水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)及其在自然崩落法礦山的應(yīng)用實(shí)踐

劉育明,李 文,王 鑫,夏長(zhǎng)念,卞開(kāi)文,吳 巖,陳小偉,黃海根,裴青彥(.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 00038;.山西北方銅業(yè)有限公司銅礦峪礦,山西 運(yùn)城 043700)

1 前言

自然崩落法采礦技術(shù)是一種可實(shí)現(xiàn)地下礦產(chǎn)資源低成本、高效率開(kāi)發(fā)的采礦方法,主要適用于開(kāi)采礦體厚大、陡傾角、礦巖完整性差的礦床,發(fā)展至今已有120多年歷史,在全球范圍內(nèi)20多個(gè)國(guó)家/地區(qū)的50余座礦山成功應(yīng)用,主要以開(kāi)采銅/金/鉬等礦石為主。國(guó)際上知名的自然崩落法礦山主要有智利的 El Teniente礦、El Salvador礦,澳大利亞的Cadia East礦、Northparkes礦、Ridgeway礦,南非的Palabora礦,美國(guó)的Henderson礦,印尼的Deep Ore Zone(DOZ)礦以及中國(guó)的銅礦峪礦、普朗銅礦等,全球在產(chǎn)或在建自然崩落法礦山分布如圖1所示。鑒于自然崩落法采礦技術(shù)在生產(chǎn)成本及規(guī)模等方面的突出優(yōu)勢(shì),近些年受到了國(guó)際礦業(yè)界的廣泛關(guān)注,一批新的自然崩落法開(kāi)采礦山正在逐漸形成,如智利丘基卡馬塔(Chuquicamata)銅礦、塞爾維亞賈瑪(Jama)銅礦等。

圖1 全球在產(chǎn)/在建自然崩落法礦山分布圖

自然崩落法采礦技術(shù)是隨著新技術(shù)和新裝備的應(yīng)用而不斷發(fā)展的。劉育明等人[1]結(jié)合國(guó)際自然崩落法采礦技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀并依托在我國(guó)銅礦峪礦、普朗銅礦等自然崩落法礦山的長(zhǎng)期工程實(shí)踐和技術(shù)積累基礎(chǔ)上,總結(jié)形成了現(xiàn)代自然崩落法開(kāi)采理論與技術(shù),對(duì)自然崩落法采礦技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了詳盡闡述。其中,越來(lái)越多的硬巖礦山采用自然崩落法開(kāi)采技術(shù)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。硬巖礦山自然崩落法開(kāi)采成功與否的關(guān)鍵在于其礦巖崩落特性,礦巖崩落特性直接影響自然崩落法礦山生產(chǎn)過(guò)程中的大塊率、崩落速率、卡斗/懸頂、崩落中止成拱等問(wèn)題。為了改善硬巖礦山的礦巖崩落特性,國(guó)外一些自然崩落法礦山在生產(chǎn)過(guò)程中逐漸形成并應(yīng)用了礦巖預(yù)處理技術(shù)[2],即通過(guò)一種(或一組)弱化自然崩落法礦山采場(chǎng)礦塊的人工措施在礦體內(nèi)部制造人工裂隙改變礦體的結(jié)構(gòu)特征以增強(qiáng)礦體的可崩性使礦體保持持續(xù)穩(wěn)定崩落并達(dá)到期望的破碎塊度?，F(xiàn)階段礦巖預(yù)處理已成為國(guó)外自然崩落法礦山生產(chǎn)過(guò)程中的常規(guī)作業(yè),采用的方法包括水壓致裂礦巖預(yù)處理、鉆孔爆破礦巖預(yù)處理以及兩者的聯(lián)合應(yīng)用[3]。

