眼前山铁矿水压致裂矿岩预处理裂隙扩展研究

李 光， 刘育明， 陈晓云， 陈小伟， 孙 尧， 李 文， 彭 华，张洪昌， 任海龙

(1.鞍钢集团矿业有限公司眼前山分公司, 辽宁 鞍山 114001； 2.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038；3.中国地质科学院地质力学研究所， 北京 100081)

1 前言

自然崩落法[1]是一种借助拉底及削弱工程诱导矿岩体中的应力发生变化，并借助矿岩体中节理裂隙的发展而形成裂隙网，然后在自重作用下自然崩落，是一种不依赖凿岩爆破落矿的高强度、低成本、大规模地下采矿方法。早期自然崩落采矿法主要用于开采松软破碎矿体，随着矿岩预处理技术的应用，自然崩落采矿法逐渐扩大到中等稳固以上、节理中等发育、应力大的坚硬矿体。

崩落采矿中的矿岩预处理是指对岩体结构改造使其能够更好地控制或管理崩落采矿过程。目前崩落采矿界公认的适用于矿岩预处理的方法主要有水压致裂法、控制爆破法或者两者的组合。基于水压致裂的预处理[2]是通过引入附加的或人工的大尺寸破裂来影响整体的岩体特性，水压致裂技术作为一种改造岩体结构的方法在金属矿山自然崩落法开采中得到了应用，并已成为世界范围内崩落采矿实践者们的一项必备技术。通过水力压裂预处理可以在回采前或回采中改善矿岩可崩性以及控制破碎块度[3]。水压致裂技术首次应用于矿岩预处理是在澳大利亚Northparkes矿的E26矿体，该试验主要在监测水力裂缝扩展、评价致裂对岩体强度和地应力的影响等方面做了初步研究，随后该技术在澳大利亚的Cadia East矿和智利的Salvador矿、El Teniente矿得到推广应用。

眼前山铁矿地处鞍山市东部，距鞍山市中心约15km，自2012年由露天开采全面转入地下开采，正探索通过水压致裂矿岩预处理技术改善矿体可崩性实现硬岩矿自然崩落法开采。通过监测水压致裂诱导裂隙的扩展范围，对实际生产应用中压裂孔布置、孔间距、压裂间距等参数确定有重要指导作用，同时对提高生产效率、节约生产成本、安全生产具有重要意义。

2 微地震监测技术

井下微地震裂缝监测通过采集微震信号并对其进行处理和解释，获得裂缝的参数信息从而实现压裂过程实时监测，可用来管理压裂过程和压裂后分析，是目前判断压裂裂缝最准确的方法之一。水力压裂产生微地震释放的弹性波，其频率相当高，在100～2 000Hz声波频率范围内变化。这些弹性波信号可以采用合适的接收仪在邻井及地面基岩检测到，通过分析处理就能够判断微地震的具体位置。在硬岩金属矿进行水压致裂预处理施工时，在压裂井的邻井及周边基岩硬地面放入一组高频检波器，对压裂过程中形成的微地震事件进行接收，通过地面的数据采集系统接收这些微地震数据，然后对其进行处理来确定微地震的震源在空间和时间上的分布，最终得到水力裂缝的缝高、缝长及破裂面的走向、倾角等信息。

3 矿体岩石物理力学参数及应力场参数

本次水压致裂矿岩预处理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。通过微机控制电液伺服压力试验机TAW-2000等设备开展岩石物理力学参数测试，获取的岩石物理力学参数见表1。

表1 岩石物理力学参数测试结果

由于压裂产生的破裂面在延展过程中受区域构造应力场的控制，因此开展矿体预处理试验前进行了水压致裂[4-5]及空心包体[6-8]地应力测量。地应力测量结果表明，预处理区主控应力场状态以水平应力为主导，最大主应力和中间主应力均为水平应力，最小主应力为垂直应力。其中最大水平主应力为14.67～35.68MPa，方位为N30°E～N60°E，最小水平主应力为9.06～20.23MPa，水平应力随深度基本呈线性增长，该区域地应力大小属于一般水平。

4 水压致裂矿岩预处理试验

4.1 压裂试验设备现场布置

水压致裂矿岩预处理试验注水采用流量50L/min高压泵3台，额定压力50MPa；微地震数据采集使用响应频率100Hz高频检波器及特别定制的高速动态信号分析系统。

水压致裂矿岩预处理主压裂孔位于-195m水平巷道交汇处，钻孔所在位置净高9.4m，钻孔直径97cm，孔深305m。前期调查结果显示研究区岩体完整性较好，有垂直裂隙发育，期望通过水压致裂的方法产生水平裂缝，进而达到使完整岩体破裂成小块的目的。

试验设计在主压裂孔东南西北四个方向巷道里部署8个水位监测孔，孔深126m，通过水位监测孔内高精度水位计的读数变化确认裂缝大致的扩展方向、距离，具体见表2。同时在-195m水平巷道内布置7个高频检波器，水位监测孔内布置4个高频检波器(表3)，利用微震监测的方法精确定位出压裂裂缝形成的位置。现场仪器布置图如图1所示。

4.2 微地震数据分析处理

通过对检波器采集到的由岩石破裂产生微地震数据进行筛选、到时标定等预处理，即可进行微震定位工作。一般来说，对于微震震源的空间位置(x/y/z坐标)和发震时间(时刻t)这4个震源参数，需要至少4个检波器在相近的时间记录到该地震事件，才可进行定位。图2所示为检波器D1、D2、D5、D7记录到的两次标准的微地震事件。

表2 水位监测孔信息表(主压裂孔为坐标原点)

表3 微震检波器部署情况(主压裂孔为坐标原点)

