眼前山鐵礦水壓致裂礦巖預(yù)處理裂隙擴(kuò)展研究

李 光， 劉育明， 陳曉云， 陳小偉， 孫 堯， 李 文， 彭 華，張洪昌， 任海龍

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司眼前山分公司, 遼寧 鞍山 114001； 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038；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

自然崩落法[1]是一種借助拉底及削弱工程誘導(dǎo)礦巖體中的應(yīng)力發(fā)生變化，并借助礦巖體中節(jié)理裂隙的發(fā)展而形成裂隙網(wǎng)，然后在自重作用下自然崩落，是一種不依賴(lài)鑿巖爆破落礦的高強(qiáng)度、低成本、大規(guī)模地下采礦方法。早期自然崩落采礦法主要用于開(kāi)采松軟破碎礦體，隨著礦巖預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用，自然崩落采礦法逐漸擴(kuò)大到中等穩(wěn)固以上、節(jié)理中等發(fā)育、應(yīng)力大的堅(jiān)硬礦體。

崩落采礦中的礦巖預(yù)處理是指對(duì)巖體結(jié)構(gòu)改造使其能夠更好地控制或管理崩落采礦過(guò)程。目前崩落采礦界公認(rèn)的適用于礦巖預(yù)處理的方法主要有水壓致裂法、控制爆破法或者兩者的組合?；谒畨褐铝训念A(yù)處理[2]是通過(guò)引入附加的或人工的大尺寸破裂來(lái)影響整體的巖體特性，水壓致裂技術(shù)作為一種改造巖體結(jié)構(gòu)的方法在金屬礦山自然崩落法開(kāi)采中得到了應(yīng)用，并已成為世界范圍內(nèi)崩落采礦實(shí)踐者們的一項(xiàng)必備技術(shù)。通過(guò)水力壓裂預(yù)處理可以在回采前或回采中改善礦巖可崩性以及控制破碎塊度[3]。水壓致裂技術(shù)首次應(yīng)用于礦巖預(yù)處理是在澳大利亞Northparkes礦的E26礦體，該試驗(yàn)主要在監(jiān)測(cè)水力裂縫擴(kuò)展、評(píng)價(jià)致裂對(duì)巖體強(qiáng)度和地應(yīng)力的影響等方面做了初步研究，隨后該技術(shù)在澳大利亞的Cadia East礦和智利的Salvador礦、El Teniente礦得到推廣應(yīng)用。

眼前山鐵礦地處鞍山市東部，距鞍山市中心約15km，自2012年由露天開(kāi)采全面轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，正探索通過(guò)水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)改善礦體可崩性實(shí)現(xiàn)硬巖礦自然崩落法開(kāi)采。通過(guò)監(jiān)測(cè)水壓致裂誘導(dǎo)裂隙的擴(kuò)展范圍，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中壓裂孔布置、孔間距、壓裂間距等參數(shù)確定有重要指導(dǎo)作用，同時(shí)對(duì)提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)

井下微地震裂縫監(jiān)測(cè)通過(guò)采集微震信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理和解釋?zhuān)@得裂縫的參數(shù)信息從而實(shí)現(xiàn)壓裂過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可用來(lái)管理壓裂過(guò)程和壓裂后分析，是目前判斷壓裂裂縫最準(zhǔn)確的方法之一。水力壓裂產(chǎn)生微地震釋放的彈性波，其頻率相當(dāng)高，在100～2 000Hz聲波頻率范圍內(nèi)變化。這些彈性波信號(hào)可以采用合適的接收儀在鄰井及地面基巖檢測(cè)到，通過(guò)分析處理就能夠判斷微地震的具體位置。在硬巖金屬礦進(jìn)行水壓致裂預(yù)處理施工時(shí)，在壓裂井的鄰井及周邊基巖硬地面放入一組高頻檢波器，對(duì)壓裂過(guò)程中形成的微地震事件進(jìn)行接收，通過(guò)地面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收這些微地震數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行處理來(lái)確定微地震的震源在空間和時(shí)間上的分布，最終得到水力裂縫的縫高、縫長(zhǎng)及破裂面的走向、傾角等信息。

