某特大型鈾礦床三維立體分區(qū)方案研究

陳軍利，孫剛友，倪玉輝

(中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司，北京 101149)

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)的重要內(nèi)容，直接影響礦井的產(chǎn)能規(guī)劃目標(biāo)和安全生產(chǎn)運(yùn)行。國內(nèi)其他金屬礦山普遍采用劃分井田方式，多礦井獨(dú)立建設(shè)，各礦井再根據(jù)礦床特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)開拓[1-2]。近年來，國內(nèi)礦山行業(yè)技術(shù)人員在礦床井田劃分和分區(qū)開采方面開展了較多的研究和實(shí)踐。孫毅民等對(duì)某礦山改變采礦工藝，實(shí)現(xiàn)縱向分區(qū)開采，提高了礦山生產(chǎn)能力[3]；徐永良針對(duì)馬蓮臺(tái)煤礦從技術(shù)、安全等方面比較分析，確定了礦井采區(qū)劃分及井田開拓設(shè)計(jì)方案[4]；姬文瑞在新街臺(tái)格廟礦區(qū)提出3種井田劃分方法，從礦區(qū)的開發(fā)建設(shè)方式、礦井開采方案、地面工業(yè)場(chǎng)地布置方式及后期投產(chǎn)運(yùn)營等方面進(jìn)行對(duì)比分析，確定了合理的井田劃分方案[5]。任鳳玉等在大北山鐵礦利用臨界散體柱理論確定保護(hù)區(qū)間，將礦體分為3個(gè)采區(qū)協(xié)同開采，最大化提升采礦效率[6]。

某鈾礦床平面走向范圍大，若以國內(nèi)傳統(tǒng)的鈾礦山開拓方案設(shè)計(jì)，則會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)能規(guī)模小、經(jīng)濟(jì)效益差、井建工期長、難度大等問題。對(duì)于該礦床，分區(qū)開拓系統(tǒng)方案選擇的合理性及科學(xué)性對(duì)礦山的整體規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)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[7]。為了使分區(qū)開拓系統(tǒng)獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，針對(duì)該鈾礦床的具體特點(diǎn)開展緩傾斜多層礦體三維立體分區(qū)開拓系統(tǒng)研究，主要研究?jī)?nèi)容包括井田劃分范圍研究、豎向分區(qū)及階段高度研究等。

1 礦床開采技術(shù)條件

該鈾礦床巴音戈壁組上段鈾礦帶總長約5.8 km，寬約1.6 km。礦體底板埋深為186.66～646.40 m，礦體賦存標(biāo)高為1 091.19～642.34 m，單工程礦體厚度為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。

1.1 水文地質(zhì)條件

該礦床屬水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦床[8]，富水性較差。巴音戈壁組上段為主要充水含水層，富水性較強(qiáng)，滲透性較差，補(bǔ)給條件較差，承壓水頭較高，含水層厚度分布規(guī)律性較明顯，隔水頂板和底板穩(wěn)定，厚度較大，水文地質(zhì)邊界較簡(jiǎn)單。礦床屬地下水逕流區(qū)，地下水流向?yàn)楸睎|—南西。礦床地下水化學(xué)類型以Cl-型水為主，水平分帶不明顯，礦化度平均為19.58 g/L，pH為7.46～7.85，呈弱堿性。

1.2 工程地質(zhì)條件

該礦床地表為戈壁沙漠地貌，第四系覆蓋土層較薄，風(fēng)化作用較弱；地層巖性較復(fù)雜，以泥巖、粉砂巖、中粗砂巖為主，呈“泥-砂-泥”互層結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀平緩，RQD值(巖石質(zhì)量指標(biāo))一般為60%～80%，巖石基本質(zhì)量等級(jí)屬于Ⅴ～Ⅱ級(jí)，工程地質(zhì)條件較差。巖石強(qiáng)度軟硬不均，變化較大，遇水軟化，飽和狀態(tài)下巖石的抗壓強(qiáng)度為2.63～98.7 MPa，屬極軟巖～堅(jiān)硬巖。礦床地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層規(guī)模小，局部巖石破碎，發(fā)育交錯(cuò)層理和次生裂隙；含水砂層厚度大、分布廣、儲(chǔ)水量大，地下水具有較大的靜水壓力；飽水砂巖層巖體穩(wěn)定性差，局部地段易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題。礦床工程地質(zhì)條件類型屬于復(fù)雜類型[9]。

2 井田劃分范圍

2.1 按走向長度劃分

結(jié)合礦床資源量、開采技術(shù)條件等因素，確定井田劃分原則為人為境界劃分法。該礦床初步規(guī)劃單礦井生產(chǎn)能力介于煤礦的小型礦井和中型礦井之間，考慮該礦床開采范圍走向長度為3.3 km，參考煤礦小型礦井井田走向長度的劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]，確定走向長度>1.5 km。

