金屬礦山硫化礦自然發(fā)火機理及其預測預報技術研究.pdf

1、硫化礦自然發(fā)火是金屬礦山開采中所面臨的重大災害之一，火災的發(fā)生將引發(fā)一系列的安全與環(huán)境問題，并且造成礦物資源的巨大浪費。硫化礦石被崩落以后比表面積驟然增大，礦石與潮濕空氣發(fā)生氧化反應而放出熱量；若反應生成的熱量大于其向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量時，礦石溫度將不斷上升，直到達到自燃點，從而導致自燃火災。
　　 本論文依托“十一·五”國家科技支撐計劃課題(2006BAK04803)：含硫礦石自燃傾向性鑒定與檢測預報關鍵技術研究；國家自然科學

2、基金項目(51074181)：金屬礦山硫化礦石自燃安全評價體系研究等課題。在系統(tǒng)檢索及深入分析前人已取得研究成果的基礎上，采取理論分析與實踐應用相結合的研究手段，針對硫化礦石的低溫氧化行為、自然發(fā)火機理、自燃傾向性測試技術、自燃預測的數(shù)學模型、數(shù)值模擬、非接觸式檢測技術等方面做了大量的研究工作。論文的主要研究內容及結論如下：
　　 (1)借助著名數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計分析了國內外有關礦山自燃火災研究的文獻共計300余篇。探討了現(xiàn)有解釋硫化

3、礦石自然發(fā)火的各種理論，包括物理吸附氧機理、化學熱力學機理、電化學機理，以及微生物氧化機理。綜述了硫化礦石自燃傾向性測試技術的研究成果，著重評述了硫化礦石自燃傾向性測試的吸氧速度法、傳統(tǒng)的交叉點溫度法、動態(tài)自熱率測試法、絕熱氧化法、金屬網(wǎng)籃交叉點法、綜合測試法、程序升溫氧化法等，并將各種測試方法加以比較、分類。
　　 (2)從典型金屬礦山采集多個最具代表性的硫化礦石礦樣，在實驗室環(huán)境中模擬了各個礦樣的低溫氧化反應過程。綜合運用X

4、射線衍射方法(XRD)、電鏡掃描(SEM)、能譜分析(EDAX)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)等先進測試技術獲得礦樣的特征圖譜，并對比每一個礦樣在發(fā)生氧化作用前后，宏觀與微觀特征的差異。測得各個礦樣在經(jīng)歷不同反應時間后，其氧化增重率及內部水溶性鐵離子、硫酸根離子等含量的變化。系統(tǒng)分析了影響硫化礦石低溫氧化行為的礦物晶體結構、化學成分、痕量元素的含量、環(huán)境溫度、鐵離子含量、氧氣濃度、空氣濕度、礦樣的粒度分布、環(huán)境的pH值、微生物，以及地

5、質條件等諸多因素。
　　 (3)提出了一種新的解釋硫化礦石自燃的機械活化理論。認為金屬礦山開采中施加于礦體上的各種機械力使得硫化礦石經(jīng)歷了機械活化作用，相應的化學反應活性得到提高，在一定的環(huán)境條件下更加容易發(fā)生氧化自熱，最終引發(fā)自燃火災。表征了硫化礦石在經(jīng)歷不同機械活化時間后，各種礦樣的表觀形貌、微觀結構、粒度分布、比表面積、熱行為等物理化學性質的差異。結果發(fā)現(xiàn)，硫化礦石在經(jīng)歷機械活化作用以后，粒度變小、比表面積增大、出現(xiàn)團聚效

6、應、產生晶格畸變與晶格缺陷、初始放熱點及最大反應速率所對應的溫度均有所下降；暴露在自然環(huán)境中時，經(jīng)歷機械活化后的礦樣更加容易發(fā)生氧化作用。
　　 (4)提出了硫化礦石自燃傾向性測試的氧化動力學研究方法。自行組裝了一套實驗系統(tǒng)，基于金屬網(wǎng)籃交叉點溫度法，測試了不同類型礦樣的氧化自熱性質，并得到相應的氧化反應動力學參數(shù)。聯(lián)合運用熱重分析(TG)與差示掃描量熱分析(DSC)技術測試了多個硫化礦石礦樣的熱行為，獲得不同升溫速率下的TG-

7、DTG-DSC曲線，并找出相應的特征溫度值；基于Ozawa-Flynn-Wall方法求得相應溫度區(qū)間內的表觀活化能值。提出運用TG-DSC聯(lián)合法測試硫化礦石的自燃傾向性，并以獲得的反應動力學參數(shù)(活化能)作為劃分礦石自燃傾向性大小的鑒定指標。在獲得多個樣本的活化能值以后，新建立了硫化礦石自燃傾向性的鑒定標準，將硫化礦石的自燃傾向性等級劃分為三大類，并規(guī)范了礦樣的具體測試程序。
　　 (5)將采場硫化礦石爆堆視為多孔介質，基于傳熱

8、傳質學理論、達西定律、質量守恒定律、能量守恒方程等，建立了描述硫化礦石自然發(fā)火過程的數(shù)學模型，包括礦堆內部的風流場、氧氣濃度場、溫度場?；陔娀瘜W與傳熱學理論，推算出硫化礦石自然發(fā)火期的數(shù)學模型，并予以修正。提出了礦倉硫精礦自燃臨界堆積厚度的概念，基于Frank-Kamenetskii自燃模型解算出高硫精礦與硫鐵精礦在不同環(huán)境中的自燃臨界堆積厚度。綜合考慮了影響硫化礦石爆堆自燃的各種因素，將未確知測度理論應用于采場礦石爆堆的自燃危險性評

9、價中；該方法解決了硫化礦石爆堆自燃危險性評價中諸多因素的不確定性問題，并能進行定量分析。
　　 (6)采用室內測試與理論分析相結合的研究方法確定了硫化礦石自燃數(shù)學模型中的諸多重要參數(shù)，包括礦石的放熱強度、導熱系數(shù)、耗氧速率、礦石堆的孔隙率、空氣的滲透系數(shù)等。運用ANSYS與FLUENT數(shù)值分析軟件對硫化礦自然發(fā)火的數(shù)學模型進行解算，揭示出不同礦樣的動態(tài)自熱規(guī)律、采場硫化礦石爆堆(硫精礦)在某個時刻的風流場、O2濃度場、SO2濃度

10、場，以及溫度場的分布規(guī)律，有效地指導了國內典型發(fā)火金屬礦山的現(xiàn)場實踐工作。
　　 (7)運用Raytek紅外測溫儀與Center接觸式測溫表同時測定了三種不同類型礦樣(粉狀、小塊、大塊)的表面溫度；找出了紅外測溫儀在不同感溫距離、不同感溫角度、不同環(huán)境條件、不同類型礦堆等參數(shù)條件下，感溫讀數(shù)與礦堆實際溫度之間的變化規(guī)律；揭示了硫化礦堆自燃非接觸式檢測中各種測量誤差的產生機理。開展了實驗儀器配套裝置的改進研究，并應用于國內典型金屬