劉育明，陳曉云，彭 華，李 光，陳小偉，李 文，夏長念，孫 堯，范立鵬，張洪昌

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

1 前言

自然崩落采礦法[1]作為一種開采成本低、效率高且容易實現(xiàn)自動化開采需求的地下采礦方法，開采成本可以和露天開采相媲美，但是必須要保障落礦過程中有合適的塊度，若大塊度過高，不僅增加大量的爆破成本，而且二次破碎作業(yè)會影響生產(chǎn)的連續(xù)性，直接影響礦山的生產(chǎn)能力。水壓致裂礦巖預處理技術[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、促進礦巖持續(xù)穩(wěn)定崩落，但該技術在我國金屬礦山中還沒有應用案例?？紤]到國內(nèi)正在采用自然崩落法開采的礦山(銅礦峪銅礦[4]和普朗銅礦[5])，轉(zhuǎn)入深部開采后將面臨礦巖可崩性變差、大塊增多、底部結(jié)構地壓顯現(xiàn)等問題，需要提前開展水壓致裂礦巖預處理技術研究，充分了解水壓致裂礦巖預處理作用機理及現(xiàn)場作業(yè)工藝，為礦山安全高效生產(chǎn)提供技術支撐。

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

2 礦巖壓裂特性條件基礎研究

在開展水壓致裂工業(yè)試驗前，需要對壓裂試驗區(qū)的礦巖特性、地應力場等有充分了解，通過對壓裂鉆孔巖芯取樣進行巖石物理力學參數(shù)測試[7]、對壓裂鉆孔孔壁進行鉆孔攝像掃描[8]以及對壓裂區(qū)域進行地應力場測試[9]。

2.1 巖石物理力學參數(shù)測試

本次水壓致裂工業(yè)試驗鉆孔鉆進過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。通過對鉆取巖芯進行取樣并加工制作成直徑50mm，高度100mm的標準巖石試樣，主要采用微機控制電液伺服壓力試驗機TAW- 2000等設備開展了巖石物理力學參數(shù)測試，測試結(jié)果見表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)理裂隙等對水力裂縫的產(chǎn)生和擴展有較大影響，采用鉆孔電視攝像對水壓致裂鉆孔孔周圍巖條件進行了調(diào)查。圖1所示是鉆孔攝像現(xiàn)場作業(yè)圖，通過攝像畫面可直觀觀察到孔壁完整性情況，并對含節(jié)理裂隙鉆孔段深度及范圍進行記錄，為后期合理選擇壓裂段保障水壓致裂試驗效果。

表1 巖石物理力學參數(shù)測試結(jié)果

2.3 區(qū)域地應力場測試

為了了解水壓致裂試驗區(qū)域的地應力場特性，綜合采用應力解除法[10]和水壓致裂測地應力法[11]開展了區(qū)域地應力場測試。應力解除法地應力測試測點分布在該礦山-195m、-303m以及-501m三個水平脈外巷道，測點距巷道壁12m以保證測試在原巖應力未擾動區(qū)；水壓致裂地應力測試在壓裂鉆孔中進行，壓裂鉆孔為豎直孔，孔口位于-195m水平，測點位置分別為孔口以下50m、100m和150m處。通過對地應力測試結(jié)果進行分析，結(jié)果表明：該區(qū)域最大水平主應力方向為NE52.5°；豎直方向地應力約為8MPa，水平方向最大主應力約為17MPa，水平方向最小主應力約為10MPa。

3 水壓致裂礦巖預處理工業(yè)試驗

3.1 壓裂工程現(xiàn)場布置

圖2 水壓致裂工業(yè)試驗現(xiàn)場框圖

礦山現(xiàn)場水壓致裂試驗過程中，按照如圖2所示進行現(xiàn)場設備布置與連接。試驗過程中，首先組裝封隔器并下放孔內(nèi)特定深度壓裂段位置，通過對封隔器注入高壓水使封隔器膨脹與孔壁接觸，當封隔器內(nèi)水壓在10MPa時關閉注水閥門，此時封隔器與鉆孔孔壁緊密接觸；隨后通過鉆桿中心孔向壓裂段注水，進行壓裂作業(yè)。圖3所示為現(xiàn)場監(jiān)測站設備圖，主要包括微震、注水壓力、注水流量等監(jiān)測系統(tǒng)。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測站設備

3.2 巖石起裂壓力分析

圖4 水壓致裂試驗過程中注水壓力時程曲線

圖4所示為現(xiàn)場某一次壓裂過程中監(jiān)測到的注水壓力時程曲線。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，當達到峰值壓力時水壓力急劇下降并趨于穩(wěn)定。當水壓力達到峰值時鉆孔孔壁巖石中產(chǎn)生了破裂，該峰值水壓力即為巖石的起裂壓力。通過對水壓致裂鉆孔進行多次壓裂試驗，得到了不同深度壓裂作業(yè)時的起裂壓力，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度有關。本次實驗所得該鉆孔內(nèi)0～270m深度最大起裂壓力為31.64MPa，表明需要32MPa的泵壓才能對該鉆孔的巖石進行充分的壓裂；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系

3.3 水力裂縫擴展范圍分析

現(xiàn)場在主壓裂孔孔口水平四周共布置8個微震檢波器。圖6所示為水壓致裂現(xiàn)場試驗過程中監(jiān)測到的微震信號平面圖，圖中小圓點代表巖體的破裂時產(chǎn)生的微震信號。從圖中微震信號分布趨勢可以看出微震信號主要發(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。基于微震定位可以看出，當泵送流量為150L/min時，水力裂縫擴展半徑最大可達約34m，全部64輪壓裂實驗裂縫最大擴展距離平均值24.54m。

圖6 水壓致裂預處理試驗現(xiàn)場微震信號平面圖

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

針對硬巖礦山自然崩落法開采中礦巖可崩性差、大塊率高等問題，在某鐵礦山開展了水壓致裂礦巖預處理現(xiàn)場工業(yè)試驗研究，對水壓致裂預處理過程中的巖石起裂壓力、水力裂縫起裂方位及擴展范圍進行了分析。研究結(jié)果表明：

(1)巖石物理力學參數(shù)測試、區(qū)域地應力場測試等基礎工作可以充分了解試驗區(qū)域礦巖條件，為水壓致裂礦巖預處理試驗成功開展奠定了基礎。

(2)現(xiàn)場實測巖石起裂壓力最大值約為31.64MPa，該值為區(qū)域礦巖水壓致裂預處理高壓泵設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，主要受深部圍巖地應力大小影響。

(3)基于微震監(jiān)測信號分析了水力裂縫擴展方位和范圍，微震信號主要發(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力方向吻合；水力裂縫近乎水平展開，在泵送流量為150L/min時的水力裂縫最大擴展半徑可達約34m。