碳硅泥岩型铀矿床钻孔水力开采相似律及相似材料研究

王伟，张德全，刘学宁，张煜晖，李桂峰，寇子顺，闻磊，许凤廷

(1.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

碳硅泥岩型铀矿床为中国四大基本类型铀矿床之一[1]。在已探明的大多数碳硅泥岩型铀矿床中，矿石铀品位高，矿体相对较厚，具有较大的工业开采价值[2]。但部分已探明的碳硅泥岩型铀矿床具有低强度、弱粘结性、矿化垂幅较深[3-4]、遇水易软化的特性，常规的地下巷道等采矿方法不易实施。

钻孔水力开采是一种基于钻孔技术和水力学原理的矿产开采方法，其开采深度大、钻孔孔径小[5]，可有效避免由软弱岩层的大范围开挖引起的坍塌，可降低铀等放射性资源开采过程中的辐射危害。虽然钻孔水力开采在其他矿床资源开采中得到了很好的发展与应用[6-7]，但在工程地质条件比较特殊的碳硅泥岩型铀矿开采中还未见有应用。根据二连盆地某碳硅泥岩型铀矿床的工程地质及水文地质条件，在模型试验相似理论基础上，首次研究碳硅泥岩型铀矿床钻孔水力开采试验相似律及相似条件。

1 钻孔水力开采模型相似率研究

1.1 矿床地质状况

二连盆地某铀矿床[8]地质构造简单，地层产状平缓，属于软弱岩层为主的层状矿床。赋矿层分为上下两段，下段是主含矿层位，其钻孔揭遇地层厚度10～79 m，平均56 m。矿床周边薄、中间厚。原状岩石以泥岩为主，灰色泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩分别占60.9%、26.9%和12.2%，并且富含高岭石、蒙脱石、伊利石等弱膨胀性黏土，遇水易软化。水位埋深3～50 m。赋矿层同时下伏和上覆封闭的硅质板岩、泥岩或泥灰岩，有稳定的隔水底板与顶板。赋矿层岩心样品的物理、力学性质见表1。

表1赋矿层岩心物理、力学性质

1.2 钻孔水力开采模型试验相似准则

在利用相似三定理指导模型试验时，应满足主要因素相似、次要因素近似相似、影响小的因素忽略不计条件，在此基础上选择独立的物理量，建立相似准则[9]。影响碳硅泥岩型铀矿床钻孔水力开采的主要独立物理量有水枪喷头结构、高压水射流性能、矿岩性质、气举装置矿浆提升效率等。在钻孔水力开采过程中，只有保证高压水射流高效破碎赋矿岩层并形成易提升的矿浆，才能保证工艺流程的顺利进行，因此，为简化模型试验，只对高压水射流破碎赋矿岩层的可行性进行研究。

关于钻孔水力开采效果，目前没有统一的衡量指标。本研究定义破碎效率(c)为衡量水力开采可行性的关键指标，并将破碎效率作为模型试验的因变量，其他均是自变量。通过分析，得出碳硅泥岩型铀矿床钻孔水力开采各独立物理量，见表2。

表2试验中各独立物理量、物理意义及量纲

破碎效率(c)是上述各自变量的函数：

c=f(p，υ，R，t，l，d，ω，ρ，σ，kw)

(1)

自变量的基本量纲有3个，即L、M、T。取p、υ和R为基本量，按照π定理及量纲分析法，求得下列量纲一的量的相似参数：

(2)

再加上kw这个量纲一的量，根据π定理及相似原理，这些量纲的量组成下列方程：

(3)

式(3)右边有控制水力开采破碎效率的7个相似参数，它们各自代表不同的物理意义：①tυ/R反映水力开采时间参数相似原则，即模型试验中水力开采时间参数的选择由所选水射流速度和钻孔半径(初始开采半径)决定，并与高压水射流速度和钻孔半径之比成反比；②l/R、d/R反映水枪结构尺寸和钻孔尺寸应遵循的几何相似准则，即模型和原型各几何参数应按相同比例缩小或放大，是选择模型尺寸的依据；③ωR/υ代表水枪水平摆动角速度与高压水射流速度的比例关系，如模型采用较高的水射流速度，就需增加水枪水平摆动角速度；④σ/p、ρ/pυ-2反映水射流性能和岩石的匹配关系，水射流性能的选取应根据被开采介质的强度和密度进行调节；⑤kw表明原岩与相似材料的配比关系，表明相似材料的软化系数应根据原岩变化而变化，这是相似材料配比的选择依据。若要求模型试验的破碎效率与原型破碎效率相等，只需要模型与原型的7个相似参数分别相等。

2 钻孔水力开采模型试验相似条件

根据二连盆地某碳硅泥岩型铀矿床钻孔水力开采现状，参考水射流实际应用和研究结果，确定初步原型试验方案。方案设计钻孔孔径310 mm，孔深250～300 m，水枪喷嘴距离矿层水平距离(初始靶距)5～8 cm；在水枪喷头处用偏心钻头式扩径器局部扩径以达到水力开采所需孔径；采用离心泵供给压力水，初始压力(泵压)30～50 MPa[10]，流量5～12 m3/h，空压机气压为3.2 MPa；采用高压水射流破碎矿层，并在孔底形成流动状态矿浆，然后由下入钻孔内的气力或水力提升设备将矿浆输送至地面[11-12]。钻孔水力采矿机理如图1所示。

