某特大型铀矿床三维立体分区方案研究

2021-03-01陈军利孙刚友倪玉辉

铀矿冶 2021年1期

陈军利，孙刚友，倪玉辉

(中核矿业科技集团有限公司，北京 101149)

在矿床整体开发规划上，开拓系统的合理选择是矿山建设的重要内容，直接影响矿井的产能规划目标和安全生产运行。国内其他金属矿山普遍采用划分井田方式，多矿井独立建设，各矿井再根据矿床特点进行分区开拓[1-2]。近年来，国内矿山行业技术人员在矿床井田划分和分区开采方面开展了较多的研究和实践。孙毅民等对某矿山改变采矿工艺，实现纵向分区开采，提高了矿山生产能力[3]；徐永良针对马莲台煤矿从技术、安全等方面比较分析，确定了矿井采区划分及井田开拓设计方案[4]；姬文瑞在新街台格庙矿区提出3种井田划分方法，从矿区的开发建设方式、矿井开采方案、地面工业场地布置方式及后期投产运营等方面进行对比分析，确定了合理的井田划分方案[5]。任凤玉等在大北山铁矿利用临界散体柱理论确定保护区间，将矿体分为3个采区协同开采，最大化提升采矿效率[6]。

某铀矿床平面走向范围大，若以国内传统的铀矿山开拓方案设计，则会出现产能规模小、经济效益差、井建工期长、难度大等问题。对于该矿床，分区开拓系统方案选择的合理性及科学性对矿山的整体规划、经济效益和安全生产有着至关重要的意义，分区开拓方案要充分考虑矿床的赋存特点，重点关注其分区开拓系统和主要参数选择是否合理[7]。为了使分区开拓系统获得良好的技术经济效果，针对该铀矿床的具体特点开展缓倾斜多层矿体三维立体分区开拓系统研究，主要研究内容包括井田划分范围研究、竖向分区及阶段高度研究等。

1 矿床开采技术条件

该铀矿床巴音戈壁组上段铀矿带总长约5.8 km，宽约1.6 km。矿体底板埋深为186.66～646.40 m，矿体赋存标高为1 091.19～642.34 m，单工程矿体厚度为0.48～7.84 m，矿体多呈层状、板状产出，矿体倾角较小(一般在3°～5°)，总体向南东缓倾。

1.1 水文地质条件

该矿床属水文地质条件复杂的矿床[8]，富水性较差。巴音戈壁组上段为主要充水含水层，富水性较强，渗透性较差，补给条件较差，承压水头较高，含水层厚度分布规律性较明显，隔水顶板和底板稳定，厚度较大，水文地质边界较简单。矿床属地下水迳流区，地下水流向为北东—南西。矿床地下水化学类型以Cl-型水为主，水平分带不明显，矿化度平均为19.58 g/L，pH为7.46～7.85，呈弱碱性。

1.2 工程地质条件

该矿床地表为戈壁沙漠地貌，第四系覆盖土层较薄，风化作用较弱；地层岩性较复杂，以泥岩、粉砂岩、中粗砂岩为主，呈“泥-砂-泥”互层结构，岩层产状平缓，RQD值(岩石质量指标)一般为60%～80%，岩石基本质量等级属于Ⅴ～Ⅱ级，工程地质条件较差。岩石强度软硬不均，变化较大，遇水软化，饱和状态下岩石的抗压强度为2.63～98.7 MPa，属极软岩～坚硬岩。矿床地质构造简单，断层规模小，局部岩石破碎，发育交错层理和次生裂隙；含水砂层厚度大、分布广、储水量大，地下水具有较大的静水压力；饱水砂岩层岩体稳定性差，局部地段易发生矿山工程地质问题。矿床工程地质条件类型属于复杂类型[9]。

2 井田划分范围

2.1 按走向长度划分

结合矿床资源量、开采技术条件等因素，确定井田划分原则为人为境界划分法。该矿床初步规划单矿井生产能力介于煤矿的小型矿井和中型矿井之间，考虑该矿床开采范围走向长度为3.3 km，参考煤矿小型矿井井田走向长度的划分标准[10]，确定走向长度>1.5 km。

按照走向长度将矿床井田平均划分为2个，分别是一井和二井，一井的开采范围为H8～H40勘探线，走向长度约1.7 km，最大宽度约1.5 km；二井的开采范围为H40～H72勘探线，走向长度约1.7 km，最大宽度约1.6 km。井田划分情况如图1所示。

图1 按矿床走向长度划分井田平面示意图

2.2 按井田资源量匹配情况划分

该矿床资源量大、品位低，需要达到一定的生产规模才能保证矿山整体的经济性。矿山整体开发思路是一井和二井同时生产，为了保证2个矿井的生产均衡和大型设备维护检修便利，井田的划分还应考虑资源量因素。

根据走向长度均等划分井田的方案，以H40勘探线作为井田分界线，这种情况下一井对应的资源量比二井对应的资源量多62%。虽然按走向平均划分井田，在尺寸上2个井田基本一致；但资源量上存在一定的不均衡性。因此，提出将井田划分界线向西移动到H36勘探线，此时一井资源量和二井资源量仅相差3%，2个矿井的资源量均衡程度要远高于以H40勘探线为井田划分界限的情况，有利于生产均衡和运营期管理。

