示，將軍崖巖畫區(qū)內(nèi)巖體的主裂隙為近南北向，且有繼續(xù)向南北延伸的趨勢. 巖畫區(qū)巖體的裂隙數(shù)量持續(xù)增多，裂隙長度持續(xù)增長并連接貫通. 巖畫區(qū)巖體由線狀開裂逐漸向帶狀破壞方向發(fā)展，大部分裂縫開裂無明顯錯動現(xiàn)象，裂紋性質(zhì)屬于圖1所示的水平拉張裂縫. 此外，裂縫多沿原有節(jié)理面發(fā)育，總體走向為NNW，與節(jié)理面產(chǎn)狀基本一致，如圖2所示. 從延伸方向上看，裂隙是由采空區(qū)逐漸擴展到巖畫區(qū)的，新裂隙主要出現(xiàn)在東側(cè)，東側(cè)裂隙的密度、張開度以及開裂速率整體上大于西側(cè)裂隙. 隨著時間的推移，大多數(shù)裂隙長度繼續(xù)擴展，開口繼續(xù)張大，原有灌漿體脫落，周圍逐漸出現(xiàn)新的裂縫，但有少數(shù)裂隙趨于收縮閉合. 根據(jù)巖畫區(qū)巖體彈性波CT波速測試成果可知，巖畫區(qū)巖體存在5條張裂縫帶，張裂縫為近南北走向，深度基本在20 m以內(nèi).

圖1 現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查Fig.1 On-site geological survey

圖2 裂隙產(chǎn)狀統(tǒng)計圖Fig.2 Fracture occurence chart

1.2 巖體開裂邊界確定

錦屏磷礦西山磷礦層采空區(qū)為近北西向、中間寬兩端窄的不規(guī)則條帶形狀，走向長約1800 m，平均寬約310 m.將軍崖巖畫區(qū)的巖體位于西山磷礦層的頂板. 巖畫區(qū)下部磷礦體采空后，采空區(qū)頂板巖體在自重作用下向采空區(qū)方向傾倒、崩落并充填采空區(qū). 根據(jù)頂板地表巖體變形破壞情況，可將研究區(qū)分為采空陷落區(qū)（Ⅰ區(qū)）、傾倒崩落坍塌區(qū)（Ⅱ區(qū)）和變形開裂區(qū)（Ⅲ區(qū)），如圖3 所示. 其中采空陷落區(qū)（Ⅰ區(qū)）為采空區(qū)陷落形成的陷落坑，圍巖自然崩落充填采空區(qū)并逐漸形成以采空區(qū)為中心的塌陷槽，坑底堆積落石；傾倒崩落坍塌區(qū)（Ⅱ區(qū)）主要表現(xiàn)為采空區(qū)巖壁傾倒拉裂，傾倒劇烈部位產(chǎn)生橫切巖體的折裂、破碎，導致向采空區(qū)方向的坍塌、崩落，裂隙不斷向上部擴展并逐漸發(fā)展至地表，引起地表陷落、開裂和變形，景區(qū)通向巖畫區(qū)的道路即位于該區(qū)；變形開裂區(qū)（Ⅲ區(qū)）主要表現(xiàn)為巖體拉裂張開，形成拉裂隙，裂隙多沿原有節(jié)理發(fā)育，將軍崖巖畫區(qū)就位于東部變形開裂區(qū).

圖3 研究區(qū)示意圖Fig.3 Schematic diagram of study area

將軍崖巖畫區(qū)位于錦屏磷礦西山磷礦層采空區(qū)東北側(cè)頂板，巖畫區(qū)巖體主要向西偏南方向傾倒，故巖畫區(qū)傾倒變形邊界主要為北側(cè)和東側(cè)邊界. 隨著時間的推移，頂板巖體繼續(xù)破壞崩落、空隙壓密，導致塌陷槽邊界向四周擴展，故北側(cè)和東側(cè)邊界巖體的變形方式主要為巖體拉張裂隙. 通過勘察確定，裂隙邊界距離巖畫區(qū)東北側(cè)約75 m，距離采空區(qū)邊界約255 m，反算上盤裂隙邊界角約為54°. 資料顯示，1984年實測裂隙邊界距離巖畫區(qū)東北側(cè)約60 m，反算上盤裂隙邊界角約為57°. 對比可知，近40年來采空區(qū)塌陷影響范圍向外擴展了約15 m，反算上盤裂隙邊界角擴大了約3°.

