某鈾礦山分區(qū)開采隔離礦柱留設(shè)尺寸研究.docx

1、某鈾礦山分區(qū)開采隔離礦柱留設(shè)尺寸研究任賽，程光華（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司.河北石家莊050021）摘要：通過對(duì)某鈾礦山上下分區(qū)同時(shí)開采需留設(shè)水平隔離礦柱尺寸的影響參數(shù)進(jìn)行分析，應(yīng)用FLAC3D和正交試驗(yàn)得出分區(qū)開采時(shí)隔離礦柱留設(shè)尺寸與影響參數(shù)之間的關(guān)系式，用以推測其他鈾礦床留設(shè)隔離礦柱的安全尺寸。與其他經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表明，正交試驗(yàn)法的計(jì)算結(jié)果可拳程度高.可以為其他鈾礦山分區(qū)開采時(shí)隔離礦柱留設(shè)提供一定的指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：鈾礦山；分區(qū)開采；隔離礦柱；經(jīng)驗(yàn)公式法；正交試驗(yàn)法中圖分類號(hào)：【）868文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-8063（2017）01-0261-06doi：10.1342

2、6/ki.yky.2017.01.006某鈾礦山隨開采深度逐漸增加，地質(zhì)條件逐漸惡化。三維立體分區(qū)開采技術(shù)為保證上下分區(qū)同時(shí)開采的安全，需要在上下分區(qū)間留設(shè)水平隔離礦柱，便于深部采準(zhǔn)工程施工，減少上下采區(qū)間地應(yīng)力的相互影響。高志國等人借助FLAC3D數(shù)值模擬分析方法，分析了隔離礦柱回采誘發(fā)地表變形的規(guī)律，并提出回采建議。汪洪濤和隋少飛通過對(duì)冬瓜山銅礦隔離礦柱開采方法及穩(wěn)定性分析,確定隔離礦柱的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)隔離礦柱的安全高效開采。王曉軍等人E基于彈性梁理論，將隔離礦柱簡化為均布載荷下兩端固定的彈性梁力學(xué)模型.推導(dǎo)r其彈性應(yīng)力解。劉洪磊等人通過對(duì)隔離礦柱留設(shè)位置、隔離礦柱厚度等因素的研究，分

3、析了留設(shè)隔離礦柱對(duì)整個(gè)采空區(qū)應(yīng)力分布的影響及礦柱自身穩(wěn)定性，從而保證深部礦體安全高效開采。馬崇武等人“通過建立三維有限元彈塑性力學(xué)模型，模擬計(jì)算了金川二礦區(qū)水平礦柱的屈服破壞過程。趙興東針對(duì)謙比希礦留設(shè)隔離礦柱實(shí)際情況.運(yùn)用極限平衡分析等理論方法對(duì)設(shè)計(jì)留設(shè)的隔離礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行驗(yàn)證，為現(xiàn)場安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。黨潔等人方對(duì)隔離礦柱回采穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)分析,確定6個(gè)影響因素對(duì)其穩(wěn)定性影響的顯著程度，并給出了隔離礦柱回采的結(jié)構(gòu)參數(shù)建議值。筆者應(yīng)用FLAC3D和正交試羚建立隔離礦柱留設(shè)尺寸與影響因素之間的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)驗(yàn)證該數(shù)學(xué)模型可靠程度高，可以為其他鈾礦山分區(qū)開

4、采時(shí)隔離礦柱留設(shè)提供一定的指導(dǎo)。1工程概況某鈾礦山礦體埋藏自南向北傾覆,屬急傾斜礦床，礦床儲(chǔ)雖分布不均。根據(jù)礦體集中程度由南向北以0m和280m標(biāo)高為界分3個(gè)臺(tái)階分布（上下劃分3個(gè)采區(qū)），其中：上部采區(qū)（一采區(qū)）儲(chǔ)量占13%;中部采區(qū)（二采區(qū)）儲(chǔ)量占22%；下部采區(qū)（三采區(qū)）儲(chǔ)量占65%,礦體3Dmine模型見圖102力學(xué)模型構(gòu)建該鈾礦山設(shè)計(jì)采用上向水平分層廢石充填法開采，實(shí)行上下分區(qū)開采，首采分區(qū)為280m以下三采區(qū)，正式生產(chǎn)后在適當(dāng)時(shí)期進(jìn)行一采區(qū)和二采區(qū)的開拓生產(chǎn)，采區(qū)內(nèi)生產(chǎn)按照從上到下開采。物理模型根據(jù)礦體的賦存特點(diǎn)及空間位置建立，不考慮過于偏遠(yuǎn)礦體。上下分區(qū)間銜接處留設(shè)水平隔離礦柱力學(xué)

