碳硅泥巖型鈾礦床鉆孔水力開采相似律及相似材料研究

王偉，張德全，劉學(xué)寧，張煜暉，李桂峰，寇子順，聞磊，許鳳廷

(1.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

碳硅泥巖型鈾礦床為中國(guó)四大基本類型鈾礦床之一[1]。在已探明的大多數(shù)碳硅泥巖型鈾礦床中，礦石鈾品位高，礦體相對(duì)較厚，具有較大的工業(yè)開采價(jià)值[2]。但部分已探明的碳硅泥巖型鈾礦床具有低強(qiáng)度、弱粘結(jié)性、礦化垂幅較深[3-4]、遇水易軟化的特性，常規(guī)的地下巷道等采礦方法不易實(shí)施。

鉆孔水力開采是一種基于鉆孔技術(shù)和水力學(xué)原理的礦產(chǎn)開采方法，其開采深度大、鉆孔孔徑小[5]，可有效避免由軟弱巖層的大范圍開挖引起的坍塌，可降低鈾等放射性資源開采過(guò)程中的輻射危害。雖然鉆孔水力開采在其他礦床資源開采中得到了很好的發(fā)展與應(yīng)用[6-7]，但在工程地質(zhì)條件比較特殊的碳硅泥巖型鈾礦開采中還未見(jiàn)有應(yīng)用。根據(jù)二連盆地某碳硅泥巖型鈾礦床的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，在模型試驗(yàn)相似理論基礎(chǔ)上，首次研究碳硅泥巖型鈾礦床鉆孔水力開采試驗(yàn)相似律及相似條件。

1 鉆孔水力開采模型相似率研究

1.1 礦床地質(zhì)狀況

二連盆地某鈾礦床[8]地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層產(chǎn)狀平緩，屬于軟弱巖層為主的層狀礦床。賦礦層分為上下兩段，下段是主含礦層位，其鉆孔揭遇地層厚度10～79 m，平均56 m。礦床周邊薄、中間厚。原狀巖石以泥巖為主，灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖分別占60.9%、26.9%和12.2%，并且富含高嶺石、蒙脫石、伊利石等弱膨脹性黏土，遇水易軟化。水位埋深3～50 m。賦礦層同時(shí)下伏和上覆封閉的硅質(zhì)板巖、泥巖或泥灰?guī)r，有穩(wěn)定的隔水底板與頂板。賦礦層巖心樣品的物理、力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1賦礦層巖心物理、力學(xué)性質(zhì)

1.2 鉆孔水力開采模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則

在利用相似三定理指導(dǎo)模型試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)滿足主要因素相似、次要因素近似相似、影響小的因素忽略不計(jì)條件，在此基礎(chǔ)上選擇獨(dú)立的物理量，建立相似準(zhǔn)則[9]。影響碳硅泥巖型鈾礦床鉆孔水力開采的主要獨(dú)立物理量有水槍噴頭結(jié)構(gòu)、高壓水射流性能、礦巖性質(zhì)、氣舉裝置礦漿提升效率等。在鉆孔水力開采過(guò)程中，只有保證高壓水射流高效破碎賦礦巖層并形成易提升的礦漿，才能保證工藝流程的順利進(jìn)行，因此，為簡(jiǎn)化模型試驗(yàn)，只對(duì)高壓水射流破碎賦礦巖層的可行性進(jìn)行研究。

關(guān)于鉆孔水力開采效果，目前沒(méi)有統(tǒng)一的衡量指標(biāo)。本研究定義破碎效率(c)為衡量水力開采可行性的關(guān)鍵指標(biāo)，并將破碎效率作為模型試驗(yàn)的因變量，其他均是自變量。通過(guò)分析，得出碳硅泥巖型鈾礦床鉆孔水力開采各獨(dú)立物理量，見(jiàn)表2。

表2試驗(yàn)中各獨(dú)立物理量、物理意義及量綱

破碎效率(c)是上述各自變量的函數(shù)：

c=f(p，υ，R，t，l，d，ω，ρ，σ，kw)

(1)

