專利名稱：礦層巖石噴出的預測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及礦業(yè)領域，更具體地說，是涉及巖石噴出的預測方法。
本發(fā)明可非常成功地應用于有用礦物的勘探與開采。
開采礦產時會發(fā)生巖石意外的噴出，結果礦工受傷乃至死亡，設備受到破壞并招致停止生產。巖石噴出的原因是巖石中的礦藏壓力很高以及其中的滑移變形達到了臨界值之故。若能對巖石噴出進行預測即發(fā)現(xiàn)出傾向于噴出巖石的礦層與其地段(它們可能是巖石噴出的潛在策源地)，則可有助于減少巖石的意外噴出，因而減少其招致的損失。
對有噴出巖石危險的礦層的預測，因現(xiàn)時尚缺少對噴出危險的判據而感到困難。
現(xiàn)有的方法是根據要預測的礦層地段的巖石材料局部性質改變的指標與礦層采掘時處于“支撐壓力”區(qū)的巖石的性質進行比較，例如比較巖石材料中水含量的變化。
現(xiàn)用的方法可靠性不足，這大概是由于實現(xiàn)這些方法時未將被探測礦層地段的材料的性質與有噴出巖石潛在危險的策源地的材料的性質(即那些表征著已處于直接即將噴出巖石的前臨界狀態(tài)的該礦層材料的性質)進行比較。
已知有預測煤層動力性破壞的方法(蘇聯(lián)作者證書No 1667450)，此方法包括下列步驟將煤樣從礦層的“支撐壓力”區(qū)取出，將其分成若干份;對每一份樣品進行液靜力壓縮，其時第一份樣品是以600巴的壓力壓縮，依序以后的每份樣品以逐個增加等值的壓力進行壓縮，而最末一份樣品以6千巴壓力壓縮。將壓力卸降回到大氣壓力后，測定每一份樣品中游離水的含量(重量%)，用所得的數(shù)據作出煤中游離水含量隨施加壓力的變化圖，在該圖上至少標出對應于水的三相狀態(tài)的臨界壓力的兩個點。判斷煤有動力性破壞即失去其機械強度的傾向的辦法是看這個圖上在600巴至P臨(水三相狀態(tài)的臨界壓力)土220巴的范圍內是否有游離水含量的突變。
這一已知的方法不能應用于預測礦層巖石的噴出，因為這個方法未考慮到所受壓力處于接近或等于水三相狀態(tài)臨界壓力時巖石材料的物理的和/或化學的性質的急劇變化。
在研究預測巖石噴出的方法時，使用了各種不同化學組成的物質的結晶水化物當受到單軸高壓壓縮時發(fā)生的現(xiàn)象的數(shù)據。已經確定了一些臨界壓力的值，在這些壓力下或者發(fā)生巖石材料的充水作用即它變得比壓縮前更潮濕些，或者發(fā)生爆破，即增高或降低壓力時發(fā)生了機械能向化學能的轉變。產生爆破的臨界壓力與溫度無關，且因滑移變形的存在而降低(Eниколопян H.C.Mхитарян A.A.，Kарагеэян.A.C.，Xазарджян A.A.，“高壓力固體爆破時的臨界現(xiàn)象”，дAH CCCP，卷292，No.4，頁887-890;莫斯科)。
在研究預測巖石會否噴出的方法時，采用了這樣的概念即各種不同物質的結晶水化物在受到壓縮與有滑移變形的共同作用下發(fā)生爆破時的一些過程是與在均達臨界值的礦層壓力與滑動變形的共同作用下引起礦層動力性破壞時的一些過程是相似的。
也采用了這樣的概念即礦層中游離水含量的最大增加(即礦層材料中結晶水的減少)對應于在單軸壓縮臨界壓力的作用下所發(fā)生的結晶水化物的充水作用。
本發(fā)明的基本任務是建立預測礦層有否噴出巖石可能性的方法，該方法是藉考慮到礦層材料處于前臨界狀態(tài)時的性質變化來提高預測的可靠性的。