5、模型見圖2。收稿日期：2017-03-23第一作者簡介：任賽（1982），男，本科，河北辛集人，工程師，主要研究方向?yàn)殁櫟V山開采設(shè)計(jì)與研究。300Z一采區(qū)Y200ZI00Za0Z-100Z二采區(qū)-200ZA-300Z400ZA0096A00S6Aoo6Aoom6A00Z6AGO-6A0006A0068A0088A00Z8A0098-400Z-500Z圖1某鈾礦山上下分區(qū)開采示意圖圖2上下分區(qū)間隔離礦柱模型上部松散充填體對(duì)水平隔離礦柱的作用力可以簡化為均布載荷.下部松散充填體對(duì)水平隔離礦柱的支撐作用可以忽略。因此，該隔離礦柱屬于均布載荷下平面梁彎曲問題，構(gòu)建頂部受均布載荷的兩端固定彈性梁力學(xué)模型

6、。3隔離礦柱留設(shè)尺寸分析隔離礦柱合理尺寸正交試驗(yàn)3.1.1 水平隔離礦柱穩(wěn)定性影響參數(shù)分析巖梁頂部受均布載荷時(shí)彈性解的問題已經(jīng)進(jìn)行過深入研究，并且得到了精確的解析式。由于巖體的抗壓和抗四能力明顯強(qiáng)于巖體的抗拉能力，因此.隨著不斷減小水平隔離礦柱的尺寸，拉應(yīng)力為主要破壞應(yīng)力。松散充填體作用下隔離礦柱回采彈性解析解的表達(dá)式為:-3工*十%3_3(2+Qq_義(1)史2d2'式中：©礦柱拉應(yīng)力，MPa；c/上部載荷，kg；一礦柱厚度，m；/隔離礦柱跨度的一半，m;“一巖石的泊松比。通過分析式（1）中的J，隔離礦柱將在頂部兩側(cè)位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，將其坐標(biāo)代入等式后得到了隔離礦柱臨界平

7、衡等式：2以2q3(2+/z)q叫一“、寧7'2d2=m，22d式中以一巖體抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)s,巖體抗拉強(qiáng)度；其他物理量同（1）式。從隔離礦柱臨界平衡等式得出與其厚度相關(guān)的主要參數(shù)有：上部載荷q（其中上部載荷與上部充填體高度和礦柱埋深有關(guān)）、巖體抗拉強(qiáng)度/以及礦房跨度/，且水平隔離礦柱容易發(fā)生拉伸破壞的位置主要為礦柱兩端。3.1.2正交試驗(yàn)正交試驗(yàn)采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬。模型除頂部面外添加位移約束,見圖3。模型沿走向取一個(gè)采場的長度40m.隔離礦柱厚度暫定為15m,其上下方分別為上下中段采空區(qū)和充填的松散廢石.模擬過程主要考慮水平隔離礦柱的安全性。Rotation:X:0.000

8、Y:0.000Z:0.000Mag.:1Ang,:22.500巖體填填圍礦充充FLAC3D3.00Step16698ModelPerspective15:33:47SatJul252015Center:X:7.900計(jì)00Y:2.000e+001Z:1.000e+002Dist:5.730e+002ItascaConsultingGroup.Inc.Minneapolis,MNUSA圖3正交試驗(yàn)數(shù)值模型根據(jù)試驗(yàn)和地質(zhì)報(bào)告獲得模型中的巖石力學(xué)參數(shù)，經(jīng)處理后得到巖體力學(xué)參數(shù)，見表lo表1巖體力學(xué)參數(shù)巖石名稱密度/(kg-m3)體積模fft/GPa凹切模仙/GPa內(nèi)縻擦角/（°）黏結(jié)Jj/

9、MPa抗拉強(qiáng)度/MPa泊松比圍巖25602.8601.8204711.407.00.24礦體26602.8601.8204711.407.00.24充填體18620.1250.118200.030.10.14不同參數(shù)對(duì)水平隔離礦柱留設(shè)尺寸的影響不5水平正交試驗(yàn)，各試驗(yàn)方案見表2。對(duì)于每一個(gè)同，對(duì)選定的4個(gè)參數(shù)各取5個(gè)水平進(jìn)行4因素正交試驗(yàn)方案，隔離礦柱尺寸逐次減少1m,直至減小到一定尺寸，隔離礦柱拉應(yīng)力數(shù)值超過巖體抗拉強(qiáng)度或塑性區(qū)破壞范圍較大后，可認(rèn)為隔離礦柱破壞，這時(shí)隔離礦柱尺寸為安全臨界高度。表2正交試驗(yàn)?zāi)M方案序號(hào)回采跨度/m礦柱埋深,'m充填體高度/m抗拉強(qiáng)度/MPa12400

