自然崩落法[1]是一种采用拉底造成应力重分布，进而诱导矿石自然崩落的采矿方法。该采矿方法的生产能力大、便于组织管理、作业安全、开采成本低，特别是用于开采特厚大、低品位矿体时，可获得较好的经济效益。随着工艺的成熟及资源的枯竭，该采矿方法未来或将成为地下大规模开发矿山的主流采矿方法[2-3]。

自然崩落法生产工艺的核心是如何实现矿体的有效崩落[4],矿体可崩性是决定能否成功实现的关键，也是限制自然崩落法大规模应用的主要因素。目前国内金属矿山中该采矿方法仅在铜矿峪铜矿、普朗铜矿取得成功应用[5-6]。根据2022年全球矿产资源形势报告，我国金属矿产资源严重依赖国外进口，其中铜金属对外依存度接近70%[7],严重影响国家战略矿产资源安全。采用自然崩落法低成本开发低品位资源，对于资源利用和保障具有重要意义。

水力压裂在油气田开发中有着广泛的应用[8-9],近些年该技术被引入煤矿，用于顶板诱导破裂缓解地压显现[10-11]。针对水力压裂技术，多年来国内外学者进行了压裂理论、压裂室内测试、数值仿真、压裂效果监测和评价等较为系统的研究，在水力压裂层弱化机理、不同地层压裂工艺选择与参数优化、压裂裂纹扩展规律、压裂工艺设备与监测效果分析等方面取得较为丰硕的研究成果[12-16]。

目前国内水力压裂研究主要集中在油气田领域，煤矿方面集中在压裂放顶处理地压，对于压裂后裂缝扩展和块度要求较低，金属矿山领域研究尚处于探索阶段，有关水力压裂在自然崩落法难崩矿体预处理方面的研究很少。为此，本文以某铜矿难崩矿体为研究对象，采用水力压裂进行诱导预处理，开展水力压裂可压性分析、压裂裂缝扩展数值模拟和工业试验，探索金属矿床难崩矿体水力压裂裂缝扩展规律，以期为自然崩落法的应用提供参考。

1、工程概况及可崩性分析

1.1 工程概况

某铜矿位于黑龙江嫩江县境内。如图1所示，该矿山的Ⅱ号矿体为隐伏斑岩型矿体，矿体呈长条状，倾角一般为30°～60°,最大为79°。Ⅱ号矿体以1072勘探线为界，1072勘探线以西采用无底柱分段崩落法回采；1072勘探线以东采用自然崩落法。自然崩落开采区域资源量为2 247.9万t, Cu平均品位为0.45%,设计生产能力为330×104t/a。

图1 某铜矿矿体赋存特征

1.2 可崩性分析

Ⅱ号矿体岩性主要为黄铜矿化凝灰岩，单轴抗压强度均值为73.23 MPa, 根据工程地质调查和岩体质量评价结果，MRMR岩体等级为Ⅲ类/中等，基于MRMR可崩性评价系统中的Laubscher 崩落图法，确定该矿体为中等～难崩矿体，需要通过预处理措施进一步诱导弱化矿体。

2、压裂可行性研究

为了验证矿体可压裂性，开展了真三轴岩石压裂物模试验[17],采用真三轴压裂测试平台，对300 mm×300 mm×300 mm的岩芯样品进行压裂试验，观察压裂前后岩石表面的形态变化(见图2和图3),并监测岩石在裂缝扩展过程中注入压力随时间的变化规律，如图4所示。

图2 压裂岩芯端面1

图3 压裂岩芯端面2

图4 注水压力 - 时间关系曲线

由图4可知，该岩样注入压力随时间变化的曲线分为3个阶段：第1阶段为裂缝萌生期，注入压力为14.74 MPa; 第2阶段为裂缝起裂 - 平缓扩展期，注入压力在15.11～9.20 MPa之间平稳波动；第3阶段为裂缝缓慢贯通期，注入压力缓慢降至7.64 MPa, 此时裂缝已扩展至岩石端面，试验结束。