综合以上情况，确定该矿床以H36勘探线为井田划分界限，H36勘探线以西为一井，H36勘探线以东为二井，一井的开采范围为H8～H36线，走向长度约1.5 km，最大宽度约1.5 km；二井的开采范围为H36～H72勘探线，走向长度约1.9 km，最大宽度约1.6 km。井田划分情况如图2所示。

图2 按井田资源量匹配划分井田平面示意图

3 竖向分区及阶段高度

3.1 缓倾斜多层矿竖向分区方案[11]

该矿床有7个主矿体：14号矿体埋深为480.76～547.85 m；3号矿体埋深为298.48～368.12 m；4号矿体埋深为316.66～345.17 m；5号矿体埋深为339.26～372.80 m；71号矿体埋深为414.32～437.87 m；8号矿体埋深为479.52 m；19号矿体埋深为479.29～558.25 m。总体来看主要矿体的埋深较深，除3、4、5号主矿体外，其余矿体埋深均大于400 m；竖向标高为1 091.19～642.34 m，层状矿体间距不等，各层矿体空间上分布不均衡。

该矿体为缓倾斜多层状薄矿体，各层主矿体竖向间距几米至数十米不等。这种缓倾斜多层薄矿体的开发在开采顺序、中段划分、采场生产能力上都存在技术难度，特别是由于矿体薄、多层分散，在确定矿井生产规模上受限；矿井若按正常的开采顺序由上至下回采，测算的矿井生产能力较低，规模效益差。因此，根据矿床资源量大、品位低的条件和矿体特征分布情况，对矿井进行规划分区，单矿井多采区同时回采，可提高矿井的生产能力，实现矿山的总体产能规划目标，发挥矿山规模效益优势。

利用3DMine软件平台，建立三维矿床模型，在真三维状态下分析矿床模型的空间形态。研究发现，矿床明显存在上、下2个矿体集中群，且矿体集中群间有明显的空间间隔，可将矿床分为上、下2个采区，如图3所示。

图3 采区竖向划分示意图

根据初步确定的竖向分区方案，在三维状态下通过切割XY视角水平动态剖面观察2个采区的最佳分界标高；同时结合矿体的形态特征，确定上、下采区的最佳分界线标高为850 m。因此，上部采区的竖向开采范围确定为1 030～850 m，下部采区的竖向开采范围确定为850～670 m。采区划分界线如图4所示。

图4 采区划分界线及标高范围示意图

3.2 缓倾斜多层矿阶段高度比选

该矿床竖向最低标高为670 m，最高标高为1 030 m，以850 m标高作为上、下采区的分界线，每个采区的实际回采空间高度仅有180 m。结合各采区的矿体赋存条件和资源集中分布特点，初步给出3个阶段高度方案，分别为30 m、60 m和90 m。为保证给出的3个阶段高度方案有可比性，拟定各阶段方案采用相同的采矿工艺。

阶段高度方案比选的总体思路是首先利用3DMine软件建立数字化矿体模型和开拓系统井巷工程三维模型，通过软件地质功能模块计算不同阶段方案对应的阶段资源量，并使用软件实体体积查询报告功能，得到不同阶段高度方案对应的井巷模型体积，即阶段井巷工程量；然后，计算阶段井巷工程量与阶段资源量的比值，得到单位工程量；最后对比单位工程量选出最优的阶段高度方案[12-13]。最优阶段高度计算公式为

W=V/Q，

(1)

式中：W—单位工程量，m3/t；V—阶段井巷工程量，m3；Q—阶段资源量，t。

按照公式(1)计算不同阶段高度方案的单位工程量，计算结果见表1。根据单位工程量最低原则，阶段高度的最优方案是60 m。

表1 阶段高度计算结果

国内金属矿山开采缓倾斜矿床时，阶段高度普遍为20～35 m。该矿床若选择30 m作为阶段高度，在技术上是可行的；但本矿床建设规划标准高，生产规模大，在常规地下开采铀矿山中属于特大型矿山规模，人员素质整体水平有保障，会优先选择先进高效的无轨设备。因此综合各项影响因素和阶段高度优选结果，确定矿床的阶段高度为60 m。

4 矿床三维立体分区

矿床走向长、分布范围大，矿体呈多层状分布，在对矿床进行井田划分、分区方案及阶段高度研究后，明确矿床的总体分区方式为三维立体分区开拓。

平面上，按走向长度和资源量分布情况将矿床划分为2个井田，以H36勘探线为井田分界线，一井的开采范围为H8～H36勘探线；二井的开采范围为H36～H72勘探线。

矿体竖向标高范围为670～1 030 m，根据矿体埋深和多层矿体集中赋存状态，将每个井田竖向上划分为2个采区，上、下采区的分界线标高为850 m，上部采区开采标高范围为1 030～850 m，回采空间高度为180 m；下部采区开采标高范围为850～670 m，回采空间高度为180 m。根据确定的矿床阶段高度(60 m)，可将矿井的阶段划分为670、730、790、850、910、970、1030 m，共计7个中段。