10、407244004073640040748400407510400407642004077440040784520407946804071048804071144004071244005271344006071444007271544008071644004031744004051844004071944004092044004011根據(jù)表2中的正交試驗(yàn)方案分別進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)達(dá)到隔離礦柱臨界尺寸時(shí)停止計(jì)算,正交模擬試驗(yàn)結(jié)果見表3。表3正交試驗(yàn)結(jié)果序號(hào)回采跨度/m礦柱埋深/'m充填體高度/m抗拉強(qiáng)度'MPa臨界厚度/m1240040742440040763G400407748400

11、40785104004078642004073744004076845204077946804078104880407911440040761244005276134400607714440072771544008078164400403817440040571844004076194400409620440040116為得到各參數(shù)與隔離礦柱留設(shè)尺寸的函數(shù)關(guān)系.對(duì)表3中正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，得到隔離礦柱臨界尺寸與充填體高度、礦柱埋深、回采跨度和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，見圖4,并對(duì)其相關(guān)系數(shù)值進(jìn)行了計(jì)算，見表4。表4隔離礦柱臨界厚度與各參數(shù)間的關(guān)系式關(guān)系回歸關(guān)系式相關(guān)系數(shù)礦柱厚度回采跨度y=-0

12、.07143x2+1.35714x+1.60.9898礦柱厚度礦柱埋深j=-1.02977X105x24-0.0197x-0.444560.9910礦柱厚度-充填體高度y=0.05x+41.0000礦柱厚度-抗拉強(qiáng)度y=0.5_r+9.5(工<7)»y=6(x>7)1.00003540455055606570758085充填體高度'm圖4隔離礦柱臨界厚度與各參數(shù)間的關(guān)系通過分析隔離礦柱臨界尺寸與各參數(shù)的關(guān)系式得到以下結(jié)果隔離礦柱臨界尺寸與回采跨度、礦柱埋深之間成二次曲線函數(shù)關(guān)系與充填體高度呈直線增函數(shù)關(guān)系與抗拉強(qiáng)度在小于7時(shí)為線性減函數(shù)關(guān)系，當(dāng)抗拉強(qiáng)度大于7時(shí)，隔

13、離礦柱臨界尺寸與抗拉強(qiáng)度關(guān)系不大故礦柱尺寸此時(shí)不再隨抗拉強(qiáng)度增加而增大.通過表4可知，其相關(guān)系數(shù)都已經(jīng)達(dá)到0.98以上，具有較高的精度.通過分析,礦柱尺寸與回采跨度、礦柱埋深之間呈二次曲線關(guān)系礦柱尺寸與充填體高度、抗拉強(qiáng)度呈一次線性關(guān)系，由此建立隔離礦柱臨界尺寸與各參數(shù)的正交試驗(yàn)法計(jì)算公式為：aH+ah+mot+a?，)式中Ct隔離礦柱厚度臨界尺寸，mi回采跨度礦柱埋深，mh充填體高度，m；6一巖體抗拉強(qiáng)度'MRxa,a?待定系數(shù).根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)采用多元非線性回歸求解待定系數(shù)解得隔離礦柱臨界尺寸正交試驗(yàn)法計(jì)算公式為：dc=0.1251：+1.751-2.083X10_5H2+0.02

14、75H+0.031。.儀一5.17&冬7)，G)cU=-0.125lf+1.751,-2.083X10_5H2+0.0275H+0.0Ti8.67&>7)G)3.2隔離礦柱留設(shè)尺寸理論分析在設(shè)計(jì)留設(shè)水平隔離礦柱時(shí)，關(guān)于計(jì)算采空區(qū)頂板安全厚度的方法有許多種®刀，根據(jù)鈾礦山實(shí)際采用以下2種方法進(jìn)行計(jì)算.321KB.魯別涅依他公式該公式融入了采空區(qū)跨度、巖體強(qiáng)度以及巖體的地質(zhì)特征等對(duì)水平隔離礦柱臨界尺寸的影響,同時(shí)也融入了礦柱上部疏松充填體的影響，分別計(jì)算在隔離礦柱內(nèi)因松散充填體和自重影響下的受力狀態(tài).該計(jì)算理論考慮的影響參數(shù)與正交試驗(yàn)基本相同，具有較好的可比性.隔離

15、礦柱安全厚度尺寸計(jì)算公式如下:K0.25p，；+(p«+800%g)+=98；f=KoK3，(6)(7)式中：d一隔離礦柱安全厚度.m；K一安全系數(shù),取值為3”一巖石密度，2.6t/m3；Z2-采空區(qū)跨度，取值為4.3.6.4m；/一在彎曲條件下巖石強(qiáng)度極限.MPa;K(結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)，一般K°=23,取Ko=3；K.強(qiáng)度安全系數(shù)，一般K-=71(),取K=1()；/一巖石單軸抗壓強(qiáng)度的(71()%,6.3MPa；g水平隔離礦柱上方的疏松廢石對(duì)其施加的壓力，MPa,其值為1.82MPa。3.2.2平板梁理論計(jì)算法該公式假設(shè)頂柱為兩頭穩(wěn)固的平板梁構(gòu)造,聯(lián)合巖石的物理力學(xué)特征、結(jié)

