松軟砂巖型鈾礦床相似材料配比試驗研究

宋麗霞,張德全,李 秦,張煜暉,秦旭忠,謝國森

(核工業北京化工冶金研究院,北京 101149)

部分松軟砂巖鈾礦床可采用地浸方式進行開采[1];但大量松軟砂巖鈾礦床受賦存條件的限制,無法采用地浸方法進行開采,采用常規地下開采是進行松軟砂巖開采的有效解決方案之一[2]。松軟砂巖屬于軟巖的一種,礦巖具有松軟、散、硬度小的特點,采用常規地下開采工藝面臨的首要問題是巷道穩定性差、難以成型[3]。

在不具備現場試驗的條件下,可通過開展巷道開拓和支護的相似模擬試驗,來研究巷道開挖過程圍巖的穩定性。相似材料配比試驗是開展巷道開拓相似模擬試驗的基礎。前人針對石灰巖、泥巖開展了有關相似材料力學性能影響因素的研究[4-5];針對大型工程模型,開展了相似材料配比的相關試驗研究[6];針對弱膨脹性泥巖,采用正交試驗設計,在實驗室內開展了泥巖相似模擬材料配比研究[7]130;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、抗壓強度和抗拉強度等指標[8]89-90。

針對松軟砂巖鈾礦床,尚未開展類似研究。因此,筆者根據某松軟砂巖鈾礦床礦巖的物理力學參數,通過正交設計,開展了松軟砂巖相似材料配比試驗,測試了不同配比方案相似材料力學參數,旨在得到與礦巖密度、單軸抗壓強度和單軸抗拉強度比較接近的相似配比材料,為開展巷道穩定性相似模擬試驗奠定研究基礎。

1 相似材料配比試驗設計

1.1 試驗方案設計

總體試驗方案設計見圖1。

1.2 試驗內容

針對松軟砂巖的不同配比相似材料,主要進行了單軸抗壓試驗、自由膨脹率試驗、巴西劈裂試驗、孔隙率測試試驗和密度測試試驗。

2 相似材料選取

某鈾礦床的礦巖巖性主要以泥巖、泥質砂巖或砂質泥巖為主,礦巖的主要物理參數:密度2.05 kg/m3,單軸抗壓強度2 MPa,單軸抗拉強度0.25 MPa,泊松比0.26,孔隙率33.8%。對礦巖樣品進行X射線衍射試驗,采用半定量分析方法,得出礦巖樣品中的膨脹性礦物含量在6%～10%。

圖1 相似材料配比試驗總體方案

對于開展巷道相似模擬試驗而言,最關鍵的物理力學參數為密度、單軸抗壓強度和單軸抗拉強度。對于砂巖一般選擇細砂作為細顆粒,水泥或石膏作為膠結材料,用重晶石粉調節密度,用膨脹性材料來調節膨脹性[8]5-6。本次相似材料配比試驗選取細砂、重晶石粉、膨潤土和425普通硅酸鹽水泥作為相似材料配比試驗的原料,以正交試驗方法進行不同材料的配比研究;對不同配比方案的相似材料,開展單軸抗拉強度、單軸抗壓強度、密度、泊松比等物理力學參數測試。

3 第一階段相似材料配比試驗

3.1 試驗設計

“灰”指425普通硅酸鹽水泥,“砂”指細砂、重晶石粉、膨潤土按比例混合后的混合體;水的質量為試件總質量的20%左右。第一階段相似材料配比試驗各組分配比見表1。依據正交試驗設計方法,相似材料配比試驗選擇粒徑、m(重晶石粉)∶m(砂)、m(膨潤土)∶m(砂)、灰砂質量比4個因素,每個因素分為3個水平。相似材料配比試驗的分組方案見表2。

表1 松軟砂巖相似材料各組分質量配比

表2 正交試驗各組分配比分組

3.2 試驗測試與加載

3.2.1 單軸抗壓試驗

將試樣制成φ50 mm×100 mm的圓柱形試件(圖2)。在YAW-100D小型試驗機上開展單軸抗壓試驗,加載速率為2 mm/min。

圖2 相似材料試件

3.2.2 巴西劈裂試驗

將試樣制成φ50 mm×50 mm的圓柱形試件,置于劈裂夾具上,在YAW-100D小型試驗機進行巴西劈裂試驗(圖3),獲得相似材料單軸抗拉強度,加載速率為2 mm/min。

3.2.3 孔隙率和密度測試

由于相似配比材料的強度較低,且含有膨脹性黏土礦物,測試發現當灰砂質量比小于1∶10后,試件在浸水過程中易崩解,無法直接獲得試件孔隙率數據,因此采用研磨-烘干間接法進行孔隙率測試,采用量積法進行密度測試。

圖3 巴西劈裂試驗加載圖

3.2.4 自由膨脹率測試

當灰砂質量比為1∶10和1∶15時,在膨脹性試驗測試中發現礦巖易崩解,無法基于自由膨脹率試驗直接測定礦巖膨脹性指標。綜合分析后,擬在第二階段試驗中采用X射線衍射試驗測定礦巖中的膨脹性礦物成分含量。