图1钻孔水力采矿机理示意

2.1 模型试验几何及边界条件相似

根据矿层区域地质构造、岩性特征和原型试验方案，确定原型的几何条件和边界条件为：①赋矿层上部隔水层底板稳定，开采过程溶浸液不易漏失，矿层开采之后对上部岩层扰动较小；②水枪喷嘴距离矿层水平距离(初始靶距)为5～8 cm。

高压水射流压力通常为几十个MPa[13]，而赋矿层上部自重对矿层产生的应力仅为几个MPa，并且赋矿层上部岩层钻孔孔径较小，其对岩层稳定性影响较小。因此，岩体自重产生的应力荷载对高压水射流破碎岩层过程的影响可以忽略不计。

模型试验采用河北锐迅水射流技术开发有限公司提供的水射流设备，该设备的规格与原型试验方案中的水射流设备高度一致。模型试验中采用QZ-5020旋转式水枪喷头，喷头长度(l) 8 mm，内径(d) 3 mm。

由于赋矿层在水平方向上的岩性相对稳定，因此可视为在无限岩体进行水力开采。射流速度对应力波的影响非常显著，当射流速度低于850 m/s时，试样上无明显应力波发生[14-15]。本次试验采用的水射流速度(250 m/s)远小于上述界限值，可认为水射流破碎矿层过程中产生的应力波在岩层中的传播、反射等影响可以忽略不计。采用100 cm×100 cm×100 cm的模型作为被开采介质可满足试验几何及边界条件相似的要求。试验模型如图2所示。

1—1 m3混凝土模型；2—底座；3—砂浆导流槽；4—砂浆收集区。图2 混凝土模型

因原型试验与模型试验在几何及边界条件上具有高度的一致性，因此原型与模型的几何相似比CL=1，即

(4)

2.2 模型试验的水射流荷载相似

钻孔水力开采装置主要由破碎装置和提升装置两部分组成。模型试验采用的水射流装置主机(压力泵)型号为QSM-5-30-B-F，属于液压驱动型水切割机；水枪喷头型号为QZ-5020的旋转式喷头。高压水通过喷嘴内孔横截面的收缩将压力能聚集起来转化为动能，并通过调整主机压力泵的压力改变水枪喷嘴处的流速[16]。模型试验采用的水射流装置主要性能指标见表3。

表3模型试验水射流装置主要性能指标

高压水射流作用下，岩石破碎是在射流冲击载荷大于岩石抗压、抗拉强度时，各微裂纹和孔隙增压到临界破坏状态，随后这些裂纹扩展和连通，导致最终产生宏观破坏[17]，高压水射荷载流破碎赋矿岩层示意如图3所示。

模型试验采用水射流设备作为荷载源装置，通过调整离心泵泵压，改变水枪喷嘴处高压水射流的流速，进而调整模型试验的荷载源。泵压和喷嘴出口速度简化公式为[18]：

图3高压水射荷载流破碎赋矿岩层

(5)

式(5)中，p为喷嘴入口前流体压力，MPa。对式(5)整理可得

(6)

(7)

为了便于比较和分析，式(7)变换为相似常数的表达形式，即

(8)

因原型与模型的水射流性能相近，故υm≈υp。根据式(8)，若要Cb=1，则需原型与模型的水枪水平摆动角速度(ω)调整为相近或一致，即ωm=ωp。

根据υm≈υp，可将控制水力开采时长的相似准则简化为相似常数的表达形式，即

(9)

式(9)表明模型与原型的水力开采时间之比应按照模型与原型的几何相似比变化。

3 模型试验的材料相似

3.1 模型试验的相似材料选取原则

由于无法得到与原状岩土完全一致的相似材料，故相似材料的选择在遵循相似材料选取原则的基础上保证近似相似。相似材料选择的主要依据：①相似材料与原型材料的物理、力学性能相似；②力学性能稳定，不因温度、湿度的变化而改变；③进行荷载加载破坏试验时，模型试验与原型试验破坏特性有较好的相似性；④试验配比的改变可使模型力学性能有明显改变，并且有一定的规律可循；⑤材料成型容易，试验周期较短。

3.2 模型试验材料选取

由于灰色细砂岩的强度相对较高、密度大，其决定了高压水射流的强度选取，故首先选取灰色细砂岩为低强度相似材料模拟对象。相似材料分别选用42.5#普通硅酸盐水泥、河砂(自然级配)、细石膏粉、膨润土(蒙脱石质量分数在85%～90%)、聚羧酸型高效减水剂，用自来水拌和，不引入过量的盐类与有机物。采用正交试验法模拟现场原始试样岩土的物理和力学特性，最终确定材料配比。制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件(表4、5、6、9中抗压强度均乘以尺寸换算系数0.95)来测试模型的物理力学参数及观察其浸水后软化崩解状态[19]。