3 礦體巖石物理力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)

本次水壓致裂礦巖預(yù)處理工業(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。通過(guò)微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)TAW-2000等設(shè)備開(kāi)展巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，獲取的巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

由于壓裂產(chǎn)生的破裂面在延展過(guò)程中受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制，因此開(kāi)展礦體預(yù)處理試驗(yàn)前進(jìn)行了水壓致裂[4-5]及空心包體[6-8]地應(yīng)力測(cè)量。地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，預(yù)處理區(qū)主控應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力均為水平應(yīng)力，最小主應(yīng)力為垂直應(yīng)力。其中最大水平主應(yīng)力為14.67～35.68MPa，方位為N30°E～N60°E，最小水平主應(yīng)力為9.06～20.23MPa，水平應(yīng)力隨深度基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，該區(qū)域地應(yīng)力大小屬于一般水平。

4 水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)

4.1 壓裂試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置

水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)注水采用流量50L/min高壓泵3臺(tái)，額定壓力50MPa；微地震數(shù)據(jù)采集使用響應(yīng)頻率100Hz高頻檢波器及特別定制的高速動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)。

水壓致裂礦巖預(yù)處理主壓裂孔位于-195m水平巷道交匯處，鉆孔所在位置凈高9.4m，鉆孔直徑97cm，孔深305m。前期調(diào)查結(jié)果顯示研究區(qū)巖體完整性較好，有垂直裂隙發(fā)育，期望通過(guò)水壓致裂的方法產(chǎn)生水平裂縫，進(jìn)而達(dá)到使完整巖體破裂成小塊的目的。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)在主壓裂孔東南西北四個(gè)方向巷道里部署8個(gè)水位監(jiān)測(cè)孔，孔深126m，通過(guò)水位監(jiān)測(cè)孔內(nèi)高精度水位計(jì)的讀數(shù)變化確認(rèn)裂縫大致的擴(kuò)展方向、距離，具體見(jiàn)表2。同時(shí)在-195m水平巷道內(nèi)布置7個(gè)高頻檢波器，水位監(jiān)測(cè)孔內(nèi)布置4個(gè)高頻檢波器(表3)，利用微震監(jiān)測(cè)的方法精確定位出壓裂裂縫形成的位置?，F(xiàn)場(chǎng)儀器布置圖如圖1所示。

4.2 微地震數(shù)據(jù)分析處理

通過(guò)對(duì)檢波器采集到的由巖石破裂產(chǎn)生微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、到時(shí)標(biāo)定等預(yù)處理，即可進(jìn)行微震定位工作。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于微震震源的空間位置(x/y/z坐標(biāo))和發(fā)震時(shí)間(時(shí)刻t)這4個(gè)震源參數(shù)，需要至少4個(gè)檢波器在相近的時(shí)間記錄到該地震事件，才可進(jìn)行定位。圖2所示為檢波器D1、D2、D5、D7記錄到的兩次標(biāo)準(zhǔn)的微地震事件。

表2 水位監(jiān)測(cè)孔信息表(主壓裂孔為坐標(biāo)原點(diǎn))

表3 微震檢波器部署情況(主壓裂孔為坐標(biāo)原點(diǎn))

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)儀器與設(shè)備布置圖

圖2 典型的微地震事件

微震定位使用的是流行的線(xiàn)性化地震定位方法“Geiger方法[9]”，即將地震波走時(shí)非線(xiàn)性方程線(xiàn)性化，求取微地震事件的震源參數(shù)。

(1)