解決這一既定任務的方法包括在位于“支撐壓力”區(qū)的地段采取礦層材料的試樣，將其分成兩份，將其中的一份至少再分成兩個試樣，這兩個試樣均分別進行壓縮，壓縮時壓力呈線性增加，由200巴至少增加到水三相狀態(tài)的第一個點的壓力，然后將壓力卸降至大氣壓力，對每一個樣品測定其中游離水的含量(重量%)，這樣就獲得了樣品材料在經受壓力后游離水含量的跳躍式變化的特征，按照本發(fā)明，將樣品材料在p臨-200巴至p臨+200巴(p臨是水三相狀態(tài)的臨界壓力)范圍內游離水的最大含量(重量%)取作基礎指標;另一份試樣則測定其在大氣壓力條件下的游離水含量，并取作背景指標;然后在礦層的要預測地段取樣，也測定其在大氣壓力條件下游離水的含量(重量%)，進而求出其它背景指標之差值以及此差值對于基礎指標之比值，當此比值≤40%時，則被預測的礦層地段并無噴出巖石的傾向，當此比值＞40%，被預測的礦層地段就有噴出巖石的傾向。
采用這種方法提高了預測某地段有無噴出巖石傾向的可靠性，這是由于考慮到了巖石材料的物理的和/或化學的性質相對于該性質基礎指標的急劇變化。
基礎指標表征著巖石材料的性質，這些性質包括當壓力在接近或等于水的三相狀態(tài)臨界壓力時材料中游離水含量、結晶水含量以及與結晶水化學結合的水合物質的含量。
游離水在臨界狀態(tài)下呈三相冰的一些固態(tài)變體相或連同液相。在水的狀態(tài)圖上，一些三相點及其相組成、壓力和溫度這些臨界參數(shù)就對應于三相的這些臨界狀態(tài)。水的前三個三相狀態(tài)點的臨界壓力之值是1.95，3.26與5.89千巴。
在臨界狀態(tài)的物質是處于熱力學平衡中。當接近于三相狀態(tài)的臨界壓力時，在物質中就產生了一些臨界現(xiàn)象一切性質發(fā)生急劇的變化，該物質并分解成多個相。
一般說來，物質的結晶水化物的特殊性質包括其爆破與充水作用是因臨界壓力所引起的。所述的臨界壓力的大小與溫度無關，這是由于在物質中含有結晶水。
實驗已經表明，游離水含量的最大增加與其它性質的急劇變化發(fā)生于物質-結晶水化物在受到液靜力壓縮、單軸壓縮或三軸壓縮，且當壓力等于或接近于水三相狀態(tài)的臨界壓力之時，以及對結晶水化物具體地說來，是在壓力范圍為600-800巴之時。當結晶水化物受到這樣大的壓力之后再降壓至大氣壓力時，游離水反向地轉變?yōu)榻Y晶水的過程受到阻礙。實驗還表明，處于這樣大的壓力下，在具有噴出傾向的礦層巖石的材料中，游離水的含量有急劇的增高，順磁性中心的濃度發(fā)生了變化，F(xiàn)e、Mn、Ni化合物中這些元素的價態(tài)也發(fā)生了變化，煤的有機組分分解成幾個相，材料發(fā)生自冷卻現(xiàn)象與彌散過程等等。有噴出傾向的巖石材料的性質的急劇變化與水三相狀態(tài)臨界壓力的吻合就為礦層是否會噴出巖石提供了判據。有噴出傾向的巖石材料的性質在壓力接近于或等于水三相狀態(tài)臨界壓力時發(fā)生了急劇變化，即處于一種前臨界狀態(tài)，這說明了同時含有游離水和結晶水乃是此臨界狀態(tài)相組成基礎的特點;而處于前臨界狀態(tài)(此時產生先于巖石噴出的滑移變形)的礦層材料的特點就是這壓力下的性質指標。因此礦層噴出巖石預測的這個方法是以自然規(guī)律為基礎的，該規(guī)律的實質在于物質在受到的壓力接近于臨界壓力時，由于其中游離水、結晶水以及水合物質之間相平衡的急劇變化產生了其性質的急劇變化，這就保證了有可能顯示有無噴出巖石傾向的礦層的判據以及有可能用已知的一些方法建立那些表征著巖石材料處于前臨界狀態(tài)時性質的基礎指標，從而提高對巖石噴出預測的可靠性。閱讀了具體的實施例以后，本發(fā)明的這些目的和其它目的以及優(yōu)點就不難理解了。
