硬巖金屬礦水壓致裂礦巖預(yù)處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

劉育明，陳曉云，彭 華，李 光，陳小偉，李 文，夏長(zhǎng)念，孫 堯，范立鵬，張洪昌

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司眼前山鐵礦,遼寧 鞍山 114041；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081)

1 前言

自然崩落采礦法[1]作為一種開(kāi)采成本低、效率高且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開(kāi)采需求的地下采礦方法，開(kāi)采成本可以和露天開(kāi)采相媲美，但是必須要保障落礦過(guò)程中有合適的塊度，若大塊度過(guò)高，不僅增加大量的爆破成本，而且二次破碎作業(yè)會(huì)影響生產(chǎn)的連續(xù)性，直接影響礦山的生產(chǎn)能力。水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)[2]在自然崩落法礦山中可以用于改善礦巖可崩性[3]、降低大塊率、促進(jìn)礦巖持續(xù)穩(wěn)定崩落，但該技術(shù)在我國(guó)金屬礦山中還沒(méi)有應(yīng)用案例?？紤]到國(guó)內(nèi)正在采用自然崩落法開(kāi)采的礦山(銅礦峪銅礦[4]和普朗銅礦[5])，轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采后將面臨礦巖可崩性變差、大塊增多、底部結(jié)構(gòu)地壓顯現(xiàn)等問(wèn)題，需要提前開(kāi)展水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)研究，充分了解水壓致裂礦巖預(yù)處理作用機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工藝，為礦山安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

國(guó)外一些自然崩落法礦山[6]已開(kāi)展了水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)研究，例如智利的El Teniente礦、澳大利亞的Newcrest Cadia East礦、Northparkes礦等，在增強(qiáng)礦巖可崩性、減少大塊率、降低礦震量級(jí)等方面取得了較好的效果，但國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)仍然需要改進(jìn)。為了突破國(guó)外相關(guān)技術(shù)封鎖以及探尋適用于我國(guó)礦山的水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)，本文基于在某鐵礦山開(kāi)展的水壓致裂礦巖預(yù)處理現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，對(duì)水壓致裂礦巖預(yù)處理工藝及壓裂效果進(jìn)行了研究。

2 礦巖壓裂特性條件基礎(chǔ)研究

在開(kāi)展水壓致裂工業(yè)試驗(yàn)前，需要對(duì)壓裂試驗(yàn)區(qū)的礦巖特性、地應(yīng)力場(chǎng)等有充分了解，通過(guò)對(duì)壓裂鉆孔巖芯取樣進(jìn)行巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試[7]、對(duì)壓裂鉆孔孔壁進(jìn)行鉆孔攝像掃描[8]以及對(duì)壓裂區(qū)域進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試[9]。

2.1 巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

本次水壓致裂工業(yè)試驗(yàn)鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程采用金剛石取芯鉆頭，鉆孔全程取芯，成孔直徑為90mm，鉆取巖芯直徑為76mm。通過(guò)對(duì)鉆取巖芯進(jìn)行取樣并加工制作成直徑50mm，高度100mm的標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣，主要采用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)TAW- 2000等設(shè)備開(kāi)展了巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 鉆孔孔壁圍壓完整性調(diào)查

考慮到礦巖內(nèi)部原生節(jié)理裂隙等對(duì)水力裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展有較大影響，采用鉆孔電視攝像對(duì)水壓致裂鉆孔孔周?chē)鷰r條件進(jìn)行了調(diào)查。圖1所示是鉆孔攝像現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖，通過(guò)攝像畫(huà)面可直觀觀察到孔壁完整性情況，并對(duì)含節(jié)理裂隙鉆孔段深度及范圍進(jìn)行記錄，為后期合理選擇壓裂段保障水壓致裂試驗(yàn)效果。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.3 區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試

為了了解水壓致裂試驗(yàn)區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)特性，綜合采用應(yīng)力解除法[10]和水壓致裂測(cè)地應(yīng)力法[11]開(kāi)展了區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試。應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)分布在該礦山-195m、-303m以及-501m三個(gè)水平脈外巷道，測(cè)點(diǎn)距巷道壁12m以保證測(cè)試在原巖應(yīng)力未擾動(dòng)區(qū)；水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試在壓裂鉆孔中進(jìn)行，壓裂鉆孔為豎直孔，孔口位于-195m水平，測(cè)點(diǎn)位置分別為孔口以下50m、100m和150m處。通過(guò)對(duì)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明：該區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E52.5°；豎直方向地應(yīng)力約為8MPa，水平方向最大主應(yīng)力約為17MPa，水平方向最小主應(yīng)力約為10MPa。

3 水壓致裂礦巖預(yù)處理工業(yè)試驗(yàn)