按照走向長度將礦床井田平均劃分為2個(gè)，分別是一井和二井，一井的開采范圍為H8～H40勘探線，走向長度約1.7 km，最大寬度約1.5 km；二井的開采范圍為H40～H72勘探線，走向長度約1.7 km，最大寬度約1.6 km。井田劃分情況如圖1所示。

圖1 按礦床走向長度劃分井田平面示意圖

2.2 按井田資源量匹配情況劃分

該礦床資源量大、品位低，需要達(dá)到一定的生產(chǎn)規(guī)模才能保證礦山整體的經(jīng)濟(jì)性。礦山整體開發(fā)思路是一井和二井同時(shí)生產(chǎn)，為了保證2個(gè)礦井的生產(chǎn)均衡和大型設(shè)備維護(hù)檢修便利，井田的劃分還應(yīng)考慮資源量因素。

根據(jù)走向長度均等劃分井田的方案，以H40勘探線作為井田分界線，這種情況下一井對(duì)應(yīng)的資源量比二井對(duì)應(yīng)的資源量多62%。雖然按走向平均劃分井田，在尺寸上2個(gè)井田基本一致；但資源量上存在一定的不均衡性。因此，提出將井田劃分界線向西移動(dòng)到H36勘探線，此時(shí)一井資源量和二井資源量?jī)H相差3%，2個(gè)礦井的資源量均衡程度要遠(yuǎn)高于以H40勘探線為井田劃分界限的情況，有利于生產(chǎn)均衡和運(yùn)營期管理。

綜合以上情況，確定該礦床以H36勘探線為井田劃分界限，H36勘探線以西為一井，H36勘探線以東為二井，一井的開采范圍為H8～H36線，走向長度約1.5 km，最大寬度約1.5 km；二井的開采范圍為H36～H72勘探線，走向長度約1.9 km，最大寬度約1.6 km。井田劃分情況如圖2所示。

圖2 按井田資源量匹配劃分井田平面示意圖

3 豎向分區(qū)及階段高度

3.1 緩傾斜多層礦豎向分區(qū)方案[11]

該礦床有7個(gè)主礦體：14號(hào)礦體埋深為480.76～547.85 m；3號(hào)礦體埋深為298.48～368.12 m；4號(hào)礦體埋深為316.66～345.17 m；5號(hào)礦體埋深為339.26～372.80 m；71號(hào)礦體埋深為414.32～437.87 m；8號(hào)礦體埋深為479.52 m；19號(hào)礦體埋深為479.29～558.25 m?？傮w來看主要礦體的埋深較深，除3、4、5號(hào)主礦體外，其余礦體埋深均大于400 m；豎向標(biāo)高為1 091.19～642.34 m，層狀礦體間距不等，各層礦體空間上分布不均衡。

該礦體為緩傾斜多層狀薄礦體，各層主礦體豎向間距幾米至數(shù)十米不等。這種緩傾斜多層薄礦體的開發(fā)在開采順序、中段劃分、采場(chǎng)生產(chǎn)能力上都存在技術(shù)難度，特別是由于礦體薄、多層分散，在確定礦井生產(chǎn)規(guī)模上受限；礦井若按正常的開采順序由上至下回采，測(cè)算的礦井生產(chǎn)能力較低，規(guī)模效益差。因此，根據(jù)礦床資源量大、品位低的條件和礦體特征分布情況，對(duì)礦井進(jìn)行規(guī)劃分區(qū)，單礦井多采區(qū)同時(shí)回采，可提高礦井的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)礦山的總體產(chǎn)能規(guī)劃目標(biāo)，發(fā)揮礦山規(guī)模效益優(yōu)勢(shì)。

利用3DMine軟件平臺(tái)，建立三維礦床模型，在真三維狀態(tài)下分析礦床模型的空間形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，礦床明顯存在上、下2個(gè)礦體集中群，且礦體集中群間有明顯的空間間隔，可將礦床分為上、下2個(gè)采區(qū)，如圖3所示。

圖3 采區(qū)豎向劃分示意圖

根據(jù)初步確定的豎向分區(qū)方案，在三維狀態(tài)下通過切割XY視角水平動(dòng)態(tài)剖面觀察2個(gè)采區(qū)的最佳分界標(biāo)高；同時(shí)結(jié)合礦體的形態(tài)特征，確定上、下采區(qū)的最佳分界線標(biāo)高為850 m。因此，上部采區(qū)的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4所示。