自變量的基本量綱有3個(gè)，即L、M、T。取p、υ和R為基本量，按照π定理及量綱分析法，求得下列量綱一的量的相似參數(shù)：

(2)

再加上kw這個(gè)量綱一的量，根據(jù)π定理及相似原理，這些量綱的量組成下列方程：

(3)

式(3)右邊有控制水力開采破碎效率的7個(gè)相似參數(shù)，它們各自代表不同的物理意義：①tυ/R反映水力開采時(shí)間參數(shù)相似原則，即模型試驗(yàn)中水力開采時(shí)間參數(shù)的選擇由所選水射流速度和鉆孔半徑(初始開采半徑)決定，并與高壓水射流速度和鉆孔半徑之比成反比；②l/R、d/R反映水槍結(jié)構(gòu)尺寸和鉆孔尺寸應(yīng)遵循的幾何相似準(zhǔn)則，即模型和原型各幾何參數(shù)應(yīng)按相同比例縮小或放大，是選擇模型尺寸的依據(jù)；③ωR/υ代表水槍水平擺動(dòng)角速度與高壓水射流速度的比例關(guān)系，如模型采用較高的水射流速度，就需增加水槍水平擺動(dòng)角速度；④σ/p、ρ/pυ-2反映水射流性能和巖石的匹配關(guān)系，水射流性能的選取應(yīng)根據(jù)被開采介質(zhì)的強(qiáng)度和密度進(jìn)行調(diào)節(jié)；⑤kw表明原巖與相似材料的配比關(guān)系，表明相似材料的軟化系數(shù)應(yīng)根據(jù)原巖變化而變化，這是相似材料配比的選擇依據(jù)。若要求模型試驗(yàn)的破碎效率與原型破碎效率相等，只需要模型與原型的7個(gè)相似參數(shù)分別相等。

2 鉆孔水力開采模型試驗(yàn)相似條件

根據(jù)二連盆地某碳硅泥巖型鈾礦床鉆孔水力開采現(xiàn)狀，參考水射流實(shí)際應(yīng)用和研究結(jié)果，確定初步原型試驗(yàn)方案。方案設(shè)計(jì)鉆孔孔徑310 mm，孔深250～300 m，水槍噴嘴距離礦層水平距離(初始靶距)5～8 cm；在水槍噴頭處用偏心鉆頭式擴(kuò)徑器局部擴(kuò)徑以達(dá)到水力開采所需孔徑；采用離心泵供給壓力水，初始?jí)毫?泵壓)30～50 MPa[10]，流量5～12 m3/h，空壓機(jī)氣壓為3.2 MPa；采用高壓水射流破碎礦層，并在孔底形成流動(dòng)狀態(tài)礦漿，然后由下入鉆孔內(nèi)的氣力或水力提升設(shè)備將礦漿輸送至地面[11-12]。鉆孔水力采礦機(jī)理如圖1所示。

圖1鉆孔水力采礦機(jī)理示意

2.1 模型試驗(yàn)幾何及邊界條件相似

根據(jù)礦層區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、巖性特征和原型試驗(yàn)方案，確定原型的幾何條件和邊界條件為：①賦礦層上部隔水層底板穩(wěn)定，開采過(guò)程溶浸液不易漏失，礦層開采之后對(duì)上部巖層擾動(dòng)較小；②水槍噴嘴距離礦層水平距離(初始靶距)為5～8 cm。

高壓水射流壓力通常為幾十個(gè)MPa[13]，而賦礦層上部自重對(duì)礦層產(chǎn)生的應(yīng)力僅為幾個(gè)MPa，并且賦礦層上部巖層鉆孔孔徑較小，其對(duì)巖層穩(wěn)定性影響較小。因此，巖體自重產(chǎn)生的應(yīng)力荷載對(duì)高壓水射流破碎巖層過(guò)程的影響可以忽略不計(jì)。

模型試驗(yàn)采用河北銳迅水射流技術(shù)開發(fā)有限公司提供的水射流設(shè)備，該設(shè)備的規(guī)格與原型試驗(yàn)方案中的水射流設(shè)備高度一致。模型試驗(yàn)中采用QZ-5020旋轉(zhuǎn)式水槍噴頭，噴頭長(zhǎng)度(l) 8 mm，內(nèi)徑(d) 3 mm。