在附圖中表示了游離水含量(W，重量%)與有機組分萃取率(V，重量%)隨壓力的變化

圖1表示MgSO4·nH2O中游離水含量的變化;
圖2表示Zn(C2O4)·2H2O中游離水含量的變化;
圖3表示特別有噴出危險的煤層材料(1)中，噴出巖石后礦層材料(2)中以及無噴出危險的礦層材料(3)中游離水含量的變化;
圖4表示特別有噴出危險的煤層材料(1)中，有噴出危險的煤層材料(2)中以及無噴出危險的煤層材料(3)中有機組分含量的變化;
圖5表示特別有噴出危險的煤層材料(1)中，無噴出危險的煤層材料(2)中以及有噴出危險的煤層材料(3)中游離水含量的變化。
按照本發(fā)明，預測礦層會否噴出巖石的方法如下所述。
實施例1從位于“支撐壓力”區(qū)的礦層地段采取巖石(例如煤)，將其粉碎至粒度為1.0-1.5mm的級分。將粉碎了的巖樣分成兩份。將其中的一份至少制備成兩個樣品，對這兩個樣品施加壓力呈線性增長的液靜力壓縮，壓力范圍由p臨-200至p臨，其中p臨＝1950巴(水在三相狀態(tài)的壓力)。
樣品的液靜力壓縮可在例如一個高壓容器中于常溫下進行之。將壓力卸降至大氣壓力后測定每一樣品材料中的游離水含量W(重量%)。
游離水含量的測定采用重量法，按樣品干燥后的重量損失確定之。稱重準確度達0.001克，測定結果的準確度達0.01%。取兩個測定(要求含水量絕對值之差別不大于0.3%)的平均值作為結果。
用下列關系式算出游離水的含量
W＝ (△M)/(M) ·100 式中M-M1＝△MM-樣品干燥前的質量;
M1-樣品干燥后的質量。
在受到上述壓力的作用下，由于結晶水相態(tài)的劇烈變化，樣品材料中游離水含量增至最大值W最大。取此值作為基礎指標。
由巖樣的另一份也制備一些樣品，類似上述地進行干燥，然后測定其大氣壓力條件下的游離水含量。取此值作為背景指標。
然后，由要預測地段的開采工作面，在沿巷道有規(guī)律地每隔5米推進的距離處采取樣品，測定大氣壓力條件下其中游離水的含量，然后求出其與背景指標的差值以及此差值對基礎指標的比值。經測定，背景指標為1.20%，基礎指標為1.96%，游離水含量指標W，對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%。被預測地段的材料中游離水含量指標為背景指標之差，對于第一地段是0.11%，第二地段是0.25%，第三地段是0.55%，而此差值對于基礎指標之比值分別為5.6%，12.7%與28.0%。這些比值都不超過40%，因此這三個地段都不是有噴出巖石危險的，但觀察到的這些比值增大的趨勢表明了可能是在向有噴出巖石危險的區(qū)域接近著。在砂巖礦層與鹽礦層中預測巖石噴出的方法也是如上類似地進行的。
對于礦層地段是否處于前臨界狀態(tài)作出判斷，不僅可根據樣品材料中游離水含量的變化，也可根據其中有機組分含量的變化、礦層中溫度的變化，對例如煤層來說，又可根據其對應于質量損失最大速度的溫度變化，等等。
實施例2此例中，按照本發(fā)明預測巖石會否噴出的方法與上述類似，差別在于是測定煤的有機組分含量的變化。測定煤的有機組分的含量是用沸騰CCl4的萃取法，將10克樣品放入濾紙筒內，置入Грефе儀器中，萃取時間10小時。測定準確度在含量絕對值本身上為±0.02%。