图1 实验现场仪器与设备布置图

图2 典型的微地震事件

微震定位使用的是流行的线性化地震定位方法“Geiger方法[9]”，即将地震波走时非线性方程线性化，求取微地震事件的震源参数。

(1)

式中，T是走时，是台站位置与震源的函数。这个方程式有4个未知数，即对于所要求的震源参数x0、y0、z0、t0。所以为了确定震源和发震时刻，一般需要至少3个台站的4个到时观测结果。如果我们有n个观测结果，就会有n个上述形式的方程式，而方程组是超定的，必须通过使各个台站的不吻合程度或残差ri最小化的方法来求解。ri定义为观测走时与理论走时之间的差为

(2)

我们现在假设这些残差是由于试算结果中的误差造成的，需要使它们为零的校正值为Δx、Δy、Δz和Δt。如果校正值较小，我们可以用Taylor级数，并只用其第一项，由逼近走时函数来计算走时中相应的校正值。现在残差为

ri=(∂T/∂xi)+Δx+(∂T/∂yi)×Δy+(∂T/∂zi)×Δz+Δt

(3)

将其写作矩阵形式为

r=G×X

(4)

式中，r为残差矢量；G为偏导数的矩阵(相应于震源时间校正项的最后一列为1)；而X为位置和发震时刻中的未知校正矢量。

这是一组有4个未知数的(对震源与发震时刻的校正值)的线性方程式，对于每一个观测的震相时间，都有一个方程式。正常情况下，会有多于未知数个数的方程式。走时残差方程的最佳解通常由标准最小二乘法得到，原有的试算解就可用走时残差方程的结果加以校正，而这一新解即可用作下一次迭代的试算解。这一迭代过程可以继续，直至达到预定义的停止点为止。停止点的条件可以是最小残差r，或给出小于预定义极限的震源参数变化的最后一次迭代，或只是迭代的总数。

4.3 微地震数据处理结果

按照设计，水压致裂矿岩预处理试验在主观测孔0～100m每10m进行一次压裂试验；100～200m每5m进行一次压裂试验；200～300m每2m进行一次压裂试验。受钻孔条件影响，实际压裂试验测试深度范围在20～270m，共进行64次试验，采用的泵量为150L/min。通过微震定位，共定位出207个有效微地震事件，200m深度以下可定位的微地震事件较少，这与微震检波器的灵敏度、实验现场的噪音水平有关，微地震水平分布如图3所示。水压致裂试产生的微地震水平分布圆圈为水位监测孔，三角为微地震检波器，色度条显示微地震震源深度。

图3 微地震水平分布图

从微震分布上来看，破裂引起的微震分布多位于第一和第三象限，表明压裂产生的破裂优选方向为北东- 南西向或北东东- 南西西向，与此前地应力测试所得的最大主应力方向基本吻合，表明破裂主要沿最大主应力方向展开。同时，由微震深度分布图(图4、图5，其中色度条表示水压致裂试验的回次)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，其中图6和图7显示第8回次压裂试验产生的微地震事件分布，图8所示为微地震分布3D空间视图，其中点表示水压致裂产生的微地震事件，柱体表示主压裂孔。微地震定位结果表明裂缝近乎水平展开，符合本次实验的目的。

图4 全部微震事件沿东西方向垂直分布图

图5 全部微震事件沿南北方向垂直分布图

图6 第8回次试验微震沿东西方向垂直分布

图7 第8回次试验微震沿南北方向垂直分布

图8 水压致裂试产生的微地震3D空间视图

压裂时间与破裂距离关系如图9所示，在150L/min的泵量下，破裂距离最大可达34m，全部64轮压裂实验裂缝最大扩展距离平均值24.54m，标准差5.73。本次实验所观测到的微震基本都在1 500s内，表明该泵量下的岩石破裂在1 500s内已达到最大延伸距离。

图9 压裂时间与破裂延伸距离的关系

4.4 水位观测孔观测情况

水位观测显示，在0～120m深度压裂实验过程中水位观测孔W1和E1观测孔有明显的水位上升情况，在压裂停止后水位逐渐恢复到正常水位变化如图10所示。此观测结果表明0～120m的测段每次压裂裂隙均可连通W1和E1观测孔，换而言之在0～100m深度压裂产生的破裂面可以切开W1和E1观测孔；W2在0～120 m试验过程中水位上涨较慢。而实验深度在130m以下(低于观测孔深度)时所有观测孔均未出水，此情况也表明压裂产生的破裂面在130m以下无法切穿水位观测孔，如果破裂面为竖直方向，则破裂面连通水位观测孔不受观测孔深度的制约，因此观测孔的水位变化情况表明，水压致裂矿石预处理试验产生的裂缝受垂向最小应力控制，其展布为水平方向。

图10 压裂过程中水位观测孔的水位变化

5 结论

对眼前山铁矿矿体进行水压致裂矿岩预处理试验，基于微地震定位技术和水位观测，分析其产生的裂隙扩展范围及延伸方向、破裂面的倾向，得到以下结论：

(1)泵量150L/min时，裂缝最大扩展距离为34m，最大扩展距离平均值24.54 m，该泵量下1 500s内裂缝已充分扩展。

(2)微地震平面分布大致为椭圆，其长轴方向与区域上水平最大主应力方向近乎一致，表明裂缝扩展受构造应力场影响，扩展方向为最大主应力方向。应用于生产时沿水平最大主应力方向压裂孔的排布密度应小于水平最小主应力方向。

(3)水压致裂试验产生的破裂面受空间上最小主应力方向控制，其法线方向为最小主应力方向，因此可以根据区域上的最小主应力方向，对压裂产生的破裂面进行预期。