3.1 壓裂工程現(xiàn)場(chǎng)布置

圖2 水壓致裂工業(yè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)框圖

礦山現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂試驗(yàn)過(guò)程中，按照如圖2所示進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置與連接。試驗(yàn)過(guò)程中，首先組裝封隔器并下放孔內(nèi)特定深度壓裂段位置，通過(guò)對(duì)封隔器注入高壓水使封隔器膨脹與孔壁接觸，當(dāng)封隔器內(nèi)水壓在10MPa時(shí)關(guān)閉注水閥門(mén)，此時(shí)封隔器與鉆孔孔壁緊密接觸；隨后通過(guò)鉆桿中心孔向壓裂段注水，進(jìn)行壓裂作業(yè)。圖3所示為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站設(shè)備圖，主要包括微震、注水壓力、注水流量等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站設(shè)備

3.2 巖石起裂壓力分析

圖4 水壓致裂試驗(yàn)過(guò)程中注水壓力時(shí)程曲線

圖4所示為現(xiàn)場(chǎng)某一次壓裂過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的注水壓力時(shí)程曲線。從圖4中可以看出，隨著高壓水的不斷注入鉆孔壓裂段水壓力上升，當(dāng)達(dá)到峰值壓力時(shí)水壓力急劇下降并趨于穩(wěn)定。當(dāng)水壓力達(dá)到峰值時(shí)鉆孔孔壁巖石中產(chǎn)生了破裂，該峰值水壓力即為巖石的起裂壓力。通過(guò)對(duì)水壓致裂鉆孔進(jìn)行多次壓裂試驗(yàn)，得到了不同深度壓裂作業(yè)時(shí)的起裂壓力，具體如圖5所示，起裂壓力大體上隨深度增大，其數(shù)值與該位置的圍壓及巖石的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。本次實(shí)驗(yàn)所得該鉆孔內(nèi)0～270m深度最大起裂壓力為31.64MPa，表明需要32MPa的泵壓才能對(duì)該鉆孔的巖石進(jìn)行充分的壓裂；擬合得到的巖石起裂壓力Pb與鉆孔深度H的線性關(guān)系式為Pb=0.059 6H+13.601。

圖5 -195m水平巷道鉆孔巖石起裂壓力與鉆孔深度關(guān)系

3.3 水力裂縫擴(kuò)展范圍分析

現(xiàn)場(chǎng)在主壓裂孔孔口水平四周共布置8個(gè)微震檢波器。圖6所示為水壓致裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的微震信號(hào)平面圖，圖中小圓點(diǎn)代表巖體的破裂時(shí)產(chǎn)生的微震信號(hào)。從圖中微震信號(hào)分布趨勢(shì)可以看出微震信號(hào)主要發(fā)生在壓裂鉆孔的北東向和南西向，該方向正好與最大水平主應(yīng)力方向吻合。由圖7、圖8所示的微震深度分布圖可以看出，每一回次壓裂產(chǎn)生的微震基本在同一水平面排布，表明裂縫近乎水平展開(kāi)。基于微震定位可以看出，當(dāng)泵送流量為150L/min時(shí)，水力裂縫擴(kuò)展半徑最大可達(dá)約34m，全部64輪壓裂實(shí)驗(yàn)裂縫最大擴(kuò)展距離平均值24.54m。

圖6 水壓致裂預(yù)處理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)微震信號(hào)平面圖

圖7 微震沿東西方向垂直分布圖

圖8 微震沿南北方向垂直分布圖

4 結(jié)論

針對(duì)硬巖礦山自然崩落法開(kāi)采中礦巖可崩性差、大塊率高等問(wèn)題，在某鐵礦山開(kāi)展了水壓致裂礦巖預(yù)處理現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)研究，對(duì)水壓致裂預(yù)處理過(guò)程中的巖石起裂壓力、水力裂縫起裂方位及擴(kuò)展范圍進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：

(1)巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試、區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試等基礎(chǔ)工作可以充分了解試驗(yàn)區(qū)域礦巖條件，為水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)成功開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巖石起裂壓力最大值約為31.64MPa，該值為區(qū)域礦巖水壓致裂預(yù)處理高壓泵設(shè)備性能選型提供了依據(jù)；巖石起裂壓力隨壓裂深度的增加呈線性增大趨勢(shì)，主要受深部圍巖地應(yīng)力大小影響。

(3)基于微震監(jiān)測(cè)信號(hào)分析了水力裂縫擴(kuò)展方位和范圍，微震信號(hào)主要發(fā)生在壓裂鉆孔的北東向和南西向，該方向正好與最大水平主應(yīng)力方向吻合；水力裂縫近乎水平展開(kāi)，在泵送流量為150L/min時(shí)的水力裂縫最大擴(kuò)展半徑可達(dá)約34m。