根据物模试验可以得到以下结论：

(1) 矿体可压性较好，注入压力为14.74 MPa时岩石破裂，因此注入压力维持在9～15 MPa之间；

(2) 从裂缝起裂到扩展有明显压力波动，从裂缝形态来看，水力裂缝扩展方向较发散，形成了多条复杂裂缝。

3、压裂裂缝扩展数值模拟

3.1 工程尺度压裂模型

为验证开采区是否能够形成复杂裂缝网络，基于岩石力学参数和地质模型等构建了工程尺度压裂模型。工程尺度压裂模型的平面尺寸为1.7 km×1.9 km。建模时需将断层加载在模型中，加载断层按照6 m×6 m建立平面网格。压裂要求块度在1.2 m以下，压裂范围主要集中在350～180 m海拔标高，因此目的层段网格细分需要小于1.2 m。为了达到控制网格总数且满足网格精度的目的，工程尺度模型边界区域采用粗化划分，对压裂区域网格进行细化，最终的工程尺度压裂模型网格数为820万个。

3.2 压裂裂缝扩展分析

3.2.1 不同簇间距压裂模拟研究

在液量为400 m3、段长20 m的条件下，分别模拟1簇、2簇、3簇、4簇条件下的裂缝扩展情况，结果如图5所示。不同簇间距条件下，均能够形成一定的复杂裂缝网络。改造的裂缝半长与簇数呈负相关，随簇数增多而逐渐降低，但裂缝改造面积却随簇数增大而增大，说明多簇条件下体积改造效果好。因此在发育高角度裂缝的层段，可适当增大裂缝间距，在高角度裂缝不发育的层段，尽可能加密布缝。

图5 1簇条件下裂缝扩展

3.2.2 不同施工排量压裂模拟研究

排量对裂缝网络形成有显著的影响，在400 m3液量、20 m段长、3簇条件下，分别模拟3 m3/min、4 m3/min、5 m3/min、6 m3/min条件下的裂缝扩展情况，模拟结果如图6所示。

图6 4 m3/min条件下裂缝扩展

从模拟结果可以看出，裂缝改造面积随排量增大而增大，裂缝半缝长则先增大后减小。不同排量条件下的施工净压力预测结果如图7所示，从图7看出，当排量超过4 m3/min时，净压力超过了4 MPa, 裂缝能满足转向需求。当排量超过5 m3/min, 裂缝面积增幅变缓，因此，排量在4～5 m3/min时，能够形成较好的复杂裂缝网络。

图7 不同排量条件下的施工净压力预测

3.2.3 不同施工规模模拟研究

按照40～70 m裂缝半缝长需求，以50 m3的梯度模拟了200～500 m3液量下的裂缝扩展，结果见表1及图8。

表1 不同液量条件下裂缝模拟结果

图8 350 m3液量条件下裂缝扩展

模拟结果表明，裂缝改造面积和裂缝半长随用液量的增大而增大，根据裂缝半长40～70 m需求，单段用液量在200～450 m3即可满足。

复杂缝网可行性研究结论如下。

(1) 天然裂缝发育程度、岩石脆性指数大小、水平应力差异等都是影响水力压裂形成复杂缝网的关键因素。模拟结果表明，研究区域具备形成复杂裂缝网络的条件，形成复杂裂缝网络的可能性较高。

(2) 基于地层条件，通过建立三维地质模型，模拟了不同簇间距、施工排量、用液量条件下裂缝扩展情况。结果表明：段间距一定时，缝间距越小，矿体被切割得越复杂，改造体积越大，形成裂缝网络越复杂；施工排量在4～5 m3/min范围内，净压力能够满足转向要求，裂缝半长和裂缝改造面积也较高，能够形成较好的复杂缝网；单段液量为200～450 m3时，能够满足40～70 m裂缝半长需求，并能形成复杂裂缝网络。

4、地面水力压裂工业试验

4.1 水力压裂工程方案

目前油气开发领域常用的分段工艺主要为裸眼封隔器+滑套、速钻(或可溶)桥塞、连续油管拖动水力喷射、全通径无限级滑套工艺[18]。

综合考虑改造目标(分层大规模改造)、经济效益、施工效率，同时考虑开展两口井对比验证，推荐ZKYL-1井开展裸眼封隔器+滑套分层压裂工艺；ZKYL-2井开展套管桥塞分段压裂工艺(见图9)。为尽可能提高横向、纵向裂缝改造体积及复杂程度，在机械分层的基础上，采取层内暂堵转簇+缝内暂堵平面转向压裂工艺[19]。

图9 ZKYL-2压裂井的结构

以地质工程一体化技术为手段，以形成大规模复杂缝网为目标，开展了精细差异化的井层优化设计。根据优化设计情况，ZKYL-1井整井共施工6段，施工排量4～5 m3/min, 总液量1 680 m3,暂堵颗粒600 kg, 暂堵粉末800 kg; ZKYL-1井整井共施工7段，施工排量4～5 m3/min, 总液量2 540 m3,暂堵球140个，暂堵粉末1 100 kg。

