金屬礦山硫化礦自然發(fā)火機(jī)理及其預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)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(zāi)害之一，火災(zāi)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(fèi)。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(yīng)而放出熱量；若反應(yīng)生成的熱量大于其向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量時(shí)，礦石溫度將不斷上升，直到達(dá)到自燃點(diǎn)，從而導(dǎo)致自燃火災(zāi)。
　　 本論文依托“十一·五”國家科技支撐計(jì)劃課題(2006BAK04803)：含硫礦石自燃傾向性鑒定與檢測預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)研究；國家自然科學(xué)

2、基金項(xiàng)目(51074181)：金屬礦山硫化礦石自燃安全評價(jià)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(chǔ)上，采取理論分析與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)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(jī)理、自燃傾向性測試技術(shù)、自燃預(yù)測的數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬、非接觸式檢測技術(shù)等方面做了大量的研究工作。論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　 (1)借助著名數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計(jì)分析了國內(nèi)外有關(guān)礦山自燃火災(zāi)研究的文獻(xiàn)共計(jì)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(jī)理、化學(xué)熱力學(xué)機(jī)理、電化學(xué)機(jī)理，以及微生物氧化機(jī)理。綜述了硫化礦石自燃傾向性測試技術(shù)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(diǎn)溫度法、動(dòng)態(tài)自熱率測試法、絕熱氧化法、金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)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(gè)最具代表性的硫化礦石礦樣，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬了各個(gè)礦樣的低溫氧化反應(yīng)過程。綜合運(yùn)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(jìn)測試技術(shù)獲得礦樣的特征圖譜，并對比每一個(gè)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(gè)礦樣在經(jīng)歷不同反應(yīng)時(shí)間后，其氧化增重率及內(nèi)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(jié)構(gòu)、化學(xué)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(zhì)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(jī)械活化理論。認(rèn)為金屬礦山開采中施加于礦體上的各種機(jī)械力使得硫化礦石經(jīng)歷了機(jī)械活化作用，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)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(zāi)。表征了硫化礦石在經(jīng)歷不同機(jī)械活化時(shí)間后，各種礦樣的表觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)、粒度分布、比表面積、熱行為等物理化學(xué)性質(zhì)的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硫化礦石在經(jīng)歷機(jī)械活化作用以后，粒度變小、比表面積增大、出現(xiàn)團(tuán)聚效

6、應(yīng)、產(chǎn)生晶格畸變與晶格缺陷、初始放熱點(diǎn)及最大反應(yīng)速率所對應(yīng)的溫度均有所下降；暴露在自然環(huán)境中時(shí)，經(jīng)歷機(jī)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(dòng)力學(xué)研究方法。自行組裝了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)溫度法，測試了不同類型礦樣的氧化自熱性質(zhì)，并得到相應(yīng)的氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。聯(lián)合運(yùn)用熱重分析(TG)與差示掃描量熱分析(DSC)技術(shù)測試了多個(gè)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(yīng)的特征溫度值；基于Ozawa-Flynn-Wall方法求得相應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)的表觀活化能值。提出運(yùn)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(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)(活化能)作為劃分礦石自燃傾向性大小的鑒定指標(biāo)。在獲得多個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)，基于傳熱

8、傳質(zhì)學(xué)理論、達(dá)西定律、質(zhì)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(xué)模型，包括礦堆內(nèi)部的風(fēng)流場、氧氣濃度場、溫度場?；陔娀瘜W(xué)與傳熱學(xué)理論，推算出硫化礦石自然發(fā)火期的數(shù)學(xué)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(yīng)用于采場礦石爆堆的自燃危險(xiǎn)性評

9、價(jià)中；該方法解決了硫化礦石爆堆自燃危險(xiǎn)性評價(jià)中諸多因素的不確定性問題，并能進(jìn)行定量分析。
　　 (6)采用室內(nèi)測試與理論分析相結(jié)合的研究方法確定了硫化礦石自燃數(shù)學(xué)模型中的諸多重要參數(shù)，包括礦石的放熱強(qiáng)度、導(dǎo)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(yùn)用ANSYS與FLUENT數(shù)值分析軟件對硫化礦自然發(fā)火的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解算，揭示出不同礦樣的動(dòng)態(tài)自熱規(guī)律、采場硫化礦石爆堆(硫精礦)在某個(gè)時(shí)刻的風(fēng)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(dǎo)了國內(nèi)典型發(fā)火金屬礦山的現(xiàn)場實(shí)踐工作。
　　 (7)運(yùn)用Raytek紅外測溫儀與Center接觸式測溫表同時(shí)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(shí)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(chǎn)生機(jī)理。開展了實(shí)驗(yàn)儀器配套裝置的改進(jìn)研究，并應(yīng)用于國內(nèi)典型金屬