從特別有噴出巖石危險的礦層巷道的“支撐壓力”區(qū)采取巖樣，分為兩份。以其中的一份測定有機組分的含量，作為背景指標;另一份巖樣則進行液靜力壓縮，壓力為p最大-220至p最大＝1950巴。由于結晶水和與之相連系的有機物的相狀態(tài)的劇烈變化，煤的游離有機組分的含量增加到最大的值。當壓力卸降至大氣壓力后再測煤的有機組分的含量，取此值為基礎指標。然后對要預測地段的巖樣，測定其中有機組分的含量，進而求出其與背景指標之差以及此差值對基礎指標之比值。
按測定結果，背景指標為0.14%，基礎指標為14.34%，被預測地段的指標是10.24%，其與背景指標之差為10.10%，此差值對基礎指標之比值為70.4%，這表明被預測地段是有噴出巖石的傾向的。
實施例3此例中，按照本發(fā)明預測巖石會否噴出的方法與上述類似，差別在于是測定巖石材料溫度的變化，例如對開采礦層炮眼中的砂石。測定巖樣的溫度是用準確至±0.1℃的高溫計。對砂石礦層中有噴出危險的“支撐壓力”地段測出其溫度，其值作為背景指標。
在該同一地段采取巖樣，在壓力為p最大，I-220至p最大，I＝3260巴的范圍內進行液靜力壓縮，p最大，I對應于水第二個三相狀態(tài)點的臨界壓力。
在此壓力作用下，由于結晶水轉變?yōu)橛坞x水以及結晶水化物脫水反應的吸熱性，砂石樣品的溫度劇烈降低，這就解釋了觀察到的砂石樣品的自冷卻現(xiàn)象。將這個降低了的溫度取作基礎指標。然后測定要預測地段的炮眼的溫度，求出其與背景指標之差以及此差值與基礎指標之比值。按測定結果，背景指標為36.1℃，基礎指標為7.3℃。被預測地段的指標為31.9℃，其與背景指標之差為4.2℃，此差值對于基礎指標之比值為57.5%，這表明是有噴出巖石的可能。
實施例4此例中，按照本發(fā)明的預測巖石會否噴出的方法與上述類似，其差別在于是測量在將來開采時可能發(fā)生動力現(xiàn)象的區(qū)域的巖石的性質，此類現(xiàn)象可區(qū)別為巖石噴出或崩落。在作鑒定評估時要區(qū)別這兩種情況是必要的，因為巖石的噴出可視為是由于自然力表現(xiàn)的后果，而崩落是由于礦層開采時違反工藝的后果。在有巖石噴出的潛在危險的策源地，巖石是處于一種前臨界狀態(tài)，此時其性質是由基礎指標，例如游離水或有機組分的含量等等所表征的。經噴出后，在噴出的巖石中游離水的含量與其基礎指標相比是改變得很少的，這是因為發(fā)生機械性爆破所在的巖石的體積是噴出的巖石體積的幾分之一。如礦山測定結果所示，例如自噴出后經3-4小時從巖石噴出區(qū)采取的煤層樣品中，其游離水的含量與游離水含量的基礎指標相等或僅低0.3%，經72-84小時采取的則低8-10%。
實施例5此例中，按照本發(fā)明的預測巖石會否噴出的方法與上述類似，區(qū)別在于是測定其對應于最大質量損失的煤的溫度變化。此項測定是用導數(shù)圖解分析法(熱重量分析的一種方法)，其升溫速度為2.5℃/分，最終的加熱溫度為190°，準確至0.1℃。在此方法中，為求得基礎指標，將煤經受液靜力壓縮，壓力范圍為p最大-0.22千巴至P最大＝1.95千巴。在經受此壓力的壓縮時，由于結晶水相態(tài)的急劇改變以及因此轉變而引起的與水化學結合的有機組分含量的改變，煤的溫度急劇降低。根據對有噴出危險的煤層材料的測定結果，背景指標為58℃，基礎指標為49℃，而被預測地段的指標為51℃，被預測地段指標與背景指標之差為7℃，此差值對基礎指標之比值為14%，即小于40%，這表征被預測地段是無噴出危險的。
