松软砂岩型铀矿床相似材料配比试验研究_宋丽霞.pdf

第 卷第期 年月铀矿冶 收稿日期：第一作者简介：宋丽霞（），女，山西运城人，硕士，高级工程师，主要从事铀矿开采相关科研和设计工作。通信作者简介：张德全（），男，河南商丘人，硕士，高级工程师，主要从事铀矿开采相关科研和设计工作。松软砂岩型铀矿床相似材料配比试验研究松软砂岩型铀矿床相似材料配比试验研究宋丽霞，张德全，李秦，张煜晖，秦旭忠，谢国森（核工业北京化工冶金研究院，北京 ）摘要：针对松软砂岩型铀矿床在常规开采过程中存在巷道稳定性差、难以成型的问题，开展巷道开挖支护相似材料配比试验。以细砂、重晶石粉、膨润土、普通硅酸盐水泥为原料，采用正交试验方法，获得了不同配比条件下相似材料的单轴抗压强度、密度、单轴抗拉强度等物理力学参数。研究表明，与矿岩物理力学参数接近的相似材料配比为：灰砂质量比为:，（重晶石粉）:（砂）为，（膨润土）:（砂）为，细砂粒径 ；得到的相似材料的关键指标（密度、单轴抗压强度和单轴抗拉强度）与矿岩比较接近，误差均在之内。相似材料配比试验结果能够满足相似模拟试验要求，研制的松软砂岩相似材料可为开展巷道开挖与支护相似模拟试验提供参考。关键词：松软砂岩型铀矿床；正交试验；相似材料配比中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：部分松软砂岩铀矿床可采用地浸方式进行开采；但大量松软砂岩铀矿床受赋存条件的限制，无法采用地浸方法进行开采，采用常规地下开采是进行松软砂岩开采的有效解决方案之一。松软砂岩属于软岩的一种，矿岩具有松软、散、硬度小的特点，采用常规地下开采工艺面临的首要问题是巷道稳定性差、难以成型。在不具备现场试验的条件下，可通过开展巷道开拓和支护的相似模拟试验，来研究巷道开挖过程围岩的稳定性。相似材料配比试验是开展巷道开拓相似模拟试验的基础。前人针对石灰岩、泥岩开展了有关相似材料力学性能影响因素的研究；针对大型工程模型，开展了相似材料配比的相关试验研究；针对弱膨胀性泥岩，采用正交试验设计，在实验室内开展了泥岩相似模拟材料配比研究 ；研究水泥石膏相似材料，得到水泥石膏材料的相似材料密度、抗压强度和抗拉强度等指标 。针对松软砂岩铀矿床，尚未开展类似研究。因此，笔者根据某松软砂岩铀矿床矿岩的物理力学参数，通过正交设计，开展了松软砂岩相似材料配比试验，测试了不同配比方案相似材料力学参数，旨在得到与矿岩密度、单轴抗压强度和单轴抗拉强度比较接近的相似配比材料，为开展巷道稳定性相似模拟试验奠定研究基础。相似材料配比试验设计 试验方案设计总体试验方案设计见图。试验内容针对松软砂岩的不同配比相似材料，主要进行了单轴抗压试验、自由膨胀率试验、巴西劈裂试验、孔隙率测试试验和密度测试试验。相似材料选取某铀矿床的矿岩岩性主要以泥岩、泥质砂岩或砂质 泥 岩 为 主，矿 岩 的 主 要 物 理 参 数：密 度 ，单轴抗压强度 ，单轴抗拉强度 ，泊松比 ，孔隙率 。对矿岩样品进行 射线衍射试验，采用半定量分析方法，得出矿岩样品中的膨胀性矿物含量在。图相似材料配比试验总体方案 对于开展巷道相似模拟试验而言，最关键的物理力学参数为密度、单轴抗压强度和单轴抗拉强度。对于砂岩一般选择细砂作为细颗粒，水泥或石膏作为胶结材料，用重晶石粉调节密度，用膨胀性材料来调节膨胀性。本次相似材料配比试验选 取 细 砂、重 晶 石 粉、膨 润 土 和 普通硅酸盐 水 泥 作 为 相 似 材 料 配 比 试 验 的 原料，以正 交 试 验 方 法 进 行 不 同 材 料 的 配 比 研究；对不同 配 比 方 案 的 相 似 材 料，开 展 单 轴 抗拉强度、单轴抗压强度、密度、泊松比等物理力学参数测试。第一阶段相似材料配比试验 试验设计“灰”指 普通硅酸盐水泥，“砂”指细砂、重晶石粉、膨润土按比例混合后的混合体；水的质量为试件总质量的 左右。第一阶段相似材料配比试验各组分配比见表。