水壓致裂礦巖預(yù)處理是當(dāng)前自然崩落法礦山應(yīng)用效果較好的一種礦巖預(yù)處理技術(shù),在國(guó)外礦山的應(yīng)用研究已較為成熟,但相關(guān)的公開(kāi)可獲取資料較少,極大地限制了我國(guó)自然崩落法采礦領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)在水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)方面的研究和應(yīng)用還處于起步階段,中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司自然崩落法采礦技術(shù)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展金屬礦山堅(jiān)硬巖體水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)研究[4-5],并在國(guó)內(nèi)首座自然崩落法礦山銅礦峪礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)研究。為了促進(jìn)我國(guó)自然崩落法采礦技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新,本文依托銅礦峪礦水壓致裂礦巖預(yù)處理研究項(xiàng)目,介紹了自然崩落法礦山水壓致裂礦巖預(yù)處理成套技術(shù)裝備及作業(yè)工藝,分析水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)過(guò)程參數(shù)、現(xiàn)象及壓裂效果,總結(jié)形成適用于我國(guó)自然崩落法礦山的水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù),為國(guó)內(nèi)礦山及科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展類似研究提供參考借鑒。

2 水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)

為了改善自然崩落法礦山的礦巖崩落特性,國(guó)外學(xué)者提出了“礦巖預(yù)處理”的概念,通過(guò)人工工程在崩落開(kāi)始前對(duì)待崩落礦體進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)礦巖崩落特性的改變。水壓致裂技術(shù)發(fā)展至今已有幾十年的歷史,最早應(yīng)用于油氣開(kāi)采領(lǐng)域改善儲(chǔ)層的滲透性,隨后被推廣應(yīng)用在煤礦堅(jiān)硬頂板卸壓增透、深部地應(yīng)力測(cè)量等領(lǐng)域。國(guó)外礦業(yè)學(xué)者將水壓致裂技術(shù)引入到自然崩落法礦山礦巖預(yù)處理領(lǐng)域并得到了較好的應(yīng)用效果,目前已成為自然崩落法礦山應(yīng)用最為廣泛的礦巖預(yù)處理技術(shù),在改善礦巖崩落特性、降低大塊率及礦震等級(jí)等方面發(fā)揮了重要作用。水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)是指按照壓裂鉆孔布置方案施工深鉆孔通達(dá)待崩落礦體并在鉆孔中按照一定間距逐段封隔注入高壓水使鉆孔孔壁產(chǎn)生新裂隙或擴(kuò)展原生裂隙,上述裂隙在持續(xù)注入的高壓水驅(qū)動(dòng)作用下向外持續(xù)擴(kuò)展延伸,實(shí)現(xiàn)鉆孔全孔段礦巖體的壓裂處理。

水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)在國(guó)外自然崩落法礦山已有十多年的研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),澳大利亞的Cadia East礦[6]、Northparkes礦、智利的 El Salvador礦[7]、El Teniente礦[8]等是較早開(kāi)展水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)研究的自然崩落法礦山。近幾年,一些新近采用自然崩落法開(kāi)采礦山也開(kāi)展了水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用研究,例如智利的Chuquicamata礦[9]、印尼的DMLZ礦[10]等。圖2所示是Cadia East礦在PC1-S1礦塊開(kāi)展的水壓致裂礦巖預(yù)處理工業(yè)試驗(yàn)鉆孔布置及裝備系統(tǒng)圖。壓裂鉆孔施工巷道位于PC1-S1礦塊上部,鉆孔為下向深孔且呈交錯(cuò)布置,壓裂鉆孔系統(tǒng)主要包括高壓注水泵、跨位式封隔器、鉆機(jī)、儲(chǔ)水箱等。

圖2 澳大利亞Cadia East礦水壓致裂礦巖預(yù)處理工程

3 工程應(yīng)用案例

3.1 工程概況

銅礦峪礦位于山西省運(yùn)城市垣曲縣,是山西北方銅業(yè)有限公司的主營(yíng)礦山,于1958年1月開(kāi)工建設(shè),距今已有六十多年的開(kāi)采歷史。銅礦峪礦以古老的斑巖銅礦著稱,主要賦存于變鉀質(zhì)基性火山巖層內(nèi),主礦體有兩條(4#和5#礦體),兩礦體在平面上呈巨大透鏡狀,傾向北西,傾角40°～60°,沿傾斜為似板狀;兩礦體在空間上平行展布,間距約為110～130 m,5#礦體位于4#礦體下盤。

