开挖卸荷-射孔压裂下高应力硬岩的应力分布与裂纹扩展_陈正红.pdf

第33卷第3期Volume 33 Number 32023 年 3 月March 2023中国有色金属学报The Chinese Journal of Nonferrous Metals开挖卸荷射孔压裂下高应力硬岩的应力分布与裂纹扩展陈正红1，陈秋南1，李夕兵2，吴秋红3，黄小城1(1.湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201；2.中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083；3.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湘潭 411201)摘 要：本文以深部硬岩矿山中射孔压裂辅助机械开挖为背景，推导了开挖卸荷射孔压裂下应力分布理论模型，并基于离散元法建立了开挖卸荷射孔压裂的流固耦合数值模型。通过与理论模型对比，验证了数值模型的准确性，并进一步研究了开挖卸荷下单射孔位置x0、注液压力pt、射孔长度hf以及双射孔压裂对裂纹扩展规律的影响。结果表明：开挖卸荷单射孔压裂下不同射孔压裂参数x0、pt、hf对应力分布规律的影响不同。随x0、pt、hf的增大，开挖卸荷单射孔压裂下裂纹数量均有所增多，但裂纹扩展规律存在明显差异。在开挖卸荷双射孔压裂下，压裂效果优于单射孔压裂，随hf的增大，裂纹数量增多，双射孔中间区域裂纹贯通。关键词：开挖卸荷；射孔压裂；应力分布；裂纹扩展文章编号：1004-0609(2023)-03-0952-17 中图分类号：TU45 文献标志码：A引文格式：陈正红,陈秋南,李夕兵,等.开挖卸荷射孔压裂下高应力硬岩的应力分布与裂纹扩展J.中国有色金属学报,2023,33(3):952968.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021-42819CHEN Zheng-hong,CHEN Qiu-nan,LI Xi-bing,et al.Stress distribution and crack propagation of high stress hard rock under excavation unloading-perforation fracturingJ.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2023,33(3):952968.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021-42819 目前，地下硬岩金属矿山开挖仍以传统的钻爆法为主导，随着20212025年“十四五”期间大批硬岩金属矿山进入 1000 m 以深的高应力开采环境1，钻爆法在深部高应力环境中日益暴露出作业危险、生产效率低、衍生破坏大，智能化受限等弊端2。同时，开挖实践证明，较之钻爆法，机械开挖法将减少作业区的人员数量，可以降低人员伤亡事故的发生概率；机械开挖法也意味着工艺流程上的连续化和矿山管理的系统化，可以有效提高生产效率；并且，随着信息技术的发展，对机械设备的无人控制已成为现实，机械开采有利于后续为智能化开采的升级。因此，为实现深部硬岩矿山的现代工业化生产目标，同时适应深部高应力开挖环境，有必要打破目前钻爆法主导的硬岩开挖格局，探索研究机械开挖的新理念。为此，近年来，国内外学者先后提出采用机械开挖法代替传统的钻爆法进行深地资源开采36。但受限于目前开挖机械的能力和尺寸，只有在回旋半径大的较软矿岩中才能进行经济有效的机械开挖7，而深部金属资源往往以复杂的产状赋存于完DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021-42819基金项目：国家自然科学基金资助项目(52004328，52078211)收稿日期：2021-12-22；修订日期：2022-01-20通信作者：陈秋南，教授，博士；电话：13973261005；E-mail：整性好的坚硬岩体中，在开采过程中能提供的机械回旋半径通常很小，且对机械开挖能力要求很高，所以目前要在深部金属硬岩矿山中广泛使用机械开挖法存在难度。