金屬礦山硫化礦石自燃安全評(píng)價(jià)體系研究項(xiàng)目摘要

本項(xiàng)目針對(duì)高硫金屬礦床在開(kāi)采過(guò)程中易發(fā)生礦石自燃事故的嚴(yán)重問(wèn)題，通過(guò)采用理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相結(jié)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(guān)性、重要性順序及與自燃的耦合關(guān)系；篩選自燃評(píng)價(jià)指標(biāo)，從硫化礦石氧化特征和產(chǎn)物入手，研究并規(guī)范各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化方法（測(cè)試程序與技術(shù)）；分析、測(cè)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(shí)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(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，確定各項(xiàng)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重，建立硫化礦石自燃的預(yù)報(bào)數(shù)模和自燃時(shí)間數(shù)模；最后應(yīng)用系統(tǒng)安全分析和評(píng)價(jià)理論，研究硫化礦石自燃定量安全評(píng)價(jià)方法，建立定量評(píng)價(jià)體系。本項(xiàng)研究可解決金屬礦山硫化礦石自燃難以進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的難題，使評(píng)價(jià)體系得到規(guī)范，評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確、可靠，為制定硫化礦井自燃火災(zāi)的防治措施提供重要的依據(jù)，具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

硫化礦石自燃是金屬礦山開(kāi)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(wèn)題，并且造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本項(xiàng)目采取理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)定、數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段，構(gòu)建了金屬礦山硫化礦石自燃安全評(píng)價(jià)體系。本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容和取得的研究成果總結(jié)如下： （1）通過(guò)繪制魚(yú)刺圖，直觀詳細(xì)地分析了硫化礦石自燃的主要影響因素；在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同影響因素之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究，為理清各因素之間的復(fù)雜關(guān)系、簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。 （2）綜合運(yùn)用多種先進(jìn)測(cè)試技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)各個(gè)礦樣的低溫氧化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了模擬。提出的機(jī)械活化理論認(rèn)為金屬礦山開(kāi)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)。 （3）建立了描述硫化礦石自然發(fā)火的數(shù)學(xué)模型.對(duì)硫化礦石堆的動(dòng)態(tài)自熱過(guò)程、硫化礦石堆氧化自熱過(guò)程的非線性特征等進(jìn)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(cè)試技術(shù)。分析影響紅外熱像儀測(cè)溫精度的主要因素，得出了紅外熱像儀測(cè)溫?cái)M合公式。提高了紅外熱像儀直接應(yīng)用于硫化礦石自燃監(jiān)測(cè)時(shí)的測(cè)量精度。 （5）規(guī)范了硫化礦石自燃傾向鑒定指標(biāo)的測(cè)試方案，建立了硫化礦石自燃傾向性的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，確定了硫化礦石吸氧速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化方案。提出了硫化礦石自燃傾向性測(cè)試的氧化動(dòng)力學(xué)方法，建立了硫化礦石自燃傾向性的鑒定標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)范了礦樣的具體測(cè)試程序。 （6）查清了影響硫化礦石氧化結(jié)塊性的因素，并開(kāi)發(fā)了一種用于檢測(cè)硫化礦石結(jié)塊性的單軸測(cè)試技術(shù)，與其他方法相比，單軸測(cè)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(chǔ)上，選取了評(píng)價(jià)指標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和定量化處理，確立危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最終建立了硫化礦石自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型。

學(xué)科：環(huán)境科學(xué)

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(qiáng)，尤以松散狀態(tài)下氧化更強(qiáng)烈，松散的礦石（或圍巖）可氧化引起自燃。礦石自燃不儀會(huì)引起火災(zāi)、損壞設(shè)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(zhì)因素和外部因素等，并作出相應(yīng)的評(píng)價(jià)，為治理提供依據(jù)。 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(zāi)的研究現(xiàn)狀

1.3.1 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索

1.3.2 硫化礦石自燃機(jī)理的研究現(xiàn)狀

1.3.3 硫化礦石自燃預(yù)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.3.4 硫化礦石自燃預(yù)報(bào)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.3.5 硫化礦石自燃防治技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.4 研究現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)

1.5 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線

1.5.1 主要研究?jī)?nèi)容

1.5.2 研究的技術(shù)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(jié)構(gòu)特性

2.2 硫化礦石的常溫氧化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 礦樣采集

2.2.2 礦樣分析

2.2.3 實(shí)驗(yàn)操作

2.3 硫化礦石常溫氧化中的微觀形貌及化學(xué)成分

2.4 硫化礦石常溫氧化的影響因素

2.4.1 晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)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(zhì)條件

2.4.8 其他影響因素

2.5 本章小結(jié)

3 硫化礦石自燃的機(jī)械活化理論

3.1 硫化礦石自然發(fā)火過(guò)程的表征

3.1.1 物理化學(xué)性質(zhì)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(jī)理研究評(píng)述

3.2.1 物理吸附氧機(jī)理

3.2.2 電化學(xué)機(jī)理

3.2.3 微生物作用機(jī)理

3.2.4 化學(xué)熱力學(xué)機(jī)理

3.3 機(jī)械力化學(xué)的基礎(chǔ)理論

3.4 破碎引發(fā)的物理與化學(xué)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(zhuǎn)變

