金屬礦山硫化礦石自燃安全評價體系研究

硫化礦石自燃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，并且造成巨大的經濟損失。本項目采取理論分析、實驗測定、數(shù)值模擬相結合的研究手段，構建了金屬礦山硫化礦石自燃安全評價體系。本項目的主要研究內容和取得的研究成果總結如下： （1）通過繪制魚刺圖，直觀詳細地分析了硫化礦石自燃的主要影響因素；在此基礎上，對不同影響因素之間的相關性進行了研究，為理清各因素之間的復雜關系、簡化評價指標奠定了基礎。 （2）綜合運用多種先進測試技術，在實驗室環(huán)境中對各個礦樣的低溫氧化反應過程進行了模擬。提出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。 （3）建立了描述硫化礦石自然發(fā)火的數(shù)學模型.對硫化礦石堆的動態(tài)自熱過程、硫化礦石堆氧化自熱過程的非線性特征等進行了系統(tǒng)研究. 提出了硫精礦自燃臨界堆積厚度的概念，并解算出硫化礦石在不同環(huán)境中的自燃臨界堆積厚度。 （4）完善了硫化礦石自燃溫度的非接觸式紅外測試技術。分析影響紅外熱像儀測溫精度的主要因素，得出了紅外熱像儀測溫擬合公式。提高了紅外熱像儀直接應用于硫化礦石自燃監(jiān)測時的測量精度。 （5）規(guī)范了硫化礦石自燃傾向鑒定指標的測試方案，建立了硫化礦石自燃傾向性的鑒定標準。通過實驗研究，確定了硫化礦石吸氧速度測試實驗的標準化方案。提出了硫化礦石自燃傾向性測試的氧化動力學方法，建立了硫化礦石自燃傾向性的鑒定標準，并規(guī)范了礦樣的具體測試程序。 （6）查清了影響硫化礦石氧化結塊性的因素，并開發(fā)了一種用于檢測硫化礦石結塊性的單軸測試技術，與其他方法相比，單軸測試法更直觀精確。 （7）在綜合考慮了影響硫化礦石爆堆自燃的各種因素的基礎上，選取了評價指標并對其進行標準化和定量化處理，確立危險性分級標準，最終建立了硫化礦石自燃危險性評價指標體系和評價模型。

本項目針對高硫金屬礦床在開采過程中易發(fā)生礦石自燃事故的嚴重問題，通過采用理論分析、數(shù)值模擬、實驗測試、現(xiàn)場調查相結合的研究方法，查清影響硫化礦石自燃的主要因素之間的相關性、重要性順序及與自燃的耦合關系；篩選自燃評價指標，從硫化礦石氧化特征和產物入手，研究并規(guī)范各評價指標的量化方法（測試程序與技術）；分析、測定典型硫化礦石自燃的臨界環(huán)境條件，獲得不同特性硫化礦石在環(huán)境參數(shù)改變時的自燃特征及有效抑制自燃的環(huán)境因素集；研究硫化礦石安全評價的指標體系，確定各項指標的分級標準及權重，建立硫化礦石自燃的預報數(shù)模和自燃時間數(shù)模；最后應用系統(tǒng)安全分析和評價理論，研究硫化礦石自燃定量安全評價方法，建立定量評價體系。本項研究可解決金屬礦山硫化礦石自燃難以進行定量評價的難題，使評價體系得到規(guī)范，評價結果更準確、可靠，為制定硫化礦井自燃火災的防治措施提供重要的依據，具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。

學科：環(huán)境科學

詞目：礦石自燃

英文：ore self-ignition，ore auto-ignition，ore fire breeding

釋文：有些礦床的礦石（或圍巖）氧化性極強，尤以松散狀態(tài)下氧化更強烈，松散的礦石（或圍巖）可氧化引起自燃。礦石自燃不儀會引起火災、損壞設備和危害作業(yè)人員安全，使礦山環(huán)境惡化，而且還將造成資源的重大損失。故必須查明自燃的地質因素和外部因素等，并作出相應的評價，為治理提供依據。 2100433B

