浅埋薄层弱胶结铀矿综采矿压显现规律与顺槽支护技术研究

发布时间：2020-07-15 23:26

【摘要】：本文以某铀矿为工程背景,针对于浅埋薄层弱胶结软岩的物理力学特征,开展弱胶结软岩的物理力学特性试验、相似材料的研制、数值模拟和物理模型试验等研究,揭示了综采工作面围岩的矿压显现规律,结合围岩的变形破坏特征研究了支护结构对围岩稳定的控制作用,提出工作面顺槽支护技术方案。本文主要的研究成果如下:(1)通过对弱胶结软岩的基本物理力学特性研究,反映了该软岩有较强的膨胀性,胶结性极差,遇水易泥化、崩解,获得了铀矿地层物理力学参数。通过对弱胶结软岩的基本物理力学特性和细观特征分析,揭示了该铀矿地层弱胶结软岩的膨胀性和材料组构及铀矿床及赋存地层的物理力学参数。(2)结合浅埋薄层弱胶结铀矿岩的物理力学特征,通过系列相似材料的配置,获得了适用于该铀矿地质条件的相似材料配比,即细砂:石膏:碳酸钙:膨润土为4.5:0.5:0.2:0.3、6:0.6:0.2:0.2、3.5:0.5:0.3:0.2及4:0.5:0.3:0.2为模拟物理模型的矿体、泥岩、粉砂岩及细砂岩;通过铝条承压试验确定了其相似模型中对应的型钢支架型号,而混凝土喷层采用碳酸钙液固化涂层进行模拟。(3)通过UDEC数值模拟研究,分析了采场上覆岩层运动分布特征、竖直位移变化及应力演化规律,获得了初次来压约8.0 m和周期来压步距约3.0 m;采用数字照相量测分析系统和薄膜压力式传感器监测手段,分析验证模型试验过程中,随着工作面的推进,越靠近采空区位移越大,最大下沉量约为1.6 m,并且最大下沉位置不断前移,表土层竖向位移的最大值不断增加,最大沉降量约0.69 m;工作面后方采空区卸压,上覆岩层下沉,采空区压实,远离采空区范围内围岩的竖直应力逐渐恢复至接近原岩应力0.03~0.04 MPa,应力峰值逐渐变大,最大值约为0.07 MPa,靠近采空区附近测点的应力变化明显大于其他测点。(4)通过FLAC3D对工作面顺槽关键支护参数进行数值模拟分析,研究不同型号的工字钢在8种工况下的可行性,选取11#工字钢,间排距为0.8 m;通过大型三维相似模型对选用的支护参数进行试验研究,随着荷载的增加,上部覆岩位移增大,其顶板位移最大值为0.02 m,两帮位移偏小,收敛不明显;各测点的垂直应力随荷载增加而逐渐增加,荷载达到目标值9 k N,最大应力约为0.05 MPa,应力场从加载板向模型中心其值依次减小,越靠近加载面应力越大;支架受力的变化规律大致能够分波动增长阶段到平稳阶段及阶梯性增长阶段,荷载增加到目标值,两帮的应力值较顶板的应力值偏小,支架应力约为0.02~0.04 MPa。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD355
【图文】：

铀矿床,矿体

软岩和地质软岩两类。工程软岩是工程岩体，在工程力的作用下会产生明显的塑性变形地质软岩是指具有松散、软弱的岩石层，或含有大量膨胀性的粘土矿物。某铀矿床位于内蒙古自治区锡林郭勒盟二连浩特市，该矿床东西宽约 7 公里，南北长约 10 公里，面积 70 平方公里。位于二连浩特市东北 27 公里，距蒙中北边界 8 公里。在该地区交通比较方便，连接二连浩特市的草原道路，与“208 国道、111 省道相连。矿床位于早白垩世晚期形成的次级凹陷沉积中心，受湖泊沉积控制，矿体在剖面上倾向中心，多层矿体呈西北向展布、东南向会聚的总体趋势。矿体断裂构造未发育，成矿作用较差。矿体由变质砂岩、长石、石英、蒙脱石、伊利石和方解石组成。主矿体连续稳定，呈薄片状，浅湖-半深湖区矿体厚度明显增加。矿体上部围岩主要为透镜状石膏岩、泥质砂岩和泥灰岩，下部矿体和围岩主要为粉砂岩和泥岩。矿床地质资料表明矿体顶底板主要以泥质砂岩为主，其承载特性差、易膨胀。因此，必须掌握对地层岩体矿物成分、成分比例、力学特性，为软岩巷道变形破坏机理分析提供了基础数据，模型试验相似材料的研制、数值模拟计算、支护设计和支护的参数提供了选择。为后期支护结构设计、方案优化奠定基础，从而合理、正确评价巷道整体稳定性，如图 1-1 所示，某铀矿床地形地貌图。

标准样,取芯,过程,岩样

体完整性差、易风化、强度低，在干燥或者天然状态下属于岩石，但遇到水容易泥化、崩解等较为特殊的基本物理性质；利用岩石试验机对原生地层的试样进行巴西劈裂、单轴获得单轴抗拉强度、单轴抗压强度等基础力学参数，在不同围压下进行三轴压缩试验，可得到弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角等变形和强度参数，为后续开展相似材料的研制、支护材料的选取、数值计算和相似模拟试验分析提供了不可或缺的基础数据。2.1 弱胶结岩体基本物理特性（Basic physical properties of weaklycemented rock mass）2.1.1 试件加工与基本尺寸参数岩样取自内蒙古某铀矿床岩，位于中生代侏罗系、白垩系，矿体顶底板主要为胶结程度极差的细砂岩、粉砂岩、泥岩等，基本为极软弱岩石类，岩样其裂隙、节理不发育，存在严重的风化现象。由于弱胶结岩体的胶结性差、强度低，岩样受到扰动易碎裂，会在其端头或表面开裂，很难或几乎不可能通过取芯做成标准岩样，因此，本试验对岩样的制作是采用人工刀削方式，并采用砂纸将岩样表面和端面磨平处理，现场取芯过程和加工后的标准样，如图 2-1 所示。

微观结构,泥岩

27.1 4.1 5.5 20.4 4.9 0.6 0.2 / / 37.236.8 5.2 12.5 / 4.5 0.9 0.5 / / 39.6根据某铀矿所取样品分离出的软岩矿物 X 射线衍射试验结果，其主要矿物成分为粘土矿物，次要矿物成分有白云石、黄铁矿、石膏、钾长石、硬石膏、石英、斜长石、方解石、和铁白云石等，16 个样品的石英平均含量为 27.23 %。由此可以看出，某铀矿地层岩石粘土矿物含量较高，石英含量次之，反映了该软岩具有一定的强度。岩层中的粘土矿物主要以伊/蒙混层矿物为主，次要矿物为伊利石、高岭石及绿泥石等，部分岩层含有坡屡石。该类岩石粘土矿物的混层比较高，平均值可达到 49.0%，16 个样品的伊蒙混层矿物所占的平均含量为 71.25%，高岭石和伊利石含量较低，表明该类岩石膨胀性较高。2.1.3 矿体与围岩岩体微观结构特性本试验采用扫描电子显微镜，型号为 TESCAN-VEGA\\LMU，通过扫描了三种不同粘土含量的弱胶结岩体，探究粘土含量对其微观结构的影响，泥岩、粉砂岩和细砂岩电镜扫描结果分别如图 2-3、图 2-4 和图 2-5 所示。

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