硬岩金属矿水压致裂矿岩预处理现场试验研究

刘育明，陈晓云，彭 华，李 光，陈小伟，李 文，夏长念，孙 尧，范立鹏，张洪昌

(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038；2.鞍钢集团矿业公司眼前山铁矿,辽宁 鞍山 114041；3.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081)

1 前言

自然崩落采矿法[1]作为一种开采成本低、效率高且容易实现自动化开采需求的地下采矿方法，开采成本可以和露天开采相媲美，但是必须要保障落矿过程中有合适的块度，若大块度过高，不仅增加大量的爆破成本，而且二次破碎作业会影响生产的连续性，直接影响矿山的生产能力。水压致裂矿岩预处理技术[2]在自然崩落法矿山中可以用于改善矿岩可崩性[3]、降低大块率、促进矿岩持续稳定崩落，但该技术在我国金属矿山中还没有应用案例。考虑到国内正在采用自然崩落法开采的矿山(铜矿峪铜矿[4]和普朗铜矿[5])，转入深部开采后将面临矿岩可崩性变差、大块增多、底部结构地压显现等问题，需要提前开展水压致裂矿岩预处理技术研究，充分了解水压致裂矿岩预处理作用机理及现场作业工艺，为矿山安全高效生产提供技术支撑。

国外一些自然崩落法矿山[6]已开展了水压致裂矿岩预处理试验研究，例如智利的El Teniente矿、澳大利亚的Newcrest Cadia East矿、Northparkes矿等，在增强矿岩可崩性、减少大块率、降低矿震量级等方面取得了较好的效果，但国内相关技术仍然需要改进。为了突破国外相关技术封锁以及探寻适用于我国矿山的水压致裂矿岩预处理技术，本文基于在某铁矿山开展的水压致裂矿岩预处理现场工业试验，对水压致裂矿岩预处理工艺及压裂效果进行了研究。

2 矿岩压裂特性条件基础研究

在开展水压致裂工业试验前，需要对压裂试验区的矿岩特性、地应力场等有充分了解，通过对压裂钻孔岩芯取样进行岩石物理力学参数测试[7]、对压裂钻孔孔壁进行钻孔摄像扫描[8]以及对压裂区域进行地应力场测试[9]。

2.1 岩石物理力学参数测试

本次水压致裂工业试验钻孔钻进过程采用金刚石取芯钻头，钻孔全程取芯，成孔直径为90mm，钻取岩芯直径为76mm。通过对钻取岩芯进行取样并加工制作成直径50mm，高度100mm的标准岩石试样，主要采用微机控制电液伺服压力试验机TAW- 2000等设备开展了岩石物理力学参数测试，测试结果见表1。

2.2 钻孔孔壁围压完整性调查

考虑到矿岩内部原生节理裂隙等对水力裂缝的产生和扩展有较大影响，采用钻孔电视摄像对水压致裂钻孔孔周围岩条件进行了调查。图1所示是钻孔摄像现场作业图，通过摄像画面可直观观察到孔壁完整性情况，并对含节理裂隙钻孔段深度及范围进行记录，为后期合理选择压裂段保障水压致裂试验效果。

表1 岩石物理力学参数测试结果

2.3 区域地应力场测试

为了了解水压致裂试验区域的地应力场特性，综合采用应力解除法[10]和水压致裂测地应力法[11]开展了区域地应力场测试。应力解除法地应力测试测点分布在该矿山-195m、-303m以及-501m三个水平脉外巷道，测点距巷道壁12m以保证测试在原岩应力未扰动区；水压致裂地应力测试在压裂钻孔中进行，压裂钻孔为竖直孔，孔口位于-195m水平，测点位置分别为孔口以下50m、100m和150m处。通过对地应力测试结果进行分析，结果表明：该区域最大水平主应力方向为NE52.5°；竖直方向地应力约为8MPa，水平方向最大主应力约为17MPa，水平方向最小主应力约为10MPa。

3 水压致裂矿岩预处理工业试验

3.1 压裂工程现场布置

图2 水压致裂工业试验现场框图

矿山现场水压致裂试验过程中，按照如图2所示进行现场设备布置与连接。试验过程中，首先组装封隔器并下放孔内特定深度压裂段位置，通过对封隔器注入高压水使封隔器膨胀与孔壁接触，当封隔器内水压在10MPa时关闭注水阀门，此时封隔器与钻孔孔壁紧密接触；随后通过钻杆中心孔向压裂段注水，进行压裂作业。图3所示为现场监测站设备图，主要包括微震、注水压力、注水流量等监测系统。

图3 现场监测站设备

3.2 岩石起裂压力分析

图4 水压致裂试验过程中注水压力时程曲线

图4所示为现场某一次压裂过程中监测到的注水压力时程曲线。从图4中可以看出，随着高压水的不断注入钻孔压裂段水压力上升，当达到峰值压力时水压力急剧下降并趋于稳定。当水压力达到峰值时钻孔孔壁岩石中产生了破裂，该峰值水压力即为岩石的起裂压力。通过对水压致裂钻孔进行多次压裂试验，得到了不同深度压裂作业时的起裂压力，具体如图5所示，起裂压力大体上随深度增大，其数值与该位置的围压及岩石的抗拉强度有关。本次实验所得该钻孔内0～270m深度最大起裂压力为31.64MPa，表明需要32MPa的泵压才能对该钻孔的岩石进行充分的压裂；拟合得到的岩石起裂压力Pb与钻孔深度H的线性关系式为Pb=0.059 6H+13.601。

图5 -195m水平巷道钻孔岩石起裂压力与钻孔深度关系

3.3 水力裂缝扩展范围分析

现场在主压裂孔孔口水平四周共布置8个微震检波器。图6所示为水压致裂现场试验过程中监测到的微震信号平面图，图中小圆点代表岩体的破裂时产生的微震信号。从图中微震信号分布趋势可以看出微震信号主要发生在压裂钻孔的北东向和南西向，该方向正好与最大水平主应力方向吻合。由图7、图8所示的微震深度分布图可以看出，每一回次压裂产生的微震基本在同一水平面排布，表明裂缝近乎水平展开。基于微震定位可以看出，当泵送流量为150L/min时，水力裂缝扩展半径最大可达约34m，全部64轮压裂实验裂缝最大扩展距离平均值24.54m。

图6 水压致裂预处理试验现场微震信号平面图

图7 微震沿东西方向垂直分布图

图8 微震沿南北方向垂直分布图

4 结论

针对硬岩矿山自然崩落法开采中矿岩可崩性差、大块率高等问题，在某铁矿山开展了水压致裂矿岩预处理现场工业试验研究，对水压致裂预处理过程中的岩石起裂压力、水力裂缝起裂方位及扩展范围进行了分析。研究结果表明：

(1)岩石物理力学参数测试、区域地应力场测试等基础工作可以充分了解试验区域矿岩条件，为水压致裂矿岩预处理试验成功开展奠定了基础。

(2)现场实测岩石起裂压力最大值约为31.64MPa，该值为区域矿岩水压致裂预处理高压泵设备性能选型提供了依据；岩石起裂压力随压裂深度的增加呈线性增大趋势，主要受深部围岩地应力大小影响。

(3)基于微震监测信号分析了水力裂缝扩展方位和范围，微震信号主要发生在压裂钻孔的北东向和南西向，该方向正好与最大水平主应力方向吻合；水力裂缝近乎水平展开，在泵送流量为150L/min时的水力裂缝最大扩展半径可达约34m。