由于賦礦層在水平方向上的巖性相對(duì)穩(wěn)定，因此可視為在無(wú)限巖體進(jìn)行水力開采。射流速度對(duì)應(yīng)力波的影響非常顯著，當(dāng)射流速度低于850 m/s時(shí)，試樣上無(wú)明顯應(yīng)力波發(fā)生[14-15]。本次試驗(yàn)采用的水射流速度(250 m/s)遠(yuǎn)小于上述界限值，可認(rèn)為水射流破碎礦層過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖層中的傳播、反射等影響可以忽略不計(jì)。采用100 cm×100 cm×100 cm的模型作為被開采介質(zhì)可滿足試驗(yàn)幾何及邊界條件相似的要求。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

1—1 m3混凝土模型；2—底座；3—砂漿導(dǎo)流槽；4—砂漿收集區(qū)。圖2 混凝土模型

因原型試驗(yàn)與模型試驗(yàn)在幾何及邊界條件上具有高度的一致性，因此原型與模型的幾何相似比CL=1，即

(4)

2.2 模型試驗(yàn)的水射流荷載相似

鉆孔水力開采裝置主要由破碎裝置和提升裝置兩部分組成。模型試驗(yàn)采用的水射流裝置主機(jī)(壓力泵)型號(hào)為QSM-5-30-B-F，屬于液壓驅(qū)動(dòng)型水切割機(jī)；水槍噴頭型號(hào)為QZ-5020的旋轉(zhuǎn)式噴頭。高壓水通過(guò)噴嘴內(nèi)孔橫截面的收縮將壓力能聚集起來(lái)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并通過(guò)調(diào)整主機(jī)壓力泵的壓力改變水槍噴嘴處的流速[16]。模型試驗(yàn)采用的水射流裝置主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3模型試驗(yàn)水射流裝置主要性能指標(biāo)

高壓水射流作用下，巖石破碎是在射流沖擊載荷大于巖石抗壓、抗拉強(qiáng)度時(shí)，各微裂紋和孔隙增壓到臨界破壞狀態(tài)，隨后這些裂紋擴(kuò)展和連通，導(dǎo)致最終產(chǎn)生宏觀破壞[17]，高壓水射荷載流破碎賦礦巖層示意如圖3所示。

模型試驗(yàn)采用水射流設(shè)備作為荷載源裝置，通過(guò)調(diào)整離心泵泵壓，改變水槍噴嘴處高壓水射流的流速，進(jìn)而調(diào)整模型試驗(yàn)的荷載源。泵壓和噴嘴出口速度簡(jiǎn)化公式為[18]：

圖3高壓水射荷載流破碎賦礦巖層

(5)

式(5)中，p為噴嘴入口前流體壓力，MPa。對(duì)式(5)整理可得

(6)

(7)

為了便于比較和分析，式(7)變換為相似常數(shù)的表達(dá)形式，即

(8)

因原型與模型的水射流性能相近，故υm≈υp。根據(jù)式(8)，若要Cb=1，則需原型與模型的水槍水平擺動(dòng)角速度(ω)調(diào)整為相近或一致，即ωm=ωp。

根據(jù)υm≈υp，可將控制水力開采時(shí)長(zhǎng)的相似準(zhǔn)則簡(jiǎn)化為相似常數(shù)的表達(dá)形式，即

(9)

式(9)表明模型與原型的水力開采時(shí)間之比應(yīng)按照模型與原型的幾何相似比變化。

3 模型試驗(yàn)的材料相似

3.1 模型試驗(yàn)的相似材料選取原則

由于無(wú)法得到與原狀巖土完全一致的相似材料，故相似材料的選擇在遵循相似材料選取原則的基礎(chǔ)上保證近似相似。相似材料選擇的主要依據(jù)：①相似材料與原型材料的物理、力學(xué)性能相似；②力學(xué)性能穩(wěn)定，不因溫度、濕度的變化而改變；③進(jìn)行荷載加載破壞試驗(yàn)時(shí)，模型試驗(yàn)與原型試驗(yàn)破壞特性有較好的相似性；④試驗(yàn)配比的改變可使模型力學(xué)性能有明顯改變，并且有一定的規(guī)律可循；⑤材料成型容易，試驗(yàn)周期較短。

