某铀矿山分区开采隔离矿柱留设尺寸研究.docx

1、某铀矿山分区开采隔离矿柱留设尺寸研究任赛，程光华（中核第四研究设计工程有限公司.河北石家庄050021）摘要：通过对某铀矿山上下分区同时开采需留设水平隔离矿柱尺寸的影响参数进行分析，应用FLAC3D和正交试验得出分区开采时隔离矿柱留设尺寸与影响参数之间的关系式，用以推测其他铀矿床留设隔离矿柱的安全尺寸。与其他经验公式计算结果的对比表明，正交试验法的计算结果可拳程度高.可以为其他铀矿山分区开采时隔离矿柱留设提供一定的指导。关键词：铀矿山；分区开采；隔离矿柱；经验公式法；正交试验法中图分类号：【）868文献标志码：A文章编号：1000-8063（2017）01-0261-06doi：10.1342

2、6/ki.yky.2017.01.006某铀矿山随开采深度逐渐增加，地质条件逐渐恶化。三维立体分区开采技术为保证上下分区同时开采的安全，需要在上下分区间留设水平隔离矿柱，便于深部采准工程施工，减少上下采区间地应力的相互影响。高志国等人借助FLAC3D数值模拟分析方法，分析了隔离矿柱回采诱发地表变形的规律，并提出回采建议。汪洪涛和隋少飞通过对冬瓜山铜矿隔离矿柱开采方法及稳定性分析,确定隔离矿柱的采场结构参数，实现隔离矿柱的安全高效开采。王晓军等人E基于弹性梁理论，将隔离矿柱简化为均布载荷下两端固定的弹性梁力学模型.推导r其弹性应力解。刘洪磊等人通过对隔离矿柱留设位置、隔离矿柱厚度等因素的研究，分

3、析了留设隔离矿柱对整个采空区应力分布的影响及矿柱自身稳定性，从而保证深部矿体安全高效开采。马崇武等人“通过建立三维有限元弹塑性力学模型，模拟计算了金川二矿区水平矿柱的屈服破坏过程。赵兴东针对谦比希矿留设隔离矿柱实际情况.运用极限平衡分析等理论方法对设计留设的隔离矿柱稳定性进行分析，并应用FLAC3D进行验证，为现场安全生产提供科学依据。党洁等人方对隔离矿柱回采稳定性影响因素进行正交试验分析,确定6个影响因素对其稳定性影响的显著程度，并给出了隔离矿柱回采的结构参数建议值。笔者应用FLAC3D和正交试羚建立隔离矿柱留设尺寸与影响因素之间的数学模型，经验证该数学模型可靠程度高，可以为其他铀矿山分区开

4、采时隔离矿柱留设提供一定的指导。1工程概况某铀矿山矿体埋藏自南向北倾覆,属急倾斜矿床，矿床储虽分布不均。根据矿体集中程度由南向北以0m和280m标高为界分3个台阶分布（上下划分3个采区），其中：上部采区（一采区）储量占13%;中部采区（二采区）储量占22%；下部采区（三采区）储量占65%,矿体3Dmine模型见图102力学模型构建该铀矿山设计采用上向水平分层废石充填法开采，实行上下分区开采，首采分区为280m以下三采区，正式生产后在适当时期进行一采区和二采区的开拓生产，采区内生产按照从上到下开采。物理模型根据矿体的赋存特点及空间位置建立，不考虑过于偏远矿体。上下分区间衔接处留设水平隔离矿柱力学

5、模型见图2。收稿日期：2017-03-23第一作者简介：任赛（1982），男，本科，河北辛集人，工程师，主要研究方向为铀矿山开采设计与研究。300Z一采区Y200ZI00Za0Z-100Z二采区-200ZA-300Z400ZA0096A00S6Aoo6Aoom6A00Z6AGO-6A0006A0068A0088A00Z8A0098-400Z-500Z图1某铀矿山上下分区开采示意图图2上下分区间隔离矿柱模型上部松散充填体对水平隔离矿柱的作用力可以简化为均布载荷.下部松散充填体对水平隔离矿柱的支撑作用可以忽略。因此，该隔离矿柱属于均布载荷下平面梁弯曲问题，构建顶部受均布载荷的两端固定弹性梁力学模型

