某鈾礦床豎向分區(qū)安全穩(wěn)定性研究

孫剛友，程光華，王合祥

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

某緩傾斜多礦層礦床賦存特征復(fù)雜，平面分布范圍大，豎向分布不均，對其進(jìn)行開拓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計一直是研究的難點(diǎn)。在礦床整體開發(fā)規(guī)劃上，開拓系統(tǒng)的合理選擇是礦山建設(shè)的主要內(nèi)容[1-2]。由于礦體為層狀、板狀產(chǎn)出，多層分布不均，礦體厚度薄，傾角小，為了使礦井達(dá)到一定的規(guī)模，可參考其他礦床建設(shè)理念，并根據(jù)礦床特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)開拓，各采區(qū)同時生產(chǎn)。分區(qū)開拓系統(tǒng)方案選擇的合理性、科學(xué)性對礦山的整體規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)效益有著至關(guān)重要的意義。分區(qū)開拓方案要充分考慮礦床的賦存特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注其分區(qū)開拓系統(tǒng)和主要參數(shù)選擇是否合理；分區(qū)參數(shù)的設(shè)置決定了礦山整體建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和安全性[3]。為了分區(qū)開采獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，必須從安全角度對礦床分區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析論證。筆者結(jié)合國內(nèi)外同類型礦床開采技術(shù)進(jìn)展和研究成果，針對某鈾礦床的具體特點(diǎn)，重點(diǎn)開展緩傾斜多層礦體豎向分區(qū)開采安全穩(wěn)定性研究，主要研究內(nèi)容包括豎向分區(qū)方案研究；豎向分區(qū)、同時開采安全穩(wěn)定性研究。

1 開采技術(shù)條件

某鈾礦床巴音戈壁組上段鈾礦帶總長約5.8 km，寬約1.3 km；礦體底板埋深最淺186.66 m，最深646.40 m，賦存標(biāo)高1 091.19～642.34 m。單工程礦體厚度0.48～7.84 m，礦體多呈層狀、板狀產(chǎn)出，礦體傾角較小(一般在3°～5°)，總體向南東緩傾。礦區(qū)工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件均屬復(fù)雜類型。

含礦砂體內(nèi)礦體及圍巖的巖性基本相同，主要為泥質(zhì)膠結(jié)含礫砂巖、夾泥巖、粉砂巖。砂巖結(jié)構(gòu)致密、厚度穩(wěn)定、巖性多變、巖石較完整；上部隔水層巖性以含礫砂質(zhì)粉砂巖為主，巖心完整，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙不發(fā)育，與下部砂巖層層間結(jié)合較好。礦床物理力學(xué)室內(nèi)試驗結(jié)果見表1。

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

2 礦床豎向分區(qū)方案

某礦床主礦體有7個，其他礦體30余個，豎向分布標(biāo)高1 091.19～642.34 m，層狀礦體間距不等，大到幾十米，小到1 m左右，各層礦體空間上分布不均衡，這給礦井規(guī)劃建設(shè)提供了分區(qū)開采的優(yōu)化空間。

利用3DMine軟件平臺，建立整個礦床的三維數(shù)字化礦體模型[4]。通過3DMine平臺自由轉(zhuǎn)動三維模型，可以任意角度查看礦體模型，通過將三維模型在YZ視角切割動態(tài)剖面，可分析礦床在豎向上各層位礦體的空間位置關(guān)系和礦體真實形態(tài)[5]。根據(jù)在三維狀態(tài)下的分析解讀，該礦床存在上、下2個多層礦體集中區(qū)域，且集中區(qū)域間有明顯的空間間隔(即無礦空白區(qū))，因此可將礦床分為上、下2個采區(qū)，如圖1所示。

圖1 采區(qū)豎向劃分示意圖

根據(jù)采區(qū)豎向劃分初步方案，對礦體進(jìn)一步劃分以確定采區(qū)分界線。在三維狀態(tài)下，通過切割XY視角水平動態(tài)剖面觀察2個采區(qū)的最佳分界標(biāo)高；同時結(jié)合礦體的形態(tài)特征，確定上、下2個采區(qū)的最佳分界線標(biāo)高為850 m。因此，上部采區(qū)豎向開采范圍確定為1 030～850 m，下部采區(qū)的豎向開采范圍確定為850～670 m。采區(qū)劃分界線如圖2所示。

圖2 采區(qū)劃分界線及標(biāo)高范圍

3 豎向分區(qū)開采安全穩(wěn)定性分析

礦床為緩薄礦層礦體，主要礦體厚度>1.5 m，選用無軌機(jī)械化房柱采礦法。采場鑿巖選用Rocket Boomer S1 L鑿巖臺車，配置ST-600Lp鏟運(yùn)機(jī)從采場出礦。采場出礦結(jié)束后，利用鏟運(yùn)機(jī)將廢石倒運(yùn)至采場內(nèi)充填。為了使礦床開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)效益，需保證礦床達(dá)到一定的生產(chǎn)規(guī)模。結(jié)合豎向分區(qū)方案，確定該礦床實行上、下2采區(qū)同時開采。由于礦體埋藏深度較大，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，為保證礦山安全、高效開采，減少上、下2部采區(qū)間地應(yīng)力的相互影響，需要開展上、下2采區(qū)同時開采安全穩(wěn)定性分析；以避免上、下2采區(qū)同時進(jìn)行生產(chǎn)活動時，采區(qū)間留設(shè)的水平巖柱發(fā)生破壞，導(dǎo)致上部采區(qū)沒有安全作業(yè)平臺，同時威脅下部采區(qū)的人員與設(shè)備的安全。