3.2 模型試驗(yàn)材料選取

由于灰色細(xì)砂巖的強(qiáng)度相對(duì)較高、密度大，其決定了高壓水射流的強(qiáng)度選取，故首先選取灰色細(xì)砂巖為低強(qiáng)度相似材料模擬對(duì)象。相似材料分別選用42.5#普通硅酸鹽水泥、河砂(自然級(jí)配)、細(xì)石膏粉、膨潤(rùn)土(蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在85%～90%)、聚羧酸型高效減水劑，用自來(lái)水拌和，不引入過(guò)量的鹽類與有機(jī)物。采用正交試驗(yàn)法模擬現(xiàn)場(chǎng)原始試樣巖土的物理和力學(xué)特性，最終確定材料配比。制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件(表4、5、6、9中抗壓強(qiáng)度均乘以尺寸換算系數(shù)0.95)來(lái)測(cè)試模型的物理力學(xué)參數(shù)及觀察其浸水后軟化崩解狀態(tài)[19]。

初步相似材料試驗(yàn)以傳統(tǒng)相似材料配比為指導(dǎo)，選取水泥和石膏為膠結(jié)劑、細(xì)河砂為骨料。砂膠質(zhì)量比和水膏質(zhì)量比是控制模型參數(shù)的重要因素。砂與水泥質(zhì)量比選取2∶1和5∶1兩個(gè)水平，選石膏質(zhì)量占砂和水泥質(zhì)量之和的10%和20%兩個(gè)水平。用水量是為保證材料具有一定的和易性，加入重晶石粉保證材料密度更接近試樣巖土密度。相似材料配比方案及初步試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4。

表4砂膠材料用量對(duì)試塊強(qiáng)度的影響

注：為了縮短試驗(yàn)周期，默認(rèn)試塊3 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)到2.0 MPa以上時(shí)滿足試驗(yàn)要求。

從表4可知：以水泥為膠結(jié)劑進(jìn)行試驗(yàn)，砂與水泥質(zhì)量比為2∶1時(shí)，強(qiáng)度滿足要求；而砂與水泥質(zhì)量比達(dá)到5∶1時(shí)，不滿足試驗(yàn)強(qiáng)度要求；砂與水泥質(zhì)量比為3∶1或者4∶1時(shí)，強(qiáng)度是否滿足要求有待進(jìn)一步試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，加入石膏可適當(dāng)提高試塊早期的強(qiáng)度。

碳硅泥巖型鈾礦床遇水易軟化的工程特性是選取水力開采方案的重要依據(jù)，因此重點(diǎn)研究了相似材料的軟化特性。由于A組試驗(yàn)中，試塊在水中均不具有軟化特性，因此，在上述傳統(tǒng)相似材料配比基礎(chǔ)上，以蒙脫石含量較高的膨潤(rùn)土為組料進(jìn)行了B組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5膨潤(rùn)土材料用量對(duì)試塊強(qiáng)度的影響

由表5看出，膨潤(rùn)土的加入使試塊強(qiáng)度有所降低，并且隨加入量增多遇水軟化及崩解速率增大。為了進(jìn)一步確定膨潤(rùn)土的用量對(duì)試塊強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了C組試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表6。

表6膨潤(rùn)土加入量對(duì)試塊強(qiáng)度的影響

在砂、水泥和膨潤(rùn)土質(zhì)量比為2∶1∶1時(shí)，試塊強(qiáng)度、密度及崩解軟化速度都與現(xiàn)場(chǎng)巖芯接近。減水劑對(duì)試塊軟化速率的影響不大，兩類同強(qiáng)度試塊(施加減水劑0.2%和未施加減水劑)遇水軟化速率和崩解效果基本相同。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，最終確定相似材料配比為砂、水泥、膨潤(rùn)土質(zhì)量比為2∶1∶1，減水劑用量為0.2%。最終模型試驗(yàn)相似材料與原型材料的物理力學(xué)參數(shù)及相似常數(shù)見(jiàn)表7。

