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        眼前山鐵礦水壓致裂礦巖預(yù)處理裂隙擴(kuò)展研究

        2020-07-20 10:08:48劉育明陳曉云陳小偉張洪昌任海龍
        中國(guó)礦山工程 2020年3期
        關(guān)鍵詞:方向

        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,獲得裂縫的參數(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性化地震定位方法“Geiger方法[9]”,即將地震波走時(shí)非線性方程線性化,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)觀測(cè)結(jié)果。如果我們有n個(gè)觀測(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?,F(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)的線性方程式,對(duì)于每一個(gè)觀測(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 水位觀測(cè)孔觀測(cè)情況

        水位觀測(cè)顯示,在0~120m深度壓裂實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水位觀測(cè)孔W1和E1觀測(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(低于觀測(cè)孔深度)時(shí)所有觀測(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)法切穿水位觀測(cè)孔,如果破裂面為豎直方向,則破裂面連通水位觀測(cè)孔不受觀測(cè)孔深度的制約,因此觀測(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。

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