圖4 采區(qū)劃分界線及標(biāo)高范圍示意圖

3.2 緩傾斜多層礦階段高度比選

該礦床豎向最低標(biāo)高為670 m，最高標(biāo)高為1 030 m，以850 m標(biāo)高作為上、下采區(qū)的分界線，每個(gè)采區(qū)的實(shí)際回采空間高度僅有180 m。結(jié)合各采區(qū)的礦體賦存條件和資源集中分布特點(diǎn)，初步給出3個(gè)階段高度方案，分別為30 m、60 m和90 m。為保證給出的3個(gè)階段高度方案有可比性，擬定各階段方案采用相同的采礦工藝。

階段高度方案比選的總體思路是首先利用3DMine軟件建立數(shù)字化礦體模型和開拓系統(tǒng)井巷工程三維模型，通過軟件地質(zhì)功能模塊計(jì)算不同階段方案對(duì)應(yīng)的階段資源量，并使用軟件實(shí)體體積查詢報(bào)告功能，得到不同階段高度方案對(duì)應(yīng)的井巷模型體積，即階段井巷工程量；然后，計(jì)算階段井巷工程量與階段資源量的比值，得到單位工程量；最后對(duì)比單位工程量選出最優(yōu)的階段高度方案[12-13]。最優(yōu)階段高度計(jì)算公式為

W=V/Q，

(1)

式中：W—單位工程量，m3/t；V—階段井巷工程量，m3；Q—階段資源量，t。

按照公式(1)計(jì)算不同階段高度方案的單位工程量，計(jì)算結(jié)果見表1。根據(jù)單位工程量最低原則，階段高度的最優(yōu)方案是60 m。

表1 階段高度計(jì)算結(jié)果

國內(nèi)金屬礦山開采緩傾斜礦床時(shí)，階段高度普遍為20～35 m。該礦床若選擇30 m作為階段高度，在技術(shù)上是可行的；但本礦床建設(shè)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)高，生產(chǎn)規(guī)模大，在常規(guī)地下開采鈾礦山中屬于特大型礦山規(guī)模，人員素質(zhì)整體水平有保障，會(huì)優(yōu)先選擇先進(jìn)高效的無軌設(shè)備。因此綜合各項(xiàng)影響因素和階段高度優(yōu)選結(jié)果，確定礦床的階段高度為60 m。

4 礦床三維立體分區(qū)

礦床走向長、分布范圍大，礦體呈多層狀分布，在對(duì)礦床進(jìn)行井田劃分、分區(qū)方案及階段高度研究后，明確礦床的總體分區(qū)方式為三維立體分區(qū)開拓。

平面上，按走向長度和資源量分布情況將礦床劃分為2個(gè)井田，以H36勘探線為井田分界線，一井的開采范圍為H8～H36勘探線；二井的開采范圍為H36～H72勘探線。

礦體豎向標(biāo)高范圍為670～1 030 m，根據(jù)礦體埋深和多層礦體集中賦存狀態(tài)，將每個(gè)井田豎向上劃分為2個(gè)采區(qū)，上、下采區(qū)的分界線標(biāo)高為850 m，上部采區(qū)開采標(biāo)高范圍為1 030～850 m，回采空間高度為180 m；下部采區(qū)開采標(biāo)高范圍為850～670 m，回采空間高度為180 m。根據(jù)確定的礦床階段高度(60 m)，可將礦井的階段劃分為670、730、790、850、910、970、1030 m，共計(jì)7個(gè)中段。

5 結(jié)論

1)某鈾礦床資源量大，品位較低；礦體特征為緩傾斜、多層薄礦體。通過對(duì)該礦床平面劃分井田，豎向劃分采區(qū)，實(shí)現(xiàn)三維立體分區(qū)開采，使得兩礦井及各礦井中的上下采區(qū)能夠同時(shí)生產(chǎn)，充分發(fā)揮了礦床資源量和礦體分布特征優(yōu)勢(shì)。多礦井、多采區(qū)同時(shí)生產(chǎn)有利于保障礦井的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)礦山整體的產(chǎn)能規(guī)劃目標(biāo)。

2)綜合走向長度和資源匹配情況，確定以H36勘探線為井田劃分界限，一井的開采范圍為H8～H36勘探線，走向長度約1.5 km，最大寬度約1.5 km；二井的開采范圍為H36～H72勘探線，走向長度約1.9 km，最大寬度約1.6 km。

3)基于3DMine軟件平臺(tái)，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(gè)采區(qū)的合理分界線標(biāo)高為850 m，上部采區(qū)的豎向開采范圍為1 030～850 m，下部采區(qū)的豎向開采范圍為850～670 m，優(yōu)選階段高度為60 m。