式中，T是走時(shí)，是臺(tái)站位置與震源的函數(shù)。這個(gè)方程式有4個(gè)未知數(shù)，即對(duì)于所要求的震源參數(shù)x0、y0、z0、t0。所以為了確定震源和發(fā)震時(shí)刻，一般需要至少3個(gè)臺(tái)站的4個(gè)到時(shí)觀(guān)測(cè)結(jié)果。如果我們有n個(gè)觀(guān)測(cè)結(jié)果，就會(huì)有n個(gè)上述形式的方程式，而方程組是超定的，必須通過(guò)使各個(gè)臺(tái)站的不吻合程度或殘差ri最小化的方法來(lái)求解。ri定義為觀(guān)測(cè)走時(shí)與理論走時(shí)之間的差為

(2)

我們現(xiàn)在假設(shè)這些殘差是由于試算結(jié)果中的誤差造成的，需要使它們?yōu)榱愕男Ｕ禐棣、Δy、Δz和Δt。如果校正值較小，我們可以用Taylor級(jí)數(shù)，并只用其第一項(xiàng)，由逼近走時(shí)函數(shù)來(lái)計(jì)算走時(shí)中相應(yīng)的校正值。現(xiàn)在殘差為

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

(3)

將其寫(xiě)作矩陣形式為

r=G×X

(4)

式中，r為殘差矢量；G為偏導(dǎo)數(shù)的矩陣(相應(yīng)于震源時(shí)間校正項(xiàng)的最后一列為1)；而X為位置和發(fā)震時(shí)刻中的未知校正矢量。

這是一組有4個(gè)未知數(shù)的(對(duì)震源與發(fā)震時(shí)刻的校正值)的線(xiàn)性方程式，對(duì)于每一個(gè)觀(guān)測(cè)的震相時(shí)間，都有一個(gè)方程式。正常情況下，會(huì)有多于未知數(shù)個(gè)數(shù)的方程式。走時(shí)殘差方程的最佳解通常由標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法得到，原有的試算解就可用走時(shí)殘差方程的結(jié)果加以校正，而這一新解即可用作下一次迭代的試算解。這一迭代過(guò)程可以繼續(xù)，直至達(dá)到預(yù)定義的停止點(diǎn)為止。停止點(diǎn)的條件可以是最小殘差r，或給出小于預(yù)定義極限的震源參數(shù)變化的最后一次迭代，或只是迭代的總數(shù)。

4.3 微地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果

按照設(shè)計(jì)，水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)在主觀(guān)測(cè)孔0～100m每10m進(jìn)行一次壓裂試驗(yàn)；100～200m每5m進(jìn)行一次壓裂試驗(yàn)；200～300m每2m進(jìn)行一次壓裂試驗(yàn)。受鉆孔條件影響，實(shí)際壓裂試驗(yàn)測(cè)試深度范圍在20～270m，共進(jìn)行64次試驗(yàn)，采用的泵量為150L/min。通過(guò)微震定位，共定位出207個(gè)有效微地震事件，200m深度以下可定位的微地震事件較少，這與微震檢波器的靈敏度、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的噪音水平有關(guān)，微地震水平分布如圖3所示。水壓致裂試產(chǎn)生的微地震水平分布圓圈為水位監(jiān)測(cè)孔，三角為微地震檢波器，色度條顯示微地震震源深度。

圖3 微地震水平分布圖

從微震分布上來(lái)看，破裂引起的微震分布多位于第一和第三象限，表明壓裂產(chǎn)生的破裂優(yōu)選方向?yàn)楸睎|- 南西向或北東東- 南西西向，與此前地應(yīng)力測(cè)試所得的最大主應(yīng)力方向基本吻合，表明破裂主要沿最大主應(yīng)力方向展開(kāi)。同時(shí)，由微震深度分布圖(圖4、圖5，其中色度條表示水壓致裂試驗(yàn)的回次)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，其中圖6和圖7顯示第8回次壓裂試驗(yàn)產(chǎn)生的微地震事件分布，圖8所示為微地震分布3D空間視圖，其中點(diǎn)表示水壓致裂產(chǎn)生的微地震事件，柱體表示主壓裂孔。微地震定位結(jié)果表明裂縫近乎水平展開(kāi)，符合本次實(shí)驗(yàn)的目的。