2 不同采空區(qū)深度下研究區(qū)巖體開裂的數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立與參數(shù)選取

運用離散元軟件3DEC建立如圖4所示的研究區(qū)數(shù)值模型，模型邊界根據(jù)本文1.2小節(jié)所述的巖體開裂邊界確定，Z向水平長度600 m，X向水平寬度200 m，Y向豎直高度400 m，設(shè)置了走向為NNW、傾向為NE的節(jié)理組，在采空區(qū)兩側(cè)邊界處各設(shè)置1個監(jiān)測點、在巖畫區(qū)設(shè)置3個監(jiān)測點以獲取模型中不同位置的位移. 設(shè)定不同的采空區(qū)深度（-50、-110、-170、-230 m），在靜力條件下通過計算錦屏磷礦開挖過程中不同采空區(qū)深度下巖體的應(yīng)力與塑性區(qū)分布來分析磷礦開挖過程對將軍崖巖畫區(qū)巖體的擾動機制和影響程度. 模型參數(shù)通過室內(nèi)試驗獲得，具體見表1和表2.

圖4 研究區(qū)數(shù)值模型的縱剖面圖Fig.4 Longitudinal section of numerical model in the study area

表1 研究區(qū)巖體的物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock mass in the study area

表2 研究區(qū)巖體的結(jié)構(gòu)面物理力學參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of structural plane of rock mass in the study area

2.2 不同采空區(qū)深度下研究區(qū)巖體的應(yīng)力分析

從圖5可以看出，隨著采空區(qū)深度的增加，最小主應(yīng)力逐漸在采空區(qū)頂板邊界處集中，從巖體邊界到頂板坡體內(nèi)，最小主應(yīng)力呈擴散趨勢，在頂板坡體中，最小主應(yīng)力與坡面近于平行. 最小主應(yīng)力的最大值主要位于模型底部，最小主應(yīng)力隨著地層深度的變淺而減小，并在采空區(qū)底部附近趨于零，再往上則處于拉應(yīng)力狀態(tài). 拉應(yīng)力區(qū)首先出現(xiàn)在采空區(qū)頂板邊界處并呈現(xiàn)斷續(xù)狀態(tài). 隨著采空區(qū)深度的增加，拉應(yīng)力區(qū)逐漸變得連續(xù)并不斷向采空區(qū)頂板后方延伸擴大到達巖畫區(qū)，然后穿過巖畫區(qū)繼續(xù)向后方擴展. 當采空區(qū)深度為-230 m 時，拉應(yīng)力區(qū)最終到達巖畫區(qū)后約80 m 處. 開挖過程中，最大拉應(yīng)力值隨著采空區(qū)深度的增加而增加；當采空區(qū)深度為-50 m時，最大拉應(yīng)力為0.46 MPa；當采空區(qū)深度為-110 m時，最大拉應(yīng)力為0.99 MPa；當采空區(qū)深度為-170 m時，最大拉應(yīng)力為1.25 MPa；當采空區(qū)深度為-230 m時，最大拉應(yīng)力增大到1.90 MPa；且從采空區(qū)深度為-170 m開始，巖畫區(qū)巖體的拉應(yīng)力近于最大值，此時，拉應(yīng)力已經(jīng)超過節(jié)理面的抗拉強度.

圖5 不同采空區(qū)深度下研究區(qū)巖體的最小主應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.5 Nephogram of minimum principal stress of rock mass in the study area under different goaf depths（unit：Pa）

從圖6可以看出，剪應(yīng)力主要集中在采空區(qū)坡腳處，隨著采空區(qū)深度增加，剪應(yīng)力區(qū)不斷向采空區(qū)兩側(cè)的坡體內(nèi)延伸并到達巖畫區(qū)，然后穿過巖畫區(qū)繼續(xù)向后方擴展. 最大剪應(yīng)力始終位于采空區(qū)頂板坡腳處，且隨著采空區(qū)深度的增大，最大剪應(yīng)力也不斷增大. 當采空區(qū)深度為-50 m時，最大剪應(yīng)力只有1.31 MPa，剪應(yīng)力區(qū)僅限于開挖邊界處；當采空區(qū)深度為-110 m時，最大剪應(yīng)力為4.14 MPa，增加了2.83 MPa，剪應(yīng)力區(qū)擴展到巖畫區(qū)的西南邊界；當采空區(qū)深度為-170 m 時，最大剪應(yīng)力為5.71 MPa，剪應(yīng)力區(qū)覆蓋了大部分巖畫區(qū)，此時巖畫區(qū)巖體的最大剪應(yīng)力為1 MPa；當采空區(qū)深度為-230 m時，頂板坡腳處的最大剪應(yīng)力為6.15 MPa，剪應(yīng)力區(qū)穿過巖畫區(qū)繼續(xù)向后方擴展，此時巖畫區(qū)巖體的最大剪應(yīng)力約為1.4 MPa.