1 緒論

1.1 引言

1.2 研究意義

1.3 金屬礦山硫化礦自燃火災的研究現(xiàn)狀

1.3.1 國內外文獻檢索

1.3.2 硫化礦石自燃機理的研究現(xiàn)狀

1.3.3 硫化礦石自燃預測技術的研究現(xiàn)狀

1.3.4 硫化礦石自燃預報技術的研究現(xiàn)狀

1.3.5 硫化礦石自燃防治技術的研究現(xiàn)狀

1.4 研究現(xiàn)狀的評價

1.5 研究內容及技術路線

1.5.1 主要研究內容

1.5.2 研究的技術路線

2 硫化礦石的常溫氧化行為及影響因素分析

2.1 典型硫化礦物的結構特性

2.2 硫化礦石的常溫氧化實驗

2.2.1 礦樣采集

2.2.2 礦樣分析

2.2.3 實驗操作

2.3 硫化礦石常溫氧化中的微觀形貌及化學成分

2.4 硫化礦石常溫氧化的影響因素

2.4.1 晶體結構與化學組成

2.4.2 含水率與空氣濕度

2.4.3 氧氣濃度及鐵離子含量

2.4.4 環(huán)境溫度

2.4.5 環(huán)境的pH值及礦樣粒度

2.4.6 微生物作用

2.4.7 地質條件

2.4.8 其他影響因素

2.5 本章小結

3 硫化礦石自燃的機械活化理論

3.1 硫化礦石自然發(fā)火過程的表征

3.1.1 物理化學性質的改變

3.1.2 熱量的釋放

3.1.3 氣體的生成

3.2 硫化礦石自燃機理研究評述

3.2.1 物理吸附氧機理

3.2.2 電化學機理

3.2.3 微生物作用機理

3.2.4 化學熱力學機理

3.3 機械力化學的基礎理論

3.4 破碎引發(fā)的物理與化學現(xiàn)象

3.4.1 比表面積和新生表面

3.4.2 晶格缺陷

3.4.3 晶格畸變與顆粒非晶化

3.4.4 晶型轉變

3.4.5 熱量的生成

3.4.6 固相反應

3.4.7 其他物性變化

3.5 硫化礦石的機械活化

3.5.1 硫化礦石的機械活化效應

3.5.2 硫化礦石機械活化的研究現(xiàn)狀

3.5.3 硫化礦石的機械活化實驗

3.5.4 礦樣機械活化后的物理化學性質變化

3.6 本章小結

4 硫化礦石自燃傾向性測試的動力學方法研究

4.1 硫化礦石自燃傾向性測試的金屬網籃交叉點溫度法

4.1.1 實驗介紹

4.1.2 實驗數(shù)據及分析

4.1.3 氧化動力學參數(shù)的計算

4.2 硫化礦石自燃的TG/Dsc聯(lián)合測試研究

4.2.1 實驗礦樣與儀器

4.2.2 實驗的主要影響因素分析

4.2.3 數(shù)據處理與分析

4.3 硫化礦石自燃的熱分析動力學研究

4.3.1 硫化礦石自燃的反應動力學機理

4.3.2 硫化礦石自燃的表觀活化能計算

4.4 硫化礦石預氧化前后的表觀活化能比較

4.4.1 礦樣的預氧化

4.4.2 實驗數(shù)據及分析

4.4.3 礦樣預氧化后的表觀活化能

4.5 硫化礦石自燃傾向性的鑒定標準

4.6 本章小結

5 硫化礦石自燃預測的數(shù)學模型及綜合評價研究

5.1 硫化礦石自然發(fā)火過程的數(shù)學模型

5.1.1 硫化礦石自燃的特征

5.1.2 硫化礦石堆內部的風流場

5.1.3 硫化礦石堆內部的氧濃度場

5.1.4 硫化礦石堆內溫度場的數(shù)學模型

5.2 硫化礦石自然發(fā)火期數(shù)學模型的構建

5.2.1 基于電化學理論的礦石自然發(fā)火期

5.2.2 基于傳熱學理論的礦石自然發(fā)火期

5.3 硫化礦石爆堆自燃深度的測算模型

5.4 礦倉硫精礦的自燃臨界堆積厚度

5.4.1 相關理論

5.4.2 實驗及數(shù)據分析

5.5 采場環(huán)境中硫化礦石爆堆的自燃危險性評價研究

5.5.1 未確知測度理論概述

5.5.2 采場硫化礦石爆堆自燃危險性評價指標體系的建立

5.5.3 實例應用

5.6 本章小結

6 硫化礦石自然發(fā)火重要參數(shù)的確定及數(shù)值模擬

6.1 孔與孔隙率

6.1.1 孔隙率

6.1.2 比表面積M

6.1.3 硫化礦石的塊度

6.2 滲透系數(shù)

6.3 耗氧速率

6.4 傳熱系數(shù)

6.4.1 導熱系數(shù)

6.4.2 采場環(huán)境的不穩(wěn)定傳熱系數(shù)

6.4.3 礦石的放熱強度

6.5 數(shù)值解算軟件

6.5.1 MATLAB軟件

6.5.2 ANSYS軟件

6.5.3 FLUENT軟件

6.6 硫化礦石動態(tài)自熱速率的測試裝置及模擬

6.6.1 新的實驗裝置

6.6.2 礦樣自熱過程的數(shù)值模擬

6.7 風流場與氣體濃度場的數(shù)值模擬

6.8 硫化礦堆溫度場的數(shù)值模擬

6.8.1 基于MATI.AB軟件的礦堆溫度場模擬

6.8.2 冬瓜山銅礦礦倉硫精礦自熱的溫度場

6.8.3 某硫鐵礦山自燃礦石爆堆的滅火效果預測

6.9 本章小結

7 硫化礦自燃火災的非接觸式檢測技術研究及應用

7.1 硫化礦石自然發(fā)火檢測技術的研究概況

7.2 非接觸式測溫技術概述

7.2.1 紅外輻射的基本理論

7.2.2 紅外測溫儀的工作原理

7.2.3 紅外熱成像儀的工作原理

7.3 硫化礦氧化自熱的非接觸式測定實驗

7.3.1 實驗準備與實驗步驟

7.3.2 實驗數(shù)據分析

7.3.3 紅外測溫誤差的產生機理

7.4 溫度檢測裝置的改進

7.5 硫化礦自燃非接觸式檢測裝置的選擇及應用

7.5.1 礦山紅外測溫裝置的選擇方法

7.5.2 礦堆自燃檢測裝置的應用

7.5.3 硫化礦堆自燃火源位置的反演

7.6 本章小結

8 主要研究結論與展望

8.1 主要研究結論

8.2 研究工作的展望

參考文獻2100433B

陽富強、吳超所著的《硫化礦自燃預測預報理論與技術》借助著名數(shù)據庫，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。闡述了現(xiàn)有解釋硫化礦石自然發(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、金屬網籃交叉點法、綜合指標測試法、程序升溫氧化法等，并將各種測試方法加以分類。