初步相似材料试验以传统相似材料配比为指导，选取水泥和石膏为胶结剂、细河砂为骨料。砂胶质量比和水膏质量比是控制模型参数的重要因素。砂与水泥质量比选取2∶1和5∶1两个水平，选石膏质量占砂和水泥质量之和的10%和20%两个水平。用水量是为保证材料具有一定的和易性，加入重晶石粉保证材料密度更接近试样岩土密度。相似材料配比方案及初步试验抗压强度见表4。

表4砂胶材料用量对试块强度的影响

注：为了缩短试验周期，默认试块3 d养护强度达到2.0 MPa以上时满足试验要求。

从表4可知：以水泥为胶结剂进行试验，砂与水泥质量比为2∶1时，强度满足要求；而砂与水泥质量比达到5∶1时，不满足试验强度要求；砂与水泥质量比为3∶1或者4∶1时，强度是否满足要求有待进一步试验。由试验结果可知，加入石膏可适当提高试块早期的强度。

碳硅泥岩型铀矿床遇水易软化的工程特性是选取水力开采方案的重要依据，因此重点研究了相似材料的软化特性。由于A组试验中，试块在水中均不具有软化特性，因此，在上述传统相似材料配比基础上，以蒙脱石含量较高的膨润土为组料进行了B组试验。试验结果见表5。

表5膨润土材料用量对试块强度的影响

由表5看出，膨润土的加入使试块强度有所降低，并且随加入量增多遇水软化及崩解速率增大。为了进一步确定膨润土的用量对试块强度的影响，进行了C组试验。结果见表6。

表6膨润土加入量对试块强度的影响

在砂、水泥和膨润土质量比为2∶1∶1时，试块强度、密度及崩解软化速度都与现场岩芯接近。减水剂对试块软化速率的影响不大，两类同强度试块(施加减水剂0.2%和未施加减水剂)遇水软化速率和崩解效果基本相同。根据上述试验结果，最终确定相似材料配比为砂、水泥、膨润土质量比为2∶1∶1，减水剂用量为0.2%。最终模型试验相似材料与原型材料的物理力学参数及相似常数见表7。

表7原型材料及模型材料的物理力学参数及相似常数

注：在相似常数中，σm/σp、(σt)m/(σt)p、(kw)m/(kw)p分别为抗压强度、抗拉强度和软化系数的相似比。

模型试验所得材料与原岩相似，模型材料选取依据的相似准则可近似表示为

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

(10)

实际应用中，完全满足式(11)往往较为困难，故相似常数越接近于1，模型相似性越好。

3.3 相似材料各因素极差分析

为进一步考察各个因素对试块强度及软化性能的影响，为其他强度及软化特性的碳硅泥岩型铀矿床开采提供有价值的参考，综合考虑砂土质量比、水泥占比(水泥质量占砂与膨润土总质量的百分比)、石膏占比(石膏质量占砂与膨润土总质量的百分比)三因素对试块强度及软化速率的影响，设计三因素三水平正交试验方案，试验结果见表8～9。A因素为砂土比，B因素为水泥占比，C因素为石膏占比。

表8 因素及水平

表9 相似材料L9(33)正交试验结果

注：水泥标号为32.5#普通硅酸盐水泥。

表10相似材料正交试验结果极差分析

续表10

由表10看出：在试块养护前6 d中，相似材料的强度受各因素影响程度由大到小顺序为C-B-A；随试块龄期增加，养护周期为第9 天时，低强度相似材料试块强度在后期受水泥占比影响最大，相似材料的强度受各因素影响程度由大到小顺序变为B-C-A。试块浸水后，随膨润土用量增多，试块软化速率逐渐增大；且试块遇水崩解后，骨料粒径越小、崩解越彻底。

3.4 水力开采模型试验

以砂、水泥、膨润土质量比为2∶1∶1，减水剂0.2%为相似材料制作相似试验模型，模型尺寸为100 cm×100 cm×100 cm。依照相似律中水射流荷载相似原则进行水力开采试验，模型最终开采效果如图4所示。可以看出，开采断面整齐、平滑，满足开采要求。

图4相似模型开采效果

4 结论

依据钻孔水力开采特点并结合二连盆地某碳硅泥岩型铀矿床工程地质条件，在模型试验相似理论基础上进行了钻孔水力相似模型研究，得到以下结论。

1)实现了模型试验的几何条件、边界条件、高压水射流荷载及材料的相似。

2)配制的相似材料的物理力学参数可较好地满足碳硅泥岩型铀矿床相似模型试验的要求，最终确定砂、水泥、膨润土质量比为2∶1∶1，减水剂用量为0.2%，相似材料的选择是可行的。

3)随膨润土用量增多，试块遇水软化速率逐渐增大，软化崩解更为彻底。

4)随试块龄期增长，低强度相似材料单轴抗压强度由石膏占比起主要控制作用转变为水泥占比起主要控制作用；随膨润土用量增大，相似材料密度逐渐减小。