6、。3隔离矿柱留设尺寸分析隔离矿柱合理尺寸正交试验3.1.1 水平隔离矿柱稳定性影响参数分析岩梁顶部受均布载荷时弹性解的问题已经进行过深入研究，并且得到了精确的解析式。由于岩体的抗压和抗四能力明显强于岩体的抗拉能力，因此.随着不断减小水平隔离矿柱的尺寸，拉应力为主要破坏应力。松散充填体作用下隔离矿柱回采弹性解析解的表达式为:-3工*十%3_3(2+Qq_义(1)史2d2'式中：©矿柱拉应力，MPa；c/上部载荷，kg；一矿柱厚度，m；/隔离矿柱跨度的一半，m;“一岩石的泊松比。通过分析式（1）中的J，隔离矿柱将在顶部两侧位置出现最大拉应力，将其坐标代入等式后得到了隔离矿柱临界平

7、衡等式：2以2q3(2+/z)q叫一“、宁7'2d2=m，22d式中以一岩体抗拉强度折减系数s,岩体抗拉强度；其他物理量同（1）式。从隔离矿柱临界平衡等式得出与其厚度相关的主要参数有：上部载荷q（其中上部载荷与上部充填体高度和矿柱埋深有关）、岩体抗拉强度/以及矿房跨度/，且水平隔离矿柱容易发生拉伸破坏的位置主要为矿柱两端。3.1.2正交试验正交试验采用FLAC3D进行数值模拟。模型除顶部面外添加位移约束,见图3。模型沿走向取一个采场的长度40m.隔离矿柱厚度暂定为15m,其上下方分别为上下中段采空区和充填的松散废石.模拟过程主要考虑水平隔离矿柱的安全性。Rotation:X:0.000

8、Y:0.000Z:0.000Mag.:1Ang,:22.500岩体填填围矿充充FLAC3D3.00Step16698ModelPerspective15:33:47SatJul252015Center:X:7.900计00Y:2.000e+001Z:1.000e+002Dist:5.730e+002ItascaConsultingGroup.Inc.Minneapolis,MNUSA图3正交试验数值模型根据试验和地质报告获得模型中的岩石力学参数，经处理后得到岩体力学参数，见表lo表1岩体力学参数岩石名称密度/(kg-m3)体积模fft/GPa凹切模仙/GPa内縻擦角/（°）黏结Jj/

9、MPa抗拉强度/MPa泊松比围岩25602.8601.8204711.407.00.24矿体26602.8601.8204711.407.00.24充填体18620.1250.118200.030.10.14不同参数对水平隔离矿柱留设尺寸的影响不5水平正交试验，各试验方案见表2。对于每一个同，对选定的4个参数各取5个水平进行4因素正交试验方案，隔离矿柱尺寸逐次减少1m,直至减小到一定尺寸，隔离矿柱拉应力数值超过岩体抗拉强度或塑性区破坏范围较大后，可认为隔离矿柱破坏，这时隔离矿柱尺寸为安全临界高度。表2正交试验模拟方案序号回采跨度/m矿柱埋深,'m充填体高度/m抗拉强度/MPa12400

10、407244004073640040748400407510400407642004077440040784520407946804071048804071144004071244005271344006071444007271544008071644004031744004051844004071944004092044004011根据表2中的正交试验方案分别进行计算，当达到隔离矿柱临界尺寸时停止计算,正交模拟试验结果见表3。表3正交试验结果序号回采跨度/m矿柱埋深/'m充填体高度/m抗拉强度'MPa临界厚度/m1240040742440040763G400407748400

11、40785104004078642004073744004076845204077946804078104880407911440040761244005276134400607714440072771544008078164400403817440040571844004076194400409620440040116为得到各参数与隔离矿柱留设尺寸的函数关系.对表3中正交试验结果进行曲线拟合，得到隔离矿柱临界尺寸与充填体高度、矿柱埋深、回采跨度和抗拉强度之间的关系，见图4,并对其相关系数值进行了计算，见表4。表4隔离矿柱临界厚度与各参数间的关系式关系回归关系式相关系数矿柱厚度回采跨度y=-0

12、.07143x2+1.35714x+1.60.9898矿柱厚度矿柱埋深j=-1.02977X105x24-0.0197x-0.444560.9910矿柱厚度-充填体高度y=0.05x+41.0000矿柱厚度-抗拉强度y=0.5_r+9.5(工<7)»y=6(x>7)1.00003540455055606570758085充填体高度'm图4隔离矿柱临界厚度与各参数间的关系通过分析隔离矿柱临界尺寸与各参数的关系式得到以下结果隔离矿柱临界尺寸与回采跨度、矿柱埋深之间成二次曲线函数关系与充填体高度呈直线增函数关系与抗拉强度在小于7时为线性减函数关系，当抗拉强度大于7时，隔