實施例6此例中，按照本發(fā)明的預測巖石會否噴出的方法的步驟如下由要預測的礦層采取巖樣，分為幾份樣品，對每份樣品均進行液靜力壓縮，而所壓至的壓力對相繼的每份樣品是在壓力范圍由0.220至7千巴之間作等量增加的。當壓力接近或等于水三相狀態(tài)的壓力值時，在有噴出傾向的樣品材料中，由于游離水和/或結晶水的相態(tài)發(fā)生了急劇變化，物質的一些化學性質與物理性質從而也發(fā)生急劇改變。由于在結晶水化物所特有的壓力下結晶水向游離水的相轉變，在壓力達到等于水的第一個三相狀態(tài)點的壓力之前，在600-800巴壓力范圍地會發(fā)生類似的性質最大改變。當壓力卸降至大氣壓力后，測出化學組成方面的指標值(游離水含量指標或存在于巖石中的結晶水化物組成中其它物質例如有機組分或多價元素-Fe，Ni等物質含量的指標)或物理性質方面的指標值(例如溫度或密度)。卸壓后，作出樣品的上述性質指標值的變化圖。當指標的一些極值是對應于水三相狀態(tài)臨界壓力值的壓力或與其相差為220-300巴的壓力，并且有的極值相應于600-800巴范圍的壓力，則認為礦層是特別傾向于噴出巖石的。當性質指標的一些極值是對應于三相狀態(tài)臨界壓力值或比其小220-300巴的壓力時，就認為礦層是傾向于噴出巖石的，而這些極值不與上述諸壓力對應時，則認為礦層是不傾向于噴出巖石的。
對于有噴出巖石傾向的礦層樣品，材料性質的變化進行得最為劇烈，并在壓力接近或等于水三相狀態(tài)的臨界壓力時達到極值[見圖3(1)，圖4(1與2)，圖5(1與3)]，而對于特別有噴出危險的礦層樣品，當在低于第一個水三相狀態(tài)點的壓力壓縮的，性質還附加地發(fā)生在600-800巴的急劇變化[見圖3(1)，圖4(1)，圖5(1)]。對無噴出巖石傾向的礦層，性質指標的極值與接近或等于水三相狀態(tài)臨界壓力的壓力是不對應的[見圖3(3)，圖4(3)，圖5(2)]。
權利要求
1.預測礦層噴出巖石傾向的一種方法，其特征在于，從位于“支撐壓力”區(qū)的地段采取礦層材料的樣品，將其分為兩份，其一份至少再分為兩份樣品，對這后兩份樣品均分別進行壓力呈線性增長的壓縮，將壓力卸減至大氣壓力后，對每份樣品進行其材料中游離水含量(重量%)的測定，從而獲得在受壓后其材料中游離水含量的突躍式變化，按照本發(fā)明，將在壓力為P臨-220巴至P臨+220巴范圍內(P臨是水三相狀態(tài)的臨界壓力)游離水的最大含量取作基礎指標；另一份樣品則在大氣壓力條件下測定其游離水含量(重量%)，取作背景指標；然后從要預測的礦層地段采取樣品，在大氣壓力條件下測定其游離水含量(重量%)，求出其與游離水含量背景指標之差值，并進而求出此差值對于游離水含量基礎指標之比值；當此比值≤40%，被預測礦層地段是沒有噴出巖石傾向的，而此比值＞40%時，被預測礦層地段就有噴出巖石的傾向。
2.預測礦層噴出巖石傾向的一種方法，其特征在于，從礦層的未破損地帶采取樣品，將其分為若干份，并對這些樣品進行壓縮，而每份樣品壓至的壓力是在220巴至7.0千巴范圍內呈等量增加的，對每份樣品測定其某個物理性質和/或化學性質的指標，作出性質指標值隨壓力的變化圖，此圖的特點在于當指標的極值對應于比水三相狀態(tài)臨界壓力小220巴的壓力，同時也有極值對應于600至800巴范圍的壓力時，則認為礦層是特別有噴出巖石的危險;當指標的極值對應于比水三相狀態(tài)臨界壓力小220巴的壓力時，則認為礦層有噴出巖石的傾向;而當不存在上述對應時，就認為礦層并無噴出巖石的傾向。
全文摘要
本發(fā)明提出了一個方法，在此方法中，將一份試樣材料在P
文檔編號E21C39/00GK1097839SQ9310908
公開日1995年1月25日 申請日期1993年7月22日 優(yōu)先權日1993年6月28日
發(fā)明者V·I·帕夫洛夫, V·A·格魯托夫 申請人:烏克蘭私營小型企業(yè)