現(xiàn)階段,銅礦峪礦正處于二期工程開(kāi)采階段,設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模約600萬(wàn)t/a,采用膠帶斜井-輔助斜坡道-盲混合井聯(lián)合開(kāi)拓的鏟運(yùn)機(jī)出礦自然崩落法[11]。銅礦峪礦二期工程分成兩個(gè)中段分步開(kāi)采:530 m中段開(kāi)采530～690 m之間礦體,于2008年開(kāi)始基建施工,2010年6月開(kāi)始拉底爆破,目前530 m中段出礦工作已接近尾聲;410 m中段開(kāi)采410～530 m之間礦體,于2017年1月開(kāi)始基建施工,目前已開(kāi)始拉底出礦工作。

銅礦峪礦由530 m中段向410 m中段過(guò)渡期間的產(chǎn)能銜接穩(wěn)定是礦山生產(chǎn)保障的重要工作,根據(jù)礦山生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃安排,在410 m中段首采區(qū)需形成持續(xù)出礦能力,即需要首采區(qū)上覆礦巖在拉底工程實(shí)施后可保持持續(xù)穩(wěn)定崩落。基于以上背景并考慮到銅礦峪礦深部礦巖的崩落特性變差的現(xiàn)狀,提出了在410 m中段首采區(qū)開(kāi)展水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)以促進(jìn)首采區(qū)礦巖的持續(xù)崩落。

3.2 水壓致裂礦巖處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)區(qū)域及試驗(yàn)系統(tǒng)方案

中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司與北方銅業(yè)銅礦峪礦合作開(kāi)展了4#和5#礦體410 m中段首采區(qū)水壓致裂礦巖預(yù)處理應(yīng)用試驗(yàn)研究,其中5#礦體410 m中段首采區(qū)水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)于2020年12月6日開(kāi)始,并于2021年1月27日完成;4#礦體410 m中段首采區(qū)水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)于2021年10月12日開(kāi)始,并于2022年3月7日完成。圖3所示為銅礦峪礦4#礦體410 m中段首采區(qū)范圍(紅色閉合線框)及壓裂鉆孔布置示意圖,首采區(qū)面積約11 900 m2,壓裂鉆孔分別布置在530 m水平(1#和 5#鉆孔)和554 m水平(2#、3#、4#和 6#鉆孔),壓裂鉆孔為豎直孔,孔底位于410 m中段拉底工程頂部水平,530 m水平壓裂鉆孔深度約71 m,554 m水平壓裂鉆孔深度約95 m。

圖3 4#礦體首采區(qū)范圍及壓裂鉆孔布置示意圖

按照如圖4所示系統(tǒng)搭建了現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)裝備體系,包括高壓注水泵、儲(chǔ)水槽、輸水管路、封隔器及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中采用了不同流量規(guī)格的高壓注水泵,小流量高壓注水泵用于給封隔器注水,大流量高壓注水泵用于給壓裂段注水。圖5所示為4#礦體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程使用的250TJ3型大流量高壓注水泵,共2臺(tái),單臺(tái)最大流量約159 L/min、最大許用壓力55 MPa。儲(chǔ)水槽采用鋼管架、木板、隔水帆布等搭建而成。封隔器采用橡膠廠定制加工的膠筒與金屬管件、連接件等組裝而成。高壓輸水管路由高壓鋼絲膠管和寶鋼R780?50地質(zhì)鉆桿連接形成。圖6所示為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于高壓泵注水過(guò)程的壓力及流量監(jiān)測(cè)以及水壓致裂過(guò)程水力裂縫擴(kuò)展的微震信號(hào)監(jiān)測(cè)。