但根据开挖机械的性能预测模型可知，岩体中的损伤结构面(包括节理、裂纹、裂隙等)能有效提高开挖机械的掘进能力811。因此，为了解决这一难题，有学者提出了辅助机械开挖法，即通过一定的辅助破岩技术对硬岩进行预损伤后，再进行机械开挖7,12。目前，可以考虑采用的辅助破岩技术主要包括微波破岩、非爆炸膨胀剂破岩、水射流破岩、水力压裂破岩等1318。其中，水力压裂技术在非常规油气资源开采和地热开发领域已有广泛的工程应用和研究，技术水平和破岩机理相对成熟，可作为辅助破岩技术的首选方案。事实上，研究人员已经对坚硬岩石的水力压裂破岩技术进行了大量研究。例如：室内实验方面，ISHIDA等19研究了花岗岩试样在不同流体黏度的水力压裂实验过程中的破裂机理，表明了黏度高的压裂液倾向于产生宽且分支较少的裂缝，而水作为压裂液则倾向于产生窄且分支较多的裂缝。XING等20通过对花岗岩进行不同温度下的水力压裂实验，发现在高温条件下花岗岩中水力压裂效果降低。KUMARI等21在060 MPa围压和室温至300 温度范围内，对两种澳大利亚花岗岩类型进行了一系列水力压裂实验，发现随着围压的增大，岩石破裂压力线性增加，在高温条件下，主裂缝的宽度相对较小。MAO等22对在两侧含预制裂缝的花岗岩大试样进行了水力压裂试验，证明了新的水力裂纹从预制裂缝的尖端开始萌生，预制裂缝能够提供裂纹扩展的起裂点。LIU等23利用CT扫描和声发射技术对致密坚硬的砂岩在水力压裂下的裂纹扩展行为进行了监测，获得了不同粒径的砂岩水力裂纹扩展规律。在数值模拟方面，AL-BUSAIDI等24进行了花岗岩的水力压裂离散元模拟，结果表明水力压裂下岩石以拉伸破坏为主。SHIMIZU等2526在考虑流体黏度、粒径分布、岩石脆性的基础上对坚硬花岗岩进行了水力压裂模拟，结果表明：当使用高黏度压裂液时，压裂液缓慢地渗透到裂缝中，而低黏度压裂液会立即渗透到裂缝中；当模型为均匀分布的小粒径时，剪切裂纹数量少，水力裂缝沿最大主应力的方向发展；当岩石的脆性越大时，水力压裂生成的裂缝网络越复杂。ZHU等27在坚硬砂岩岩层进行了水力压裂模拟，发现水力裂缝宽度随着岩层弹性模量的增大而减小，但裂缝长度和高度均随着岩层弹性模量的增大而增加，裂缝的宽度和高度随岩层泊松比的增大而减小，而裂缝长度随着应力的增大而增大。FATAHI等28基于离散元法研究了水力压裂试验中两种不同砂岩试样和一种水泥试样的起裂压力和破裂压力，并通过与室内实验的压力时间曲线、破坏模式等的比较，验证了数值模拟的准确性。现场试验方面，JUNG29通过对花岗岩岩层中水力压裂所产生大裂缝进行现场分析发现，裂缝宽度随流体压力的减小呈非线性变化。ZANG等30通过在410 m深的硬岩矿层中布置传感器阵列，对三种不同的注液方案下的水力裂缝扩展过程进行了监测，发现不同的注液方案下采集到的声发射信号存在较大差异，表明不同方案下水力裂缝的扩展过程不同。上述研究证明了水力压裂可以进行有效的坚硬岩石致裂和破坏，其主要的研究背景为非常规油气资源开采和地热开发，而水力压裂技术在地下硬岩矿山开挖中鲜有应用和研究，且在开挖条件下水力压裂的致裂特征和规律尚不清晰。但作者的前期研究发现，在深部硬岩工程开挖条件下可根据初始地应力水平来调整水力压裂的压裂方式、控制压裂距离，从而在工作面前方的待开挖硬岩中产生一定的预损伤裂纹，可以辅助后续机械开挖过程31。因此，为了深入有关深部硬岩矿山机械开挖的研究，同时考虑到进行工程岩体施工的可能性和高效性，进一步提出了采用带射孔的水力压裂技术来辅助机械开挖。射孔压裂技术目前在煤矿、石油、页岩气开采等领域有很好的应用和研究3234，技术成熟可靠，将其引入硬岩矿山开挖有一定的理论和技术支撑。本文所研究的深部硬岩矿山中射孔压裂辅助机械开挖示意图如图1所示，即通过采取合理射孔压裂技术，在待开挖岩体中形成有效的人为诱导损伤和裂隙网络，同时降低岩体的完整性和强度，以辅助后续机械开挖的推进。