3.1 構(gòu)建物理力學(xué)模型

由于該礦床36號剖面礦體最為集中，且各礦體處于水平延伸狀態(tài)，可按平面應(yīng)變進(jìn)行分析。因此，以礦床36號典型剖面為例，構(gòu)建物理力學(xué)模型，圖3為3DMine建立礦體模型的36號剖面圖。根據(jù)礦體的賦存特點(diǎn)及空間位置，忽略過薄和偏遠(yuǎn)的礦體，采用廢石充填法進(jìn)行開采?？紤]到下部礦房采空區(qū)不具有承載作用，所以散體介質(zhì)下水平巖柱穩(wěn)定性屬于局部荷載下梁彎曲問題，其力學(xué)模型可簡化為均布載荷下兩端固定的彈性梁。

圖3 36號剖面示意圖

3.2 豎向分區(qū)間水平巖柱穩(wěn)定性理論計算

K.B.魯別涅依他公式對頂板受力結(jié)構(gòu)方面的考慮比較全面，涉及因素包括巖體強(qiáng)度、空區(qū)跨度、礦柱上部空區(qū)松散充填體質(zhì)量、巖體的地質(zhì)特性及構(gòu)造破壞特性等[6]。根據(jù)力的獨(dú)立作用原則和疊加原理，在礦體處于沿走向延伸狀態(tài)下，把復(fù)雜的三維厚板計算問題簡化為理想的平面彈性力學(xué)問題，計算頂板在自重和松散充填體耦合作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力。計算出不同跨度和厚度下的頂板應(yīng)力，由最大拉應(yīng)力來決定頂板的安全厚度。安全厚度計算公式為

(1)

(2)

式中：d—要求的安全頂柱厚度，m；K—安全系數(shù)；γ2—頂板巖石密度，t/m3；l—采場跨度，m；σb—在彎曲條件下考慮到強(qiáng)度安全系數(shù)K1和結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)K2的巖石強(qiáng)度，MPa，K1=2～3，K2=7～10，σc—巖石單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；g—水平保安礦柱上方的松散礦體對水平礦柱壓力，MPa。

以礦床36號剖面距離最近的上、下分區(qū)的礦體進(jìn)行計算，安全系數(shù)取2，采場跨度為30 m，上部礦體開采厚度為2 m，計算得出礦體間距為42 m

即可保證安全。實測2個分區(qū)間距為125 m，足以保證上下采區(qū)同時開采的安全性。

3.3 豎向分區(qū)間水平巖柱穩(wěn)定性模擬計算

數(shù)值模擬采用3DMine聯(lián)合UDEC建模進(jìn)行模擬計算[7-8]，盡可能地模擬真實的地質(zhì)場景。確定二維模型尺寸為長1 500 m，高736 m，采用平臺4節(jié)點(diǎn)等參單元。模型的邊界條件選取為模型的左、右邊界法向約束；上表面自由，以模擬地表變形；下邊界水平鉸鏈約束，只允許水平方向位移而不產(chǎn)生垂直方向位移?？紤]到礦床的實際情況，合并距離較近的過薄礦體，忽略單獨(dú)的過薄礦體，進(jìn)行礦體簡化，簡化模型如圖4所示。UDEC模型如圖5所示，在進(jìn)行了4 550次計算后，模型達(dá)到了平衡狀態(tài)，可以進(jìn)行模擬計算[9-10]。

圖4 簡化36號剖面模型

圖6為礦體開挖后3個監(jiān)測點(diǎn)的位移變化曲線，在上下分區(qū)礦體開挖后，水平巖柱下部的2個監(jiān)測點(diǎn)位移出現(xiàn)了明顯的快速下降，但最終趨于水平穩(wěn)定，說明水平巖柱沒有因產(chǎn)生破壞而位移無限增大。靠近水平巖柱上部的監(jiān)測點(diǎn)，在礦體開挖后先向上運(yùn)動了一定時間。這是由于其靠近上部采空區(qū)，空區(qū)形成后上部應(yīng)力降低，由于受圍壓的作用而產(chǎn)生向上運(yùn)動的趨勢，最終趨于水平穩(wěn)定。

圖5 UDEC計算模型

圖6 監(jiān)測點(diǎn)位移變化曲線

水平巖柱中心的觀測線下降位移如圖7所示，在下部有礦體開采的部位都出現(xiàn)了明顯下降，其中最大位移為4.62 cm，但對水平巖柱的穩(wěn)定性沒有影響。

圖7 觀測線下沉曲線

4 結(jié)論

1)基于3DMine軟件平臺，建立整個礦床的三維數(shù)字化礦體模型，結(jié)合礦床開采技術(shù)條件和礦體賦存特征，確定上、下2個采區(qū)的最佳分界線標(biāo)高為850 m，上部采區(qū)豎向開采范圍為1 030～850 m，下部采區(qū)的豎向開采范圍為850～670 m。

2)通過將水平保安礦柱力學(xué)模型簡化為均布載荷下兩端固定的彈性梁，采用K.B.魯別涅依他等人的公式對上、下采區(qū)間水平巖柱的臨界厚度進(jìn)行計算，計算得到上、下采區(qū)同時開采的安全間距為42 m。采用UDEC軟件對礦床礦體最為集中的H36剖面水平巖柱穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)水平巖柱的位移情況進(jìn)行分析，礦體的開挖影響地應(yīng)力的二次分布，造成水平巖柱的微量下移，但對水平巖柱的整體穩(wěn)定沒有影響。目前上、下采區(qū)分界水平巖柱的留設(shè)方案可以保證豎向分區(qū)開采的安全，分區(qū)方案設(shè)置合理，為安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。