依据正交试验设计方法，相似材料配比试验选择粒 径、（重晶石粉）:（砂）、（膨润土）:（砂）、灰砂质量比个因素，每个因素分为个水平。相似材料配比试验的分组方案见表。表松软砂岩相似材料各组分质量配比 序号细砂粒径（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）灰砂质量比 :表正交试验各组分配比分组 水平试验细砂粒径 细砂粒径 细砂粒径 （重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）灰砂质量比（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）灰砂质量比（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）灰砂质量比 :第期宋丽霞，等：松软砂岩型铀矿床相似材料配比试验研究 试验测试与加载 单轴抗压试验将试样制成 的圆柱形试件（图）。在 小型试验机上开展单轴抗压试验，加载速率为 。图相似材料试件 巴西劈裂试验将试样制成 的圆柱形试件，置于劈裂夹具上，在 小型试验机进行巴西劈裂试验（图），获得相似材料单轴抗拉强度，加载速率为 。孔隙率和密度测试由于相似配比材料的强度较低，且含有膨胀性黏土矿物，测试发现当灰砂质量比小于:后，试件在浸水过程中易崩解，无法直接获得试件孔隙率数据，因此采用研磨烘干间接法进行孔隙率测试，采用量积法进行密度测试。图巴西劈裂试验加载图 自由膨胀率测试当灰砂质量比为:和:时，在膨胀性试验测试中发现矿岩易崩解，无法基于自由膨胀率试验直接测定矿岩膨胀性指标。综合分析后，拟在第二阶段试验中采用 射线衍射试验测定矿岩中的膨胀性矿物成分含量。试验结果组试样的试验结果见表。表第一阶段相似材料配比试验结果 水平试验细砂粒径 灰砂质量比（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）单轴抗压强度 单轴抗拉强度 密度（）孔隙率 :水平试验细砂粒径 灰砂质量比（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）单轴抗压强度 单轴抗拉强度 密度（）孔隙率 :水平试验细砂粒径 灰砂质量比（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）单轴抗压强度 单轴抗拉强度 密度（）孔隙率 :铀矿冶第 卷 因素影响权重分析正交试验数据处理采用极差分析法。表示极差，为每种试验因素不同水平试验数据的最大值与最小值的差。越大表明该试验因素越重要，对试验判别指标影响越显著 。首先计算个因素在个水平（按从小到大排列）下的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、密度和孔隙率的加权和。加权和（）表示第个因素在第个水平下某个物理力学参数所获得的个试验结果的平均值。以粒径第水平（）为例，粒径 对应的单轴抗压强度分别为 、，计算其平均值，得到粒径第水平的加权平均值（）列于表。依此类推，单轴抗拉强度、密度和孔隙率的加权平均值计算结果列于表表。最终求出个因素个水平的极差，从而得出各因素对相似材料物理力学参数的影响权重。