表7原型材料及模型材料的物理力學(xué)參數(shù)及相似常數(shù)

注：在相似常數(shù)中，σm/σp、(σt)m/(σt)p、(kw)m/(kw)p分別為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和軟化系數(shù)的相似比。

模型試驗(yàn)所得材料與原巖相似，模型材料選取依據(jù)的相似準(zhǔn)則可近似表示為

ρm/ρp≈1；σm/σp≈1；(σt)m/(σt)p≈1；
(kw)m/(kw)p≈1

(10)

實(shí)際應(yīng)用中，完全滿足式(11)往往較為困難，故相似常數(shù)越接近于1，模型相似性越好。

3.3 相似材料各因素極差分析

為進(jìn)一步考察各個(gè)因素對(duì)試塊強(qiáng)度及軟化性能的影響，為其他強(qiáng)度及軟化特性的碳硅泥巖型鈾礦床開采提供有價(jià)值的參考，綜合考慮砂土質(zhì)量比、水泥占比(水泥質(zhì)量占砂與膨潤(rùn)土總質(zhì)量的百分比)、石膏占比(石膏質(zhì)量占砂與膨潤(rùn)土總質(zhì)量的百分比)三因素對(duì)試塊強(qiáng)度及軟化速率的影響，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)方案，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8～9。A因素為砂土比，B因素為水泥占比，C因素為石膏占比。

表8 因素及水平

表9 相似材料L9(33)正交試驗(yàn)結(jié)果

注：水泥標(biāo)號(hào)為32.5#普通硅酸鹽水泥。

表10相似材料正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

續(xù)表10

由表10看出：在試塊養(yǎng)護(hù)前6 d中，相似材料的強(qiáng)度受各因素影響程度由大到小順序?yàn)镃-B-A；隨試塊齡期增加，養(yǎng)護(hù)周期為第9 天時(shí)，低強(qiáng)度相似材料試塊強(qiáng)度在后期受水泥占比影響最大，相似材料的強(qiáng)度受各因素影響程度由大到小順序變?yōu)锽-C-A。試塊浸水后，隨膨潤(rùn)土用量增多，試塊軟化速率逐漸增大；且試塊遇水崩解后，骨料粒徑越小、崩解越徹底。

3.4 水力開采模型試驗(yàn)

以砂、水泥、膨潤(rùn)土質(zhì)量比為2∶1∶1，減水劑0.2%為相似材料制作相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ统叽鐬?00 cm×100 cm×100 cm。依照相似律中水射流荷載相似原則進(jìn)行水力開采試驗(yàn)，模型最終開采效果如圖4所示?？梢钥闯?，開采斷面整齊、平滑，滿足開采要求。

圖4相似模型開采效果

4 結(jié)論

依據(jù)鉆孔水力開采特點(diǎn)并結(jié)合二連盆地某碳硅泥巖型鈾礦床工程地質(zhì)條件，在模型試驗(yàn)相似理論基礎(chǔ)上進(jìn)行了鉆孔水力相似模型研究，得到以下結(jié)論。

1)實(shí)現(xiàn)了模型試驗(yàn)的幾何條件、邊界條件、高壓水射流荷載及材料的相似。

2)配制的相似材料的物理力學(xué)參數(shù)可較好地滿足碳硅泥巖型鈾礦床相似模型試驗(yàn)的要求，最終確定砂、水泥、膨潤(rùn)土質(zhì)量比為2∶1∶1，減水劑用量為0.2%，相似材料的選擇是可行的。

3)隨膨潤(rùn)土用量增多，試塊遇水軟化速率逐漸增大，軟化崩解更為徹底。

4)隨試塊齡期增長(zhǎng)，低強(qiáng)度相似材料單軸抗壓強(qiáng)度由石膏占比起主要控制作用轉(zhuǎn)變?yōu)樗嗾急绕鹬饕刂谱饔?；隨膨潤(rùn)土用量增大，相似材料密度逐漸減小。