4.2 水力压裂监测方案

水力压裂常用监测手段有微震、地震和广域电磁法等手段，根据广域电磁法的监测原理及实施效果，确定采用广域电磁法直观评价水力裂缝复杂性。

广域电磁法监测[20-21]是通过井筒供入交流电，井筒和压裂液形成一体化的地下导体，在地表部署测点，通过监测压裂液入地后产生的电性变化引起的电磁响应，获取电磁时间域差分异常，反映压裂液波及范围，进而分析缝网特征。

现场监测场源电极(A、B)应根据实际地形、地物情景，在一定范围内选择合适的场地进行布设。A极地面埋置，AB长度约为1 km;B极远离监测区域，以减小对测点的影响。按照设计对两口井分别布设2个圆环，半径约为200 m; 环距为100 m, 测点角度为10°/7.5°;1号井84个测点，2号井84个测点。采用 RTK高精度测量定位，按施工设计实地放样测量。

4.3 缝网展布分析

(1) ZKYL-1井裸眼压裂缝网展布。根据ZKYL-1井监测结果(见表2),电磁监测6段，波及总面积为1 032～2 520 m2,平均波及面积为1 968 m2,最大波及长度为41～73 m, 平均最大波及长度为61 m。第4段波及面积大，改造效果突出，第1段波及面积较小。第2段最大波及长度最大，第6段最大波及长度最小，最大波及长度分布方向以近东西向为主。

表2 ZKYL-1井压裂段电磁监测结果

(2) ZKYL-2井射孔压裂缝网展布。根据ZKYL-2井监测结果(见表3),电磁监测7段，波及总面积为1 037～2 723 m2,平均波及面积为1 796 m2,最大波及长度为36～63 m, 平均最大波及长度为51 m。第2段波及面积较大改造效果突出，第6、7段波及面积较小。第2、3段最大波及长度较大，第6、7段最大波及长度较小，最大波及长度分布方向以近东西向为主。

表3 ZKYL-2井压裂段电磁监测结果

4.4 压裂效果评估

两井水力裂缝在矿体短轴方向上延伸偏短，但整体上符合延伸规律，基本达到设计要求。两口井顺利完成13段广域电磁裂缝监测，监测结果显示暂堵效果较好，裂缝在平面多个方向实现扩展。监测裂缝半长与设计裂缝半长较吻合，其中ZKYL-2井的裂缝略微偏短(ZKYL-1井平均缝长比值为113%,ZKYL-2井平均缝长比值为82.6%)。分析认为，相比裸眼井ZKYL-1井，ZKYL-2井由于采用多簇射孔+暂堵转向(孔眼+缝内),形成水力裂缝更密集，因此监测到的水力缝长明显比设计缝长短。压裂设计的裂缝长度与监测结果的对比见表4。

表4 压裂设计裂缝长度与监测结果的对比

5、结论

(1) 某铜矿采用自然崩落法开采，矿体为黄铜矿化凝灰岩，MRMR岩体等级为Ⅲ类/中等，矿体为中等至难崩矿体，需要通过预处理措施诱导弱化矿体。

(2) 为了验证矿体可压性，开展了真三轴岩石压裂物模试验，试验表明矿体可压性较好，注入压力为14.74 MPa时岩石破裂，因此注入压力维持在9～15 MPa之间，具备形成多条复杂裂缝的条件。

(3) 数值模拟研究了不同簇间距、不同施工排量、不同施工规模工况下的压裂裂缝扩展。施工排量在4～5 m3/min范围内，单段液量主体为200～450 m3时，能够满足40～70 m裂缝半长需求，并形成复杂裂缝网络。

(4) 在地表进行了工业试验和广域电磁法监测，获得了裸眼和射孔两种压裂工艺裂缝空间展布特征。试验结果表明：两口井水力裂缝在矿体短轴方向上延伸偏短，但整体上符合延伸规律，基本达到设计要求。

(5) 相比裸眼井压裂，射孔井压裂由于采用多簇射孔+暂堵转向(孔眼+缝内),形成水力裂缝更密集，监测到的水力缝长明显比设计的缝长短。

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文章来源:黄明发.某铜矿难崩矿体水力压裂试验与效果评价[J].矿业研究与开发,2024,44(11):24-30.