表相似材料单轴抗压强度极差分析 水平数单轴抗压强度 细砂粒径灰砂质量比（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）表相似材料单轴抗拉强度极差分析 水平数单轴抗拉强度 细砂粒径灰砂质量比（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）表相似材料密度极差分析 水平数密度（）细砂粒径灰砂质量比（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）表相似材料孔隙率极差分析 水平数孔隙率细砂粒径灰砂质量比（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）由表表可看出：）对相似材料单轴抗压强度而言，影响权重从大到小为灰砂质量比、（重晶石粉）:（砂）、（膨润土）:（砂）、粒径；）对相似材料单轴抗拉强度而言，影响权重从大到小为灰砂质量比、（膨润土）:（砂）、（重晶石粉）:（砂）、粒径；）对相似材料密度而言，影响权重从大到小为（膨润土）:（砂）、灰砂质量比、粒径、（重晶石粉）:（砂）；）对相似材料孔隙率而言，影响权重从大到小为（膨润土）:（砂）、粒径、灰砂质量比、（重晶石粉）:（砂）。第一批相似模型试件极差分析，粒径 水平 的 孔 隙 率 为 ，接 近 矿 岩 孔 隙 率（）。因此第二批次相似材料配比试验选择粒径为 的细砂作为骨料。根据单轴抗压强度结果，灰砂质量比:、:对应的单轴抗压强度分别为 和 ，而矿岩的抗压强度参考值（）介于二者之间。因此，第二批次相似材料配比试验中灰砂质量比为:。抗拉强度与单轴抗压强度的规律相似。第二阶段相似材料配比试验 试验方案设计根据第一批相似模型试件的试验数据，第二第期宋丽霞，等：松软砂岩型铀矿床相似材料配比试验研究批相似材料配比试验选择粒径为 的细砂作为骨料，灰砂质量比为:。（重晶石粉）:（砂）选择、个水平，（膨润土）:（砂）选择、个水平。开展全面试验，分组方案见表。表第二批相似材料配比试验各组分配比分组 序号细砂粒径（重晶石粉）:（砂）（膨润土）:（砂）灰砂质量比 :第二阶段相似材料配比试验结果不同配比相似材料的强度和泊松比离散性相对较小，因此分别用密度和孔隙率作为选择指标。第二阶段相似材料配比试验结果见表。表第二阶段相似材料配比试验结果 序号单轴抗压强度 密度（）单轴抗拉强度 孔隙率 由表可看出，孔隙率受（膨润土）:（砂）影响 规 律 明 显，结 合 射 线 试 验 结 果，（膨润土）:（砂）以为宜，对应的第二批试验试件编号为、。以密度为参考值，优选号和号。编号为试件的孔隙率（）比编号为试件的孔隙率（）更接近矿岩的孔隙率。综合分析确定最终相似材料配比为：灰砂质量比为:，（重晶石粉）:（砂）为，（膨润土）:（砂）为，细砂粒径 。试验结果分析相似材料配比试验所获得的关键物理力学参数与矿岩对比见表。可以看出，两者的关键物理力学参数 单轴抗压强度、单轴抗拉强度和密度的误差均在之内。相似材料配比试验获得的配比参数可以满足下一步松软砂岩型铀矿床巷道开挖与支护相似模拟试验的需要。表 相似材料关键物理力学参数对比 项目单轴抗压强度 密度（）单轴抗拉强度 相似材料 矿岩 误差 结论依据松软砂岩铀矿的矿岩特点，通过因素水平正交试验，最终获得灰砂比为:、（重晶石粉）:（砂）为、（膨润土）:（砂）为、细砂粒径 的相似材料，其关键物理力学参数与松软砂岩型铀矿床的矿岩接近，误差均在之内。研制的松软砂岩相似材料可为开展巷道开挖与支护相似模拟试验提供依据。参考文献：阙为民，王海峰，田时丰，等 我国地浸采铀研究现状与发展铀矿冶，（）：宋丽霞，吴德波，陈梅芳，等砂岩型铀矿特点与采矿方法研究 企业导报，（）：张煜晖，张德全，寇子顺砂岩铀矿床钻孔水力冲采模拟试验研究铀矿冶，（）：赵明生，康强，王园园 石灰岩相似材料力学性能试验研究 矿业研究与开发，（）：铀矿冶第 卷刘伊帅，李昌进，李廷春，等 泥岩相似材料力学性能影响因素的试验研究矿业研究与开发，（）：李光，马凤山，郭捷，等 大尺寸工程模型试验中的相似材料配比试验研究东北大学学报（自然科学版），（）：王君顺 基于正交设计的弱膨胀性泥岩相似材料配比试验 研 究 甘 肃 科 学 学 报，（）：肖杰，刘保国 水泥石膏相似材料配比试验研究岩土工程技术，（）：，（，）：，：:，（）:（），（）:（），：；第期宋丽霞，等：松软砂岩型铀矿床相似材料配比试验研究