圖4 水壓致裂礦巖預(yù)處理試驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 大流量高壓注水泵

現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)前采用高清鉆孔攝像儀對(duì)鉆孔孔壁圖像進(jìn)行了采集,具體如圖7所示,根據(jù)鉆孔圖像將孔內(nèi)破碎段剔除出壓裂計(jì)劃,然后將組裝完成并密封檢驗(yàn)的封隔器下放至孔內(nèi)壓裂段位置,按照如下壓裂計(jì)劃開(kāi)展逐段壓裂:鉆孔40 m深度以下按照1 m間距壓裂,鉆孔40 m深度以上按照1.5 m間距壓裂,孔口段10 m作為安全預(yù)留不壓裂。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)

圖7 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔孔壁圖像采集

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中封隔器注水與壓裂段注水采用雙管路。采用高壓鋼絲膠管將封隔器與小流量高壓注水泵連接,試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)開(kāi)啟小流量高壓注水泵給封隔器注水,當(dāng)壓力約為10 MPa時(shí)關(guān)閉注水閥門和關(guān)停注水泵。當(dāng)封隔器膨脹壓力保持穩(wěn)定時(shí)開(kāi)啟大流量高壓注水泵向壓裂段注水,持續(xù)注水時(shí)間約35 min?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行,實(shí)時(shí)采集水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)過(guò)程的注水壓力、流量、微震信號(hào)等信息。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)水壓致裂過(guò)程起裂壓力分析

水壓致裂過(guò)程起裂壓力主要與礦巖體強(qiáng)度、地應(yīng)力水平等因素相關(guān),該參數(shù)指標(biāo)對(duì)于自然崩落法礦山水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)高壓注水泵設(shè)備性能選型具有重要意義。圖8所示為銅礦峪礦4#礦體水壓致裂礦巖預(yù)處理過(guò)程典型注水壓力時(shí)程曲線,從曲線圖中可以獲取起裂壓力指標(biāo)。圖9所示為銅礦峪礦4#礦體410 m中段首采區(qū)水壓致裂礦巖預(yù)處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取的不同壓裂回次的起裂壓力。從圖中數(shù)據(jù)可以看出,最小起裂壓力為3.2 MPa,最大起裂壓力為42.4 MPa,平均值約為23.76 MPa。圖10所示為銅礦峪礦4#礦體410 m中段首采區(qū)水壓致裂礦巖預(yù)處理過(guò)程起裂壓力頻次分布圖,從圖中可以看出,起裂壓力主要集中在20～30 MPa,約占總壓裂次數(shù)的60%。

圖8 水壓致裂過(guò)程典型注水壓力曲線

圖9 銅礦峪礦4#礦體首采區(qū)水壓致裂起裂壓力散點(diǎn)圖

圖10 銅礦峪礦4#礦體首采區(qū)水壓致裂起裂壓力分布頻次圖

2)水壓致裂礦巖預(yù)處理效果分析

水壓致裂礦巖預(yù)處理實(shí)施前后的鉆孔孔壁圖像裂縫變化是直觀反映水壓致裂礦巖預(yù)處理效果的有效方式。圖11所示為銅礦峪礦4#礦體4#壓裂鉆孔在水壓致裂礦巖預(yù)處理實(shí)施前后的鉆孔孔壁圖像(鉆孔深度55～56 m和76～77 m),通過(guò)對(duì)比圖像可以直觀地看到在實(shí)施水壓致裂后鉆孔孔壁上新增了細(xì)微裂隙,見(jiàn)圖中箭頭指示位置,水壓致裂礦巖預(yù)處理可以有效增加巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育程度。