3.2.5 試驗結果

9組試樣的試驗結果見表3。

表3 第一階段相似材料配比試驗結果

3.3 因素影響權重分析

正交試驗數據處理采用極差分析法。R表示極差,為每種試驗因素不同水平試驗數據的最大值與最小值的差。R越大表明該試驗因素越重要,對試驗判別指標影響越顯著[7]132。

首先計算4個因素在3個水平(按從小到大排列)下的單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、密度和孔隙率的加權和。加權和(Kij)表示第i個因素在第j個水平下某個物理力學參數所獲得的3個試驗結果的平均值。以粒徑第2水平(1.50 mm)為例,粒徑1.50 mm對應的單軸抗壓強度分別為4.39、1.51、0.5 MPa,計算其平均值,得到粒徑第2水平的加權平均值(2.13 MPa)列于表4。依此類推,單軸抗拉強度、密度和孔隙率的加權平均值計算結果列于表5～表7。最終求出4個因素3個水平的極差,從而得出各因素對相似材料物理力學參數的影響權重。

表4 相似材料單軸抗壓強度極差分析

表5 相似材料單軸抗拉強度極差分析

表6 相似材料密度極差分析

表7 相似材料孔隙率極差分析

由表4～表7可看出:1)對相似材料單軸抗壓強度而言,影響權重從大到小為灰砂質量比、m(重晶石粉)∶m(砂)、m(膨潤土)∶m(砂)、粒徑;2)對相似材料單軸抗拉強度而言,影響權重從大到小為灰砂質量比、m(膨潤土)∶m(砂)、m(重晶石粉)∶m(砂)、粒徑;3)對相似材料密度而言,影響權重從大到小為m(膨潤土)∶m(砂)、灰砂質量比、粒徑、m(重晶石粉)∶m(砂);4)對相似材料孔隙率而言,影響權重從大到小為m(膨潤土)∶m(砂)、粒徑、灰砂質量比、m(重晶石粉)∶m(砂)。

第一批相似模型試件極差分析,粒徑2.00 mm水平的孔隙率為34.61%,接近礦巖孔隙率(33.8%)。因此第二批次相似材料配比試驗選擇粒徑為2.00 mm的細砂作為骨料。根據單軸抗壓強度結果,灰砂質量比1∶5、1∶10對應的單軸抗壓強度分別為4.71和1.59 MPa,而礦巖的抗壓強度參考值(2 MPa)介于二者之間。因此,第二批次相似材料配比試驗中灰砂質量比為1∶8?？估瓘姸扰c單軸抗壓強度的規律相似。

4 第二階段相似材料配比試驗

4.1 試驗方案設計

根據第一批相似模型試件的試驗數據,第二批相似材料配比試驗選擇粒徑為2.00 mm的細砂作為骨料,灰砂質量比為1∶8。m(重晶石粉)∶m(砂)選擇15%、20%、25% 3個水平,m(膨潤土)∶m(砂)選擇6%、8%、10% 3個水平。開展全面試驗,分組方案見表8。

表8 第二批相似材料配比試驗各組分配比分組

4.2 第二階段相似材料配比試驗結果

不同配比相似材料的強度和泊松比離散性相對較小,因此分別用密度和孔隙率作為選擇指標。第二階段相似材料配比試驗結果見表9。

表9 第二階段相似材料配比試驗結果

由表9可看出,孔隙率受m(膨潤土)∶m(砂)影響規律明顯,結合X射線試驗結果,m(膨潤土)∶m(砂)以8%為宜,對應的第二批試驗試件編號為2、5、8。以密度為參考值,優選5號和8號。編號為5試件的孔隙率(39.85%)比編號為8試件的孔隙率(41.45%)更接近礦巖的孔隙率。

綜合分析確定最終相似材料配比為:灰砂質量比為1∶8,m(重晶石粉)∶m(砂)為20%,m(膨潤土)∶m(砂)為8%,細砂粒徑2.00 mm。

5 試驗結果分析

相似材料配比試驗所獲得的關鍵物理力學參數與礦巖對比見表10?？梢钥闯?兩者的關鍵物理力學參數——單軸抗壓強度、單軸抗拉強度和密度的誤差均在7%之內。相似材料配比試驗獲得的配比參數可以滿足下一步松軟砂巖型鈾礦床巷道開挖與支護相似模擬試驗的需要。

表10 相似材料關鍵物理力學參數對比

6 結論

依據松軟砂巖鈾礦的礦巖特點,通過4因素3水平正交試驗,最終獲得灰砂比為1∶8、m(重晶石粉)∶m(砂)為20%、m(膨潤土)∶m(砂)為8%、細砂粒徑2.00 mm的相似材料,其關鍵物理力學參數與松軟砂巖型鈾礦床的礦巖接近,誤差均在7%之內。研制的松軟砂巖相似材料可為開展巷道開挖與支護相似模擬試驗提供依據。