圖6 不同采空區(qū)深度下研究區(qū)巖體的剪應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.6 Shear stress nephogram of rock mass in the study area under different goaf depths（unit：Pa）

2.3 不同采空區(qū)深度下研究區(qū)巖體的塑性區(qū)分析

從圖7可以看出，整個開采過程中，采空區(qū)頂板和底板整體上處于彈性變形狀態(tài)，只有局部出現(xiàn)塑性屈服區(qū). 塑性屈服區(qū)包括剪切屈服區(qū)和受拉屈服區(qū)，剪切屈服區(qū)主要出現(xiàn)在采空區(qū)開挖坡腳處，受拉屈服區(qū)則主要出現(xiàn)在采空區(qū)頂板-20 m以內(nèi)的淺地層中. 從分步開挖過程來看，當采空區(qū)深度為-50 m時，只有采空區(qū)頂板坡腳的個別巖體處于剪切屈服狀態(tài)，其他區(qū)域則處于彈性狀態(tài)；當采空區(qū)深度為-110 m時，剪切屈服區(qū)在采空區(qū)頂板坡腳處橫向擴展，坡腳巖體已大部分處于剪切屈服狀態(tài)，縱向擴展不明顯，1號監(jiān)測點附近的頂板邊界表面出現(xiàn)了零星受拉屈服區(qū)；當采空區(qū)深度為-170 m時，剪切屈服區(qū)在采空區(qū)頂板坡腳處向上擴展明顯，巖畫區(qū)周圍淺地表出現(xiàn)明顯的受拉屈服區(qū)，部分受拉屈服區(qū)覆蓋到巖畫區(qū)，但深度不超過10 m；當采空區(qū)深度為-230 m時，采空區(qū)底板坡腳處也出現(xiàn)剪切屈服區(qū)，但范圍不大，頂板坡腳處剪切屈服區(qū)繼續(xù)沿開挖邊界向外發(fā)展，頂板淺地表受拉屈服區(qū)范圍繼續(xù)擴大，基本覆蓋了頂板邊界和巖畫區(qū)淺地表，最深約在地表下20 m左右. 在模型計算過程中發(fā)現(xiàn)，塑性屈服區(qū)多沿節(jié)理面開始出現(xiàn)，并沿節(jié)理面向周圍擴展. 因為節(jié)理面的強度相較于巖石小得多，所以巖體在受到剪切力和拉張力時，節(jié)理面首先會屈服開裂，張開成縫.

圖7 不同采空區(qū)深度下研究區(qū)巖體的塑性云圖（單位：Pa）Fig.7 Plastic nephogram of rock mass in the study area under different goaf depths（unit：Pa）

根據(jù)資料可知，錦屏磷礦在1984年初實測的裂縫邊界距離采空區(qū)的水平投影距離約為240 m，反算上盤裂隙邊界角約為57°. 本次實測的采空塌陷區(qū)反算上盤裂隙邊界角比57°略小是因為在實測過程中會存在一些已經(jīng)破壞但是裂縫開口較小難以發(fā)現(xiàn)的情況. 本次數(shù)值模擬是根據(jù)采空區(qū)深度為-230 m時所得到的受拉屈服區(qū)邊界與采空區(qū)上盤坡腳連線來反算上盤裂隙邊界角的，計算結(jié)果約為58°，這個結(jié)果與利用摩爾庫倫破壞準則中破壞面方向與主應(yīng)力方向夾角計算的結(jié)果較為接近，可見模擬計算所得的反算上盤裂隙邊界角與實測值基本一致，這也證明了本次模擬計算的合理性.

3 將軍崖巖畫區(qū)巖體的開裂預測

圖8a是巖石蠕變作用下20年后研究區(qū)巖體的總位移云圖. 從圖8a可以看出，整個頂板持續(xù)向采空區(qū)傾倒，邊界位置的傾倒位移已增大至51 cm，巖畫區(qū)巖體的傾倒總位移在14～25 cm之間. 從圖8b可以看出，整個采空區(qū)頂板的巖體開裂情況在不斷惡化，裂隙也在不斷拓寬加深. 模擬計算結(jié)果顯示，20 年后巖畫區(qū)巖體的最大裂隙寬度約為6 cm，最大裂隙深度約為50 m.

