多参数耦合下硫化矿诱发炸药自爆的宏微观特性及阻化干预机制研究

Spontaneous detontion of explosives is one of the most typical disasters during the blasting mining of sulfur-rich mines, which affects the safety mining seriously. For this research project, the whole dynamic process of spontaneous detonation of explosives caused by sulfide ores is targeted as the study objective. The practical survey, theoretical calculation, laboratory simulation, numerical analysis and modern analysis technology are chosen to discuss the macro-micro characteristics and retarding mechnism. The reaction kinetics features of sulfide ores-explosives and the development law of microscopic structures and chemical compositions are explored in the whole reacion process. The mathematical model with parameters coupling is constructed to depict the evolution of spontaneous detonation; the corresponding distribution laws of temperature, gas concentration, and hot spot are simulated by numerical analysis. The coupling effects of main factors which affect the reaction of sulfide ores-explosives are explored, and a new discriminant rule is established to assess the spontaneous detonation risk. The microscopic mechanism of several typical retarding materials inhibting the reaction of sulfide ores-explosives is revealed, and the effective inhibitor is prepared. This study aims to reveal the causing and retarding mechanism for spontaneous detonation caused by sulfide ores-explosives with parameters coupling from the macroscopic and microscopic views. The research results can provide some theory basis for preventing and controlling the similar spontaneous detonation accidents availably.

硫化矿爆破开采