16、構(gòu)減弱系數(shù)等，由材料力學(xué)公式推導(dǎo)出隔離礦柱臨界厚度公式。該方法與正交試驗(yàn)時(shí)力學(xué)模型相同，具有較好的可比性。pl2d=Kp(8)式中0一巖體抗拉強(qiáng)度，7MPa;Z2一采空區(qū)跨度，取4.3、6.4ind一隔離礦柱安全厚度，m；K安全系數(shù)，取1.2耘一巖石密度，2.6t/m按照現(xiàn)場施工的現(xiàn)實(shí)情況，計(jì)算某鈾礦山水平隔離礦柱臨界厚度，結(jié)果見表5,從計(jì)算結(jié)果可以看出正交試驗(yàn)公式法的計(jì)算結(jié)果與K.R.魯別涅依他公式和平板梁理論非常接近，可以為該鈾礦床在計(jì)算留設(shè)隔離礦柱安全尺寸時(shí)提供-定的指導(dǎo)意義。為安全起見，考慮到爆破振動(dòng).在理論計(jì)算安全厚度的基礎(chǔ)上再加13mo表5水平隔離礦柱安全厚度計(jì)算結(jié)果序號(hào)計(jì)算方法0

17、m中段礦柱厚度/m280m中段礦柱厚度/'ni1K.B.魯別涅依他公式4.87.42平板梁理論計(jì)算法4.29.23正交試驗(yàn)法5.68.24結(jié)論1) 通過將水平隔離礦柱力學(xué)模型簡化為均布載荷下兩端固定的彈性梁，分析了礦柱內(nèi)部拉應(yīng)力的分布情況，確定了與隔離礦柱安全尺寸有關(guān)的各參數(shù)。并通過正交試驗(yàn)，推導(dǎo)出水平隔離礦柱留設(shè)尺寸與采場跨度、埋藏深度、充填體高度、巖體抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系式。2) 分別采用K.R.魯別涅依他公式和平板梁理論對(duì)隔離礦柱的臨界尺寸進(jìn)行計(jì)算，獲得上下分區(qū)開采隔離礦柱臨界厚度分別為4.8.9.2m；通過正交試驗(yàn)推測公式計(jì)算的隔離礦柱安全厚度為5.6.8.2m,與經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算

18、結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)，具有較好的精度。3) 上下采區(qū)同時(shí)開采留設(shè)水平隔離礦柱的穩(wěn)定性是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)在隔離礦柱應(yīng)力集中區(qū)域安裝應(yīng)力監(jiān)測、位移監(jiān)測系統(tǒng).從而及時(shí)掌握礦柱應(yīng)力、位移的瞬時(shí)大小及變化規(guī)律。參考文獻(xiàn)：口高志國，徐鐵軍.杜建華.等.保安礦柱回采誘發(fā)地表變形規(guī)律數(shù)值模擬分析J.現(xiàn)代礦業(yè)，2013(1):5-18.2汪洪濤.隋少飛.冬瓜山銅礦隔離礦柱開采方法及穩(wěn)定性分析J.金屬礦山,2013(3):9-11.3王曉軍，馮蕭.趙奎，等.多因素組合影響階段礦柱上采頂板臨界厚度研究口.巖土力學(xué),2013,34(12)：3505-3512.I王曉軍.松散介質(zhì)下階段水平礦柱采動(dòng)破斷機(jī)理及失穩(wěn)控制研

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22、DrillHoleCUIYu-lu,DUANBoshan,FE1Ziqiong(XinjiangI'ianshanUraniumCo.Ltd*CNNCYining35000,China)Abstract：Takingthewastedrillingfluidfromonein-situleachinguraniumminedrillingprocessinXinjiangastheresearchobjectthroughtheintroductionofdrillingfluidpurificationtechnologycombinedwiththedrillingconstruc

23、tionpurificationofthewastedrillingfluidandtheanalysisofrecyclingeffectofpurifieddrillingfluid,drillingfluidemissionsqucintityisgreatlyreducedanditsenvironmentalpollutionisreducedtoo.Thestudyprovidessometheoreticalfoundationsandpracticalexperiencefortherecyclingofdrillingfluidinsituleachingdrillhole.Keywords:in-situleachingdrillhole；drillingfluid；purification；recycl