圖8 20年后研究區(qū)巖體的位移云圖（單位：m）Fig.8 Displacement nephogram of rock mass in the study area after 20 years（unit：m）

圖9 是20 年后巖畫區(qū)東西邊界3 號和5 號監(jiān)測點的位移差曲線. 從圖9可以明顯看出，總位移差增長明顯，各分向上，無論是水平位移差還是豎向位移差都在持續(xù)變大，其中，Z向水平位移差對巖體拉裂作用的影響最大，其曲線斜率隨時間的延長逐漸變大，說明巖體的水平拉裂速度逐漸加快；Y向豎直位移差和X向水平位移差隨著時間的延長也略有增大. 從數(shù)值上來看，巖畫區(qū)巖體的總位移差由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，最大裂隙寬度由3 cm 增大到6 cm左右，說明20年后將軍崖巖畫區(qū)巖體的開裂程度加劇.

圖9 20年后將軍崖巖畫區(qū)東西邊界3號和5號監(jiān)測點的位移差曲線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

將軍崖巖畫區(qū)巖體裂隙發(fā)育的過程可概括為：首先在磷礦開挖過程中，巖畫區(qū)巖體節(jié)理面出現(xiàn)受拉屈服，產(chǎn)生1～2 mm的微裂隙；隨后在20年巖石蠕變作用下，裂隙因繼續(xù)受拉增大到6 cm左右. 因為巖體節(jié)理面的黏結(jié)力不足以抵抗巖體傾倒所產(chǎn)生的拉張力，所以裂隙多為沿節(jié)理面發(fā)生的繼發(fā)性張裂，然后再加上風化作用、雨水沖蝕等因素的相互疊加、相互影響，最終加快了巖體變形破壞的速度. 從數(shù)值模擬結(jié)果來看，目前采空區(qū)頂板巖體整體上是穩(wěn)定的，不會產(chǎn)生整體陷落垮塌，但是由于受到巖石蠕變作用以及采空區(qū)塌陷影響，頂板巖體會繼續(xù)向采空區(qū)傾倒變形，巖畫區(qū)巖體也會繼續(xù)受拉開裂，因此20年后將軍崖巖畫區(qū)巖體的開裂程度將會加劇.

4 結(jié)論

在現(xiàn)場調(diào)查將軍崖巖畫區(qū)巖體開裂情況的基礎(chǔ)上，運用離散元軟件3DEC模擬了磷礦開挖對將軍崖巖畫區(qū)巖體的應(yīng)力場、塑性區(qū)和裂隙開展情況的影響，同時分析了磷礦開挖過程對采空區(qū)頂板傾倒變形和巖畫區(qū)巖體開裂破壞的影響機制和程度，得出結(jié)論如下：

1）磷礦開挖過程中，采空區(qū)頂板巖體因應(yīng)力場變化產(chǎn)生表生改造變形并持續(xù)傾倒下沉，巖畫區(qū)巖體出現(xiàn)拉應(yīng)力集中. 隨著采空區(qū)深度的增加，拉應(yīng)力區(qū)相互連接并不斷向后方延伸，導致巖體節(jié)理面受拉開裂，產(chǎn)生裂隙.

2）采空區(qū)頂板坡腳處以剪切屈服破壞為主，隨著采空區(qū)深度增加，剪應(yīng)力區(qū)不斷向采空區(qū)兩側(cè)坡體延伸并不斷向后方擴展，導致巖畫區(qū)巖體不斷開裂. 塑性屈服區(qū)多沿節(jié)理面開始出現(xiàn)，并沿節(jié)理面向周圍擴展. 因為節(jié)理面強度遠小于巖石強度，所以巖體在受到剪切力和拉張力時，節(jié)理面首先會屈服開裂，張開成縫.

3）目前采空區(qū)頂板整體上是穩(wěn)定的，不會產(chǎn)生整體陷落垮塌，但是在巖石蠕變作用以及采空塌陷影響下，頂板巖體會不斷向采空區(qū)傾倒變形，巖畫區(qū)巖體裂隙數(shù)量會繼續(xù)增多、裂隙長度會繼續(xù)增大并連接貫通. 因此，預測20年后將軍崖巖畫區(qū)巖體的破裂程度會進一步加劇.