高硫金属矿井硫化矿尘爆炸机理与爆炸参数研究

Sulphide dust explosions result in heavy casualties. However, there are no reports on its explosion mechanism and parameters. The relevant laws and regulations have no restrictive provisions about it. Field experiments and preliminary studies show that, oxidation of sulfide minerals spontaneous combustion ignition source causes a mixture of solid and gas phase sulfide mineral dust explosion different from coal dust and gas explosion. The key parameters for sulphide dust explosion in high sulphur metal mine are the minimum concentration and lowest detonation energy. This project analyzes the chemical composition, mineral composition, grain size composition of sulfide ore dust by applying box-type oxidation or combustion method, dust explosive identification system, 20L spherical explosion device and numerical simulation method. The study follows the sequence of explosive identification, explosion mechanism and explosion parameters determination. The mathematics model of sulphide dust explosions is established by thermodynamics or entropy theoretical calculation and electrochemistry, chemical kinetics, system dynamics explanations. The physical mechanism (dispersion, particle size, humidity), chemical mechanism (Chemical composition, mineral composition) and energy mechanism (oxidation reaction heat, spontaneous combustion fire source, heat) of sulphide dust explosion are discussed by determining some important parameters such as minimum concentration, lowest detonation energy, spontaneous combustion and ignition energy. This project lays solid foundation for revealing sulphide dust explosion mechanism, preventing and treating spontaneous combustion of oxidation of sulfide ores and sulphide dust explosion. It is of great practical value for efficient and safe mining of high sulfur metal mines.

高硫金属矿井也有矿尘爆炸并导致重大人员伤亡，但其爆炸机理和参数尚无报道，相关法规也无限制条款。本课题组现场和前期实验研究认为：与煤尘和瓦斯爆炸不同，硫化矿氧化产生自燃点火源导致了固气混合相硫化矿尘爆炸，关键参数是下限浓度和最低引爆能。项目以爆炸性识别→爆炸机理研究→爆炸参数测定为主线，通过硫化矿尘化学成分、矿物成分、粒级组成的物化分析，应用箱式氧化法或燃烧法实验、粉尘爆炸性鉴定系统、20L球形爆炸装置和数值模拟方法，以及化学热力学或熵的理论计算和化学动力学、系统动力学理论解释，建立硫化矿尘爆炸数学模型，研究硫化矿尘爆炸的物理（分散度、粒度、湿度）、化学（化学成分、矿物成分）、能量（氧化反应热、自燃火源、热能）机制，获得硫化矿尘爆炸下限浓度、最低引爆能、自燃点火能等关键参数，为揭示硫化矿尘爆炸机理、防治硫化矿石氧化自燃和硫化矿尘爆炸奠定理论基础，对高硫金属矿井高效、安全开采具有实用价值。

以高硫金属矿井硫化矿尘爆炸为研究对象。以人工制尘为主，测定了硫化矿石、硫化矿尘及其爆炸产物的化学成分、矿物成分、矿物结构和矿尘爆炸热力学、动力学、电化学性质。. 应用自制硫化矿升温氧化实验装置和粉尘着火温度测试装置研究了矿石堆、矿尘层的氧化自燃倾向性和矿石堆、矿尘层、矿尘云的氧化自燃最低着火温度，测得A、B、C类矿石堆和矿尘层氧化自热温度为41、64、77℃和154、161、187℃；A、B类矿石堆和矿尘层最低着火温度为55、161℃和235、259℃，C类矿石堆和矿尘层均不会自燃着火，A、B、C类矿尘云最低着火温度为460～490、500～530、510～540℃。. 应用20L球研究了不同含硫量、不同粒度（500目、300目、200目）、不同浓度下的矿尘云最小点火能、爆炸下限浓度和爆炸强度，测得A200、A300、A500、B200、B300、B500最小点火能为2～3、2～3、3～4、6～8、4～6、6～8KJ，C200、C300、C500最小点火能均＞12KJ；10KJ点火能量时，A200、A300、A500、B200爆炸下限浓度为150、230、200、640g/m3，B300、B500和C类矿尘云均不会爆炸，D500矿尘云浓度＜60g/m3就会爆炸；矿尘云爆炸强度为St1级即弱爆炸性。. 应用综合热分析仪研究了硫化矿尘爆炸的热分解动力学，分别确定了A、B、C类矿尘热分解反应机理函数、表观活化能和指前因子，分别求得了A、B、C类矿尘在不同升温速率下热分解反应的活化熵、活化焓和活化吉布斯自由能；计算了A500在20L球爆炸后的爆炸产物及其理论爆炸温度。. 应用CFD、COMSOL软件构建20L球的二维多场耦合模型，仿真了矿尘云爆炸过程的浓度场与温度场、流速分布与运动轨迹，获得最佳点火时间、爆心温度峰值等参数。. 研究成果对揭示硫化矿尘爆炸机理、防治硫化矿尘爆炸灾害具有科学意义。