专利名称：矿层岩石喷出的预测方法
技术领域：
本发明涉及矿业领域，更具体地说，是涉及岩石喷出的预测方法。
本发明可非常成功地应用于有用矿物的勘探与开采。
开采矿产时会发生岩石意外的喷出，结果矿工受伤乃至死亡，设备受到破坏并招致停止生产。岩石喷出的原因是岩石中的矿藏压力很高以及其中的滑移变形达到了临界值之故。若能对岩石喷出进行预测即发现出倾向于喷出岩石的矿层与其地段(它们可能是岩石喷出的潜在策源地)，则可有助于减少岩石的意外喷出，因而减少其招致的损失。
对有喷出岩石危险的矿层的预测，因现时尚缺少对喷出危险的判据而感到困难。
现有的方法是根据要预测的矿层地段的岩石材料局部性质改变的指标与矿层采掘时处于“支撑压力”区的岩石的性质进行比较，例如比较岩石材料中水含量的变化。
现用的方法可靠性不足，这大概是由于实现这些方法时未将被探测矿层地段的材料的性质与有喷出岩石潜在危险的策源地的材料的性质(即那些表征着已处于直接即将喷出岩石的前临界状态的该矿层材料的性质)进行比较。
已知有预测煤层动力性破坏的方法(苏联作者证书No 1667450)，此方法包括下列步骤将煤样从矿层的“支撑压力”区取出，将其分成若干份;对每一份样品进行液静力压缩，其时第一份样品是以600巴的压力压缩，依序以后的每份样品以逐个增加等值的压力进行压缩，而最末一份样品以6千巴压力压缩。将压力卸降回到大气压力后，测定每一份样品中游离水的含量(重量%)，用所得的数据作出煤中游离水含量随施加压力的变化图，在该图上至少标出对应于水的三相状态的临界压力的两个点。判断煤有动力性破坏即失去其机械强度的倾向的办法是看这个图上在600巴至P临(水三相状态的临界压力)土220巴的范围内是否有游离水含量的突变。
这一已知的方法不能应用于预测矿层岩石的喷出，因为这个方法未考虑到所受压力处于接近或等于水三相状态临界压力时岩石材料的物理的和/或化学的性质的急剧变化。
在研究预测岩石喷出的方法时，使用了各种不同化学组成的物质的结晶水化物当受到单轴高压压缩时发生的现象的数据。已经确定了一些临界压力的值，在这些压力下或者发生岩石材料的充水作用即它变得比压缩前更潮湿些，或者发生爆破，即增高或降低压力时发生了机械能向化学能的转变。产生爆破的临界压力与温度无关，且因滑移变形的存在而降低(Eниколопян H.C.Mхитарян A.A.，Kарагеэян.A.C.，Xазарджян A.A.，“高压力固体爆破时的临界现象”，дAH CCCP，卷292，No.4，页887-890;莫斯科)。
在研究预测岩石会否喷出的方法时，采用了这样的概念即各种不同物质的结晶水化物在受到压缩与有滑移变形的共同作用下发生爆破时的一些过程是与在均达临界值的矿层压力与滑动变形的共同作用下引起矿层动力性破坏时的一些过程是相似的。
也采用了这样的概念即矿层中游离水含量的最大增加(即矿层材料中结晶水的减少)对应于在单轴压缩临界压力的作用下所发生的结晶水化物的充水作用。
本发明的基本任务是建立预测矿层有否喷出岩石可能性的方法，该方法是藉考虑到矿层材料处于前临界状态时的性质变化来提高预测的可靠性的。
解决这一既定任务的方法包括在位于“支撑压力”区的地段采取矿层材料的试样，将其分成两份，将其中的一份至少再分成两个试样，这两个试样均分别进行压缩，压缩时压力呈线性增加，由200巴至少增加到水三相状态的第一个点的压力，然后将压力卸降至大气压力，对每一个样品测定其中游离水的含量(重量%)，这样就获得了样品材料在经受压力后游离水含量的跳跃式变化的特征，按照本发明，将样品材料在p临-200巴至p临+200巴(p临是水三相状态的临界压力)范围内游离水的最大含量(重量%)取作基础指标;另一份试样则测定其在大气压力条件下的游离水含量，并取作背景指标;然后在矿层的要预测地段取样，也测定其在大气压力条件下游离水的含量(重量%)，进而求出其它背景指标之差值以及此差值对于基础指标之比值，当此比值≤40%时，则被预测的矿层地段并无喷出岩石的倾向，当此比值＞40%，被预测的矿层地段就有喷出岩石的倾向。
采用这种方法提高了预测某地段有无喷出岩石倾向的可靠性，这是由于考虑到了岩石材料的物理的和/或化学的性质相对于该性质基础指标的急剧变化。