圖11 銅礦峪礦4#礦體4#鉆孔水壓致裂前后鉆孔圖像對(duì)比

水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)實(shí)施效果可以在自然崩落法礦山生產(chǎn)出礦過(guò)程中得到直觀反映。銅礦峪礦5#礦體410 m中段首采區(qū)在水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)實(shí)施后,實(shí)現(xiàn)了首采區(qū)礦巖的持續(xù)崩落,保障了銅礦峪礦在2021年生產(chǎn)過(guò)渡期間的產(chǎn)能穩(wěn)定。銅礦峪礦5#礦體410 m中段首采區(qū)在實(shí)施拉底后,出礦前期利用壓裂鉆孔采用測(cè)深法對(duì)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的崩落高度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),并計(jì)算了不同時(shí)期的崩落速率。出礦后期受拉底范圍增大及出礦量增多影響,上部原先實(shí)施水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)的工作水平巷道出現(xiàn)了破裂、垮塌,導(dǎo)致人員無(wú)法再次進(jìn)入測(cè)量。表1中列出了銅礦峪礦5#礦體410 m中段5#壓裂鉆孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出,2021年9月3日后礦山崩落速率急劇加快,在隨后的9月14日和9月30日分別觀察到了530 m水平巷道和554 m水平巷道的垮塌。截止2021年9月30日前的崩落速率平均為0.498 m/d。通過(guò)與銅礦峪礦530 m中段首采區(qū)平均崩落速率(0.12 m/d)比較發(fā)現(xiàn),410 m中段首采區(qū)水壓致裂礦巖預(yù)處理實(shí)施后礦巖崩落速率提升了約3倍。

表1 銅礦峪礦5#礦體410 m中段5#鉆孔崩落速率實(shí)測(cè)值

自然崩落法礦山出礦水平的大塊率直接反映著礦巖的崩落特性。2021年3月至5月,銅礦峪礦對(duì)5#礦體410 m中段首采區(qū)出礦水平的大塊情況進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明,5#礦體410中段首采區(qū)水壓致裂礦巖預(yù)處理實(shí)施后投產(chǎn)初期大塊率為14.6%,遠(yuǎn)低于530 m中段投產(chǎn)初期35%的大塊率,同期大塊率減少了20.4個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí),根據(jù)礦山現(xiàn)場(chǎng)出礦水平大塊塊度分析,5#礦體410中段首采區(qū)產(chǎn)出大塊塊度一般為1.5～3 m,多為中低位卡堵,特大塊高位卡堵情況較少,相比530 m中段高位大塊處理難度減小,礦山出礦水平大塊處理作業(yè)安全系數(shù)得到提高。

4 結(jié)論與展望

水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)是自然崩落法采礦領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù),對(duì)于自然崩落法礦山改善礦巖崩落特性及推動(dòng)自然崩落法采礦技術(shù)向硬巖礦山拓展應(yīng)用可起到重要作用。本文在分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外自然崩落法礦山水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)研究成果基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了研究團(tuán)隊(duì)在銅礦峪礦水壓致裂礦巖預(yù)處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究項(xiàng)目基礎(chǔ)上形成的水壓致裂礦巖預(yù)處理技術(shù)與裝備體系,并分析了實(shí)際應(yīng)用效果?；谘芯窟^(guò)程發(fā)現(xiàn)和存在的一些問(wèn)題,提出以下需要進(jìn)一步研究的課題或方向。

(1)高性能封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。封隔器是水壓致裂礦巖預(yù)處理過(guò)程中的易損耗件,且直接關(guān)系水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)過(guò)程安全。在水壓致裂礦巖預(yù)處理作業(yè)過(guò)程中封隔器的突然破裂失效將導(dǎo)致封隔器及孔內(nèi)鉆桿在注入的高壓水作用下如同活塞一樣被頂出,極大地影響水壓致裂作業(yè)的安全與工作效率。

(2)水壓致裂過(guò)程水力裂縫擴(kuò)展監(jiān)測(cè)與定位。通過(guò)對(duì)水力裂縫擴(kuò)展監(jiān)測(cè)與定位有助于了解水壓致裂礦巖預(yù)處理作用機(jī)理,對(duì)于水壓致裂礦巖預(yù)處理工藝改進(jìn)具有重要意義。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可能是水壓致裂礦巖預(yù)處理過(guò)程水力裂縫擴(kuò)展監(jiān)測(cè)與定位的有效手段,但在微震信號(hào)的捕獲、水力裂縫擴(kuò)展微震信號(hào)識(shí)別以及微震信號(hào)精準(zhǔn)定位等方面還需要深入研究。