13、离矿柱临界尺寸与抗拉强度关系不大故矿柱尺寸此时不再随抗拉强度增加而增大.通过表4可知，其相关系数都已经达到0.98以上，具有较高的精度.通过分析,矿柱尺寸与回采跨度、矿柱埋深之间呈二次曲线关系矿柱尺寸与充填体高度、抗拉强度呈一次线性关系，由此建立隔离矿柱临界尺寸与各参数的正交试验法计算公式为：aH+ah+mot+a?，)式中Ct隔离矿柱厚度临界尺寸，mi回采跨度矿柱埋深，mh充填体高度，m；6一岩体抗拉强度'MRxa,a?待定系数.根据表3中的数据采用多元非线性回归求解待定系数解得隔离矿柱临界尺寸正交试验法计算公式为：dc=0.1251：+1.751-2.083X10_5H2+0.02

14、75H+0.031。.仪一5.17&冬7)，G)cU=-0.125lf+1.751,-2.083X10_5H2+0.0275H+0.0Ti8.67&>7)G)3.2隔离矿柱留设尺寸理论分析在设计留设水平隔离矿柱时，关于计算采空区顶板安全厚度的方法有许多种®刀，根据铀矿山实际采用以下2种方法进行计算.321KB.鲁别涅依他公式该公式融入了采空区跨度、岩体强度以及岩体的地质特征等对水平隔离矿柱临界尺寸的影响,同时也融入了矿柱上部疏松充填体的影响，分别计算在隔离矿柱内因松散充填体和自重影响下的受力状态.该计算理论考虑的影响参数与正交试验基本相同，具有较好的可比性.隔离

15、矿柱安全厚度尺寸计算公式如下:K0.25p，；+(p«+800%g)+=98；f=KoK3，(6)(7)式中：d一隔离矿柱安全厚度.m；K一安全系数,取值为3”一岩石密度，2.6t/m3；Z2-采空区跨度，取值为4.3.6.4m；/一在弯曲条件下岩石强度极限.MPa;K(结构削弱系数，一般K°=23,取Ko=3；K.强度安全系数，一般K-=71(),取K=1()；/一岩石单轴抗压强度的(71()%,6.3MPa；g水平隔离矿柱上方的疏松废石对其施加的压力，MPa,其值为1.82MPa。3.2.2平板梁理论计算法该公式假设顶柱为两头稳固的平板梁构造,联合岩石的物理力学特征、结

16、构减弱系数等，由材料力学公式推导出隔离矿柱临界厚度公式。该方法与正交试验时力学模型相同，具有较好的可比性。pl2d=Kp(8)式中0一岩体抗拉强度，7MPa;Z2一采空区跨度，取4.3、6.4ind一隔离矿柱安全厚度，m；K安全系数，取1.2耘一岩石密度，2.6t/m按照现场施工的现实情况，计算某铀矿山水平隔离矿柱临界厚度，结果见表5,从计算结果可以看出正交试验公式法的计算结果与K.R.鲁别涅依他公式和平板梁理论非常接近，可以为该铀矿床在计算留设隔离矿柱安全尺寸时提供-定的指导意义。为安全起见，考虑到爆破振动.在理论计算安全厚度的基础上再加13mo表5水平隔离矿柱安全厚度计算结果序号计算方法0

17、m中段矿柱厚度/m280m中段矿柱厚度/'ni1K.B.鲁别涅依他公式4.87.42平板梁理论计算法4.29.23正交试验法5.68.24结论1) 通过将水平隔离矿柱力学模型简化为均布载荷下两端固定的弹性梁，分析了矿柱内部拉应力的分布情况，确定了与隔离矿柱安全尺寸有关的各参数。并通过正交试验，推导出水平隔离矿柱留设尺寸与采场跨度、埋藏深度、充填体高度、岩体抗拉强度之间的关系式。2) 分别采用K.R.鲁别涅依他公式和平板梁理论对隔离矿柱的临界尺寸进行计算，获得上下分区开采隔离矿柱临界厚度分别为4.8.9.2m；通过正交试验推测公式计算的隔离矿柱安全厚度为5.6.8.2m,与经验公式法计算

18、结果的误差在允许范围内，具有较好的精度。3) 上下采区同时开采留设水平隔离矿柱的稳定性是一个动态过程，应在隔离矿柱应力集中区域安装应力监测、位移监测系统.从而及时掌握矿柱应力、位移的瞬时大小及变化规律。参考文献：口高志国，徐铁军.杜建华.等.保安矿柱回采诱发地表变形规律数值模拟分析J.现代矿业，2013(1):5-18.2汪洪涛.隋少飞.冬瓜山铜矿隔离矿柱开采方法及稳定性分析J.金属矿山,2013(3):9-11.3王晓军，冯萧.赵奎，等.多因素组合影响阶段矿柱上采顶板临界厚度研究口.岩土力学,2013,34(12)：3505-3512.I王晓军.松散介质下阶段水平矿柱采动破断机理及失稳控制研

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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