圖4 全部微震事件沿東西方向垂直分布圖

圖5 全部微震事件沿南北方向垂直分布圖

圖6 第8回次試驗(yàn)微震沿東西方向垂直分布

圖7 第8回次試驗(yàn)微震沿南北方向垂直分布

圖8 水壓致裂試產(chǎn)生的微地震3D空間視圖

壓裂時(shí)間與破裂距離關(guān)系如圖9所示，在150L/min的泵量下，破裂距離最大可達(dá)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，標(biāo)準(zhǔn)差5.73。本次實(shí)驗(yàn)所觀(guān)測(cè)到的微震基本都在1 500s內(nèi)，表明該泵量下的巖石破裂在1 500s內(nèi)已達(dá)到最大延伸距離。

圖9 壓裂時(shí)間與破裂延伸距離的關(guān)系

4.4 水位觀(guān)測(cè)孔觀(guān)測(cè)情況

水位觀(guān)測(cè)顯示，在0～120m深度壓裂實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水位觀(guān)測(cè)孔W1和E1觀(guān)測(cè)孔有明顯的水位上升情況，在壓裂停止后水位逐漸恢復(fù)到正常水位變化如圖10所示。此觀(guān)測(cè)結(jié)果表明0～120m的測(cè)段每次壓裂裂隙均可連通W1和E1觀(guān)測(cè)孔，換而言之在0～100m深度壓裂產(chǎn)生的破裂面可以切開(kāi)W1和E1觀(guān)測(cè)孔；W2在0～120 m試驗(yàn)過(guò)程中水位上漲較慢。而實(shí)驗(yàn)深度在130m以下(低于觀(guān)測(cè)孔深度)時(shí)所有觀(guān)測(cè)孔均未出水，此情況也表明壓裂產(chǎn)生的破裂面在130m以下無(wú)法切穿水位觀(guān)測(cè)孔，如果破裂面為豎直方向，則破裂面連通水位觀(guān)測(cè)孔不受觀(guān)測(cè)孔深度的制約，因此觀(guān)測(cè)孔的水位變化情況表明，水壓致裂礦石預(yù)處理試驗(yàn)產(chǎn)生的裂縫受垂向最小應(yīng)力控制，其展布為水平方向。

圖10 壓裂過(guò)程中水位觀(guān)測(cè)孔的水位變化

5 結(jié)論

對(duì)眼前山鐵礦礦體進(jìn)行水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)，基于微地震定位技術(shù)和水位觀(guān)測(cè)，分析其產(chǎn)生的裂隙擴(kuò)展范圍及延伸方向、破裂面的傾向，得到以下結(jié)論：

(1)泵量150L/min時(shí)，裂縫最大擴(kuò)展距離為34m，最大擴(kuò)展距離平均值24.54 m，該泵量下1 500s內(nèi)裂縫已充分?jǐn)U展。

(2)微地震平面分布大致為橢圓，其長(zhǎng)軸方向與區(qū)域上水平最大主應(yīng)力方向近乎一致，表明裂縫擴(kuò)展受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響，擴(kuò)展方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向。應(yīng)用于生產(chǎn)時(shí)沿水平最大主應(yīng)力方向壓裂孔的排布密度應(yīng)小于水平最小主應(yīng)力方向。

(3)水壓致裂試驗(yàn)產(chǎn)生的破裂面受空間上最小主應(yīng)力方向控制，其法線(xiàn)方向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力方向，因此可以根據(jù)區(qū)域上的最小主應(yīng)力方向，對(duì)壓裂產(chǎn)生的破裂面進(jìn)行預(yù)期。