基础指标表征着岩石材料的性质，这些性质包括当压力在接近或等于水的三相状态临界压力时材料中游离水含量、结晶水含量以及与结晶水化学结合的水合物质的含量。
游离水在临界状态下呈三相冰的一些固态变体相或连同液相。在水的状态图上，一些三相点及其相组成、压力和温度这些临界参数就对应于三相的这些临界状态。水的前三个三相状态点的临界压力之值是1.95，3.26与5.89千巴。
在临界状态的物质是处于热力学平衡中。当接近于三相状态的临界压力时，在物质中就产生了一些临界现象一切性质发生急剧的变化，该物质并分解成多个相。
一般说来，物质的结晶水化物的特殊性质包括其爆破与充水作用是因临界压力所引起的。所述的临界压力的大小与温度无关，这是由于在物质中含有结晶水。
实验已经表明，游离水含量的最大增加与其它性质的急剧变化发生于物质-结晶水化物在受到液静力压缩、单轴压缩或三轴压缩，且当压力等于或接近于水三相状态的临界压力之时，以及对结晶水化物具体地说来，是在压力范围为600-800巴之时。当结晶水化物受到这样大的压力之后再降压至大气压力时，游离水反向地转变为结晶水的过程受到阻碍。实验还表明，处于这样大的压力下，在具有喷出倾向的矿层岩石的材料中，游离水的含量有急剧的增高，顺磁性中心的浓度发生了变化，Fe、Mn、Ni化合物中这些元素的价态也发生了变化，煤的有机组分分解成几个相，材料发生自冷却现象与弥散过程等等。有喷出倾向的岩石材料的性质的急剧变化与水三相状态临界压力的吻合就为矿层是否会喷出岩石提供了判据。有喷出倾向的岩石材料的性质在压力接近于或等于水三相状态临界压力时发生了急剧变化，即处于一种前临界状态，这说明了同时含有游离水和结晶水乃是此临界状态相组成基础的特点;而处于前临界状态(此时产生先于岩石喷出的滑移变形)的矿层材料的特点就是这压力下的性质指标。因此矿层喷出岩石预测的这个方法是以自然规律为基础的，该规律的实质在于物质在受到的压力接近于临界压力时，由于其中游离水、结晶水以及水合物质之间相平衡的急剧变化产生了其性质的急剧变化，这就保证了有可能显示有无喷出岩石倾向的矿层的判据以及有可能用已知的一些方法建立那些表征着岩石材料处于前临界状态时性质的基础指标，从而提高对岩石喷出预测的可靠性。阅读了具体的实施例以后，本发明的这些目的和其它目的以及优点就不难理解了。
在附图中表示了游离水含量(W，重量%)与有机组分萃取率(V，重量%)随压力的变化
图1表示MgSO4·nH2O中游离水含量的变化;
图2表示Zn(C2O4)·2H2O中游离水含量的变化;
图3表示特别有喷出危险的煤层材料(1)中，喷出岩石后矿层材料(2)中以及无喷出危险的矿层材料(3)中游离水含量的变化;
图4表示特别有喷出危险的煤层材料(1)中，有喷出危险的煤层材料(2)中以及无喷出危险的煤层材料(3)中有机组分含量的变化;
图5表示特别有喷出危险的煤层材料(1)中，无喷出危险的煤层材料(2)中以及有喷出危险的煤层材料(3)中游离水含量的变化。
按照本发明，预测矿层会否喷出岩石的方法如下所述。
实施例1从位于“支撑压力”区的矿层地段采取岩石(例如煤)，将其粉碎至粒度为1.0-1.5mm的级分。将粉碎了的岩样分成两份。将其中的一份至少制备成两个样品，对这两个样品施加压力呈线性增长的液静力压缩，压力范围由p临-200至p临，其中p临＝1950巴(水在三相状态的压力)。
样品的液静力压缩可在例如一个高压容器中于常温下进行之。将压力卸降至大气压力后测定每一样品材料中的游离水含量W(重量%)。
游离水含量的测定采用重量法，按样品干燥后的重量损失确定之。称重准确度达0.001克，测定结果的准确度达0.01%。取两个测定(要求含水量绝对值之差别不大于0.3%)的平均值作为结果。
用下列关系式算出游离水的含量
W＝ (△M)/(M) ·100 式中M-M1＝△MM-样品干燥前的质量;
M1-样品干燥后的质量。
在受到上述压力的作用下，由于结晶水相态的剧烈变化，样品材料中游离水含量增至最大值W最大。取此值作为基础指标。
由岩样的另一份也制备一些样品，类似上述地进行干燥，然后测定其大气压力条件下的游离水含量。取此值作为背景指标。