其主要的施工工序流程为：采准巷道开挖射孔压裂机械开挖推进射第 33 卷第 3 期陈正红，等：开挖卸荷射孔压裂下高应力硬岩的应力分布与裂纹扩展整性好的坚硬岩体中，在开采过程中能提供的机械回旋半径通常很小，且对机械开挖能力要求很高，所以目前要在深部金属硬岩矿山中广泛使用机械开挖法存在难度。但根据开挖机械的性能预测模型可知，岩体中的损伤结构面(包括节理、裂纹、裂隙等)能有效提高开挖机械的掘进能力811。因此，为了解决这一难题，有学者提出了辅助机械开挖法，即通过一定的辅助破岩技术对硬岩进行预损伤后，再进行机械开挖7,12。目前，可以考虑采用的辅助破岩技术主要包括微波破岩、非爆炸膨胀剂破岩、水射流破岩、水力压裂破岩等1318。其中，水力压裂技术在非常规油气资源开采和地热开发领域已有广泛的工程应用和研究，技术水平和破岩机理相对成熟，可作为辅助破岩技术的首选方案。事实上，研究人员已经对坚硬岩石的水力压裂破岩技术进行了大量研究。例如：室内实验方面，ISHIDA等19研究了花岗岩试样在不同流体黏度的水力压裂实验过程中的破裂机理，表明了黏度高的压裂液倾向于产生宽且分支较少的裂缝，而水作为压裂液则倾向于产生窄且分支较多的裂缝。XING等20通过对花岗岩进行不同温度下的水力压裂实验，发现在高温条件下花岗岩中水力压裂效果降低。KUMARI等21在060 MPa围压和室温至300 温度范围内，对两种澳大利亚花岗岩类型进行了一系列水力压裂实验，发现随着围压的增大，岩石破裂压力线性增加，在高温条件下，主裂缝的宽度相对较小。MAO等22对在两侧含预制裂缝的花岗岩大试样进行了水力压裂试验，证明了新的水力裂纹从预制裂缝的尖端开始萌生，预制裂缝能够提供裂纹扩展的起裂点。LIU等23利用CT扫描和声发射技术对致密坚硬的砂岩在水力压裂下的裂纹扩展行为进行了监测，获得了不同粒径的砂岩水力裂纹扩展规律。在数值模拟方面，AL-BUSAIDI等24进行了花岗岩的水力压裂离散元模拟，结果表明水力压裂下岩石以拉伸破坏为主。SHIMIZU等2526在考虑流体黏度、粒径分布、岩石脆性的基础上对坚硬花岗岩进行了水力压裂模拟，结果表明：当使用高黏度压裂液时，压裂液缓慢地渗透到裂缝中，而低黏度压裂液会立即渗透到裂缝中；当模型为均匀分布的小粒径时，剪切裂纹数量少，水力裂缝沿最大主应力的方向发展；当岩石的脆性越大时，水力压裂生成的裂缝网络越复杂。ZHU等27在坚硬砂岩岩层进行了水力压裂模拟，发现水力裂缝宽度随着岩层弹性模量的增大而减小，但裂缝长度和高度均随着岩层弹性模量的增大而增加，裂缝的宽度和高度随岩层泊松比的增大而减小，而裂缝长度随着应力的增大而增大。FATAHI等28基于离散元法研究了水力压裂试验中两种不同砂岩试样和一种水泥试样的起裂压力和破裂压力，并通过与室内实验的压力时间曲线、破坏模式等的比较，验证了数值模拟的准确性。现场试验方面，JUNG29通过对花岗岩岩层中水力压裂所产生大裂缝进行现场分析发现，裂缝宽度随流体压力的减小呈非线性变化。ZANG等30通过在410 m深的硬岩矿层中布置传感器阵列，对三种不同的注液方案下的水力裂缝扩展过程进行了监测，发现不同的注液方案下采集到的声发射信号存在较大差异，表明不同方案下水力裂缝的扩展过程不同。上述研究证明了水力压裂可以进行有效的坚硬岩石致裂和破坏，其主要的研究背景为非常规油气资源开采和地热开发，而水力压裂技术在地下硬岩矿山开挖中鲜有应用和研究，且在开挖条件下水力压裂的致裂特征和规律尚不清晰。但作者的前期研究发现，在深部硬岩工程开挖条件下可根据初始地应力水平来调整水力压裂的压裂方式、控制压裂距离，从而在工作面前方的待开挖硬岩中产生一定的预损伤裂纹，可以辅助后续机械开挖过程31。因此，为了深入有关深部硬岩矿山机械开挖的研究，同时考虑到进行工程岩体施工的可能性和高效性，进一步提出了采用带射孔的水力压裂技术来辅助机械开挖。射孔压裂技术目前在煤矿、石油、页岩气开采等领域有很好的应用和研究3234，技术成熟可靠，将其引入硬岩矿山开挖有一定的理论和技术支撑。本文所研究的深部硬岩矿山中射孔压裂辅助机械开挖示意图如图1所示，即通过采取合理射孔压裂技术