3.4.5 熱量的生成

3.4.6 固相反應(yīng)

3.4.7 其他物性變化

3.5 硫化礦石的機(jī)械活化

3.5.1 硫化礦石的機(jī)械活化效應(yīng)

3.5.2 硫化礦石機(jī)械活化的研究現(xiàn)狀

3.5.3 硫化礦石的機(jī)械活化實(shí)驗(yàn)

3.5.4 礦樣機(jī)械活化后的物理化學(xué)性質(zhì)變化

3.6 本章小結(jié)

4 硫化礦石自燃傾向性測(cè)試的動(dòng)力學(xué)方法研究

4.1 硫化礦石自燃傾向性測(cè)試的金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)溫度法

4.1.1 實(shí)驗(yàn)介紹

4.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1.3 氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算

4.2 硫化礦石自燃的TG/Dsc聯(lián)合測(cè)試研究

4.2.1 實(shí)驗(yàn)礦樣與儀器

4.2.2 實(shí)驗(yàn)的主要影響因素分析

4.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

4.3 硫化礦石自燃的熱分析動(dòng)力學(xué)研究

4.3.1 硫化礦石自燃的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理

4.3.2 硫化礦石自燃的表觀活化能計(jì)算

4.4 硫化礦石預(yù)氧化前后的表觀活化能比較

4.4.1 礦樣的預(yù)氧化

4.4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.4.3 礦樣預(yù)氧化后的表觀活化能

4.5 硫化礦石自燃傾向性的鑒定標(biāo)準(zhǔn)

4.6 本章小結(jié)

5 硫化礦石自燃預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型及綜合評(píng)價(jià)研究

5.1 硫化礦石自然發(fā)火過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

5.1.1 硫化礦石自燃的特征

5.1.2 硫化礦石堆內(nèi)部的風(fēng)流場(chǎng)

5.1.3 硫化礦石堆內(nèi)部的氧濃度場(chǎng)

5.1.4 硫化礦石堆內(nèi)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型

5.2 硫化礦石自然發(fā)火期數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

5.2.1 基于電化學(xué)理論的礦石自然發(fā)火期

5.2.2 基于傳熱學(xué)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(cè)算模型

5.4 礦倉(cāng)硫精礦的自燃臨界堆積厚度

5.4.1 相關(guān)理論

5.4.2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

5.5 采場(chǎng)環(huán)境中硫化礦石爆堆的自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究

5.5.1 未確知測(cè)度理論概述

5.5.2 采場(chǎng)硫化礦石爆堆自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

5.5.3 實(shí)例應(yīng)用

5.6 本章小結(jié)

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(dǎo)熱系數(shù)

6.4.2 采場(chǎng)環(huán)境的不穩(wěn)定傳熱系數(shù)

6.4.3 礦石的放熱強(qiáng)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(dòng)態(tài)自熱速率的測(cè)試裝置及模擬

6.6.1 新的實(shí)驗(yàn)裝置

6.6.2 礦樣自熱過(guò)程的數(shù)值模擬

6.7 風(fēng)流場(chǎng)與氣體濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬

6.8 硫化礦堆溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

6.8.1 基于MATI.AB軟件的礦堆溫度場(chǎng)模擬

6.8.2 冬瓜山銅礦礦倉(cāng)硫精礦自熱的溫度場(chǎng)

6.8.3 某硫鐵礦山自燃礦石爆堆的滅火效果預(yù)測(cè)

6.9 本章小結(jié)

7 硫化礦自燃火災(zāi)的非接觸式檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用

7.1 硫化礦石自然發(fā)火檢測(cè)技術(shù)的研究概況

7.2 非接觸式測(cè)溫技術(shù)概述

7.2.1 紅外輻射的基本理論

7.2.2 紅外測(cè)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(cè)定實(shí)驗(yàn)

7.3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)步驟

7.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

7.3.3 紅外測(cè)溫誤差的產(chǎn)生機(jī)理

7.4 溫度檢測(cè)裝置的改進(jìn)

7.5 硫化礦自燃非接觸式檢測(cè)裝置的選擇及應(yīng)用

7.5.1 礦山紅外測(cè)溫裝置的選擇方法

7.5.2 礦堆自燃檢測(cè)裝置的應(yīng)用

7.5.3 硫化礦堆自燃火源位置的反演

7.6 本章小結(jié)

8 主要研究結(jié)論與展望

8.1 主要研究結(jié)論

8.2 研究工作的展望

參考文獻(xiàn)2100433B

陽(yáng)富強(qiáng)、吳超所著的《硫化礦自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論與技術(shù)》借助著名數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)分析了國(guó)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。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(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(cè)試技術(shù)的研究成果，著重評(píng)述了硫化礦石自燃傾向性測(cè)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(cè)試法、絕熱氧化法、金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)法、綜合指標(biāo)測(cè)試法、程序升溫氧化法等，并將各種測(cè)試方法加以分類。