然后，由要预测地段的开采工作面，在沿巷道有规律地每隔5米推进的距离处采取样品，测定大气压力条件下其中游离水的含量，然后求出其与背景指标的差值以及此差值对基础指标的比值。经测定，背景指标为1.20%，基础指标为1.96%，游离水含量指标W，对第一地段采用的材料是1.31%，在相距5米的第二地段是1.46%，在相距10米的第三地段是1.75%。被预测地段的材料中游离水含量指标为背景指标之差，对于第一地段是0.11%，第二地段是0.25%，第三地段是0.55%，而此差值对于基础指标之比值分别为5.6%，12.7%与28.0%。这些比值都不超过40%，因此这三个地段都不是有喷出岩石危险的，但观察到的这些比值增大的趋势表明了可能是在向有喷出岩石危险的区域接近着。在砂岩矿层与盐矿层中预测岩石喷出的方法也是如上类似地进行的。
对于矿层地段是否处于前临界状态作出判断，不仅可根据样品材料中游离水含量的变化，也可根据其中有机组分含量的变化、矿层中温度的变化，对例如煤层来说，又可根据其对应于质量损失最大速度的温度变化，等等。
实施例2此例中，按照本发明预测岩石会否喷出的方法与上述类似，差别在于是测定煤的有机组分含量的变化。测定煤的有机组分的含量是用沸腾CCl4的萃取法，将10克样品放入滤纸筒内，置入Грефе仪器中，萃取时间10小时。测定准确度在含量绝对值本身上为±0.02%。
从特别有喷出岩石危险的矿层巷道的“支撑压力”区采取岩样，分为两份。以其中的一份测定有机组分的含量，作为背景指标;另一份岩样则进行液静力压缩，压力为p最大-220至p最大＝1950巴。由于结晶水和与之相连系的有机物的相状态的剧烈变化，煤的游离有机组分的含量增加到最大的值。当压力卸降至大气压力后再测煤的有机组分的含量，取此值为基础指标。然后对要预测地段的岩样，测定其中有机组分的含量，进而求出其与背景指标之差以及此差值对基础指标之比值。
按测定结果，背景指标为0.14%，基础指标为14.34%，被预测地段的指标是10.24%，其与背景指标之差为10.10%，此差值对基础指标之比值为70.4%，这表明被预测地段是有喷出岩石的倾向的。
实施例3此例中，按照本发明预测岩石会否喷出的方法与上述类似，差别在于是测定岩石材料温度的变化，例如对开采矿层炮眼中的砂石。测定岩样的温度是用准确至±0.1℃的高温计。对砂石矿层中有喷出危险的“支撑压力”地段测出其温度，其值作为背景指标。
在该同一地段采取岩样，在压力为p最大，I-220至p最大，I＝3260巴的范围内进行液静力压缩，p最大，I对应于水第二个三相状态点的临界压力。
在此压力作用下，由于结晶水转变为游离水以及结晶水化物脱水反应的吸热性，砂石样品的温度剧烈降低，这就解释了观察到的砂石样品的自冷却现象。将这个降低了的温度取作基础指标。然后测定要预测地段的炮眼的温度，求出其与背景指标之差以及此差值与基础指标之比值。按测定结果，背景指标为36.1℃，基础指标为7.3℃。被预测地段的指标为31.9℃，其与背景指标之差为4.2℃，此差值对于基础指标之比值为57.5%，这表明是有喷出岩石的可能。
实施例4此例中，按照本发明的预测岩石会否喷出的方法与上述类似，其差别在于是测量在将来开采时可能发生动力现象的区域的岩石的性质，此类现象可区别为岩石喷出或崩落。在作鉴定评估时要区别这两种情况是必要的，因为岩石的喷出可视为是由于自然力表现的后果，而崩落是由于矿层开采时违反工艺的后果。在有岩石喷出的潜在危险的策源地，岩石是处于一种前临界状态，此时其性质是由基础指标，例如游离水或有机组分的含量等等所表征的。经喷出后，在喷出的岩石中游离水的含量与其基础指标相比是改变得很少的，这是因为发生机械性爆破所在的岩石的体积是喷出的岩石体积的几分之一。如矿山测定结果所示，例如自喷出后经3-4小时从岩石喷出区采取的煤层样品中，其游离水的含量与游离水含量的基础指标相等或仅低0.3%，经72-84小时采取的则低8-10%。
实施例5此例中，按照本发明的预测岩石会否喷出的方法与上述类似，区别在于是测定其对应于最大质量损失的煤的温度变化。此项测定是用导数图解分析法(热重量分析的一种方法)，其升温速度为2.5℃/分，最终的加热温度为190°，准确至0.1℃。在此方法中，为求得基础指标，将煤经受液静力压缩，压力范围为p最大-0.22千巴至P最大＝1.95千巴。在经受此压力的压缩时，由于结晶水相态的急剧改变以及因此转变而引起的与水化学结合的有机组分含量的改变，煤的温度急剧降低。根据对有喷出危险的煤层材料的测定结果，背景指标为58℃，基础指标为49℃，而被预测地段的指标为51℃，被预测地段指标与背景指标之差为7℃，此差值对基础指标之比值为14%，即小于40%，这表征被预测地段是无喷出危险的。
实施例6此例中，按照本发明的预测岩石会否喷出的方法的步骤如下由要预测的矿层采取岩样，分为几份样品，对每份样品均进行液静力压缩，而所压至的压力对相继的每份样品是在压力范围由0.220至7千巴之间作等量增加的。当压力接近或等于水三相状态的压力值时，在有喷出倾向的样品材料中，由于游离水和/或结晶水的相态发生了急剧变化，物质的一些化学性质与物理性质从而也发生急剧改变。由于在结晶水化物所特有的压力下结晶水向游离水的相转变，在压力达到等于水的第一个三相状态点的压力之前，在600-800巴压力范围地会发生类似的性质最大改变。当压力卸降至大气压力后，测出化学组成方面的指标值(游离水含量指标或存在于岩石中的结晶水化物组成中其它物质例如有机组分或多价元素-Fe，Ni等物质含量的指标)或物理性质方面的指标值(例如温度或密度)。卸压后，作出样品的上述性质指标值的变化图。当指标的一些极值是对应于水三相状态临界压力值的压力或与其相差为220-300巴的压力，并且有的极值相应于600-800巴范围的压力，则认为矿层是特别倾向于喷出岩石的。当性质指标的一些极值是对应于三相状态临界压力值或比其小220-300巴的压力时，就认为矿层是倾向于喷出岩石的，而这些极值不与上述诸压力对应时，则认为矿层是不倾向于喷出岩石的。
对于有喷出岩石倾向的矿层样品，材料性质的变化进行得最为剧烈，并在压力接近或等于水三相状态的临界压力时达到极值[见图3(1)，图4(1与2)，图5(1与3)]，而对于特别有喷出危险的矿层样品，当在低于第一个水三相状态点的压力压缩的，性质还附加地发生在600-800巴的急剧变化[见图3(1)，图4(1)，图5(1)]。对无喷出岩石倾向的矿层，性质指标的极值与接近或等于水三相状态临界压力的压力是不对应的[见图3(3)，图4(3)，图5(2)]。
权利要求
1.预测矿层喷出岩石倾向的一种方法，其特征在于，从位于“支撑压力”区的地段采取矿层材料的样品，将其分为两份，其一份至少再分为两份样品，对这后两份样品均分别进行压力呈线性增长的压缩，将压力卸减至大气压力后，对每份样品进行其材料中游离水含量(重量%)的测定，从而获得在受压后其材料中游离水含量的突跃式变化，按照本发明，将在压力为P临-220巴至P临+220巴范围内(P临是水三相状态的临界压力)游离水的最大含量取作基础指标；另一份样品则在大气压力条件下测定其游离水含量(重量%)，取作背景指标；然后从要预测的矿层地段采取样品，在大气压力条件下测定其游离水含量(重量%)，求出其与游离水含量背景指标之差值，并进而求出此差值对于游离水含量基础指标之比值；当此比值≤40%，被预测矿层地段是没有喷出岩石倾向的，而此比值＞40%时，被预测矿层地段就有喷出岩石的倾向。
2.预测矿层喷出岩石倾向的一种方法，其特征在于，从矿层的未破损地带采取样品，将其分为若干份，并对这些样品进行压缩，而每份样品压至的压力是在220巴至7.0千巴范围内呈等量增加的，对每份样品测定其某个物理性质和/或化学性质的指标，作出性质指标值随压力的变化图，此图的特点在于当指标的极值对应于比水三相状态临界压力小220巴的压力，同时也有极值对应于600至800巴范围的压力时，则认为矿层是特别有喷出岩石的危险;当指标的极值对应于比水三相状态临界压力小220巴的压力时，则认为矿层有喷出岩石的倾向;而当不存在上述对应时，就认为矿层并无喷出岩石的倾向。
全文摘要
本发明提出了一个方法，在此方法中，将一份试样材料在P
文档编号E21C39/00GK1097839SQ9310908
公开日1995年1月25日 申请日期1993年7月22日 优先权日1993年6月28日
发明者V·I·帕夫洛夫, V·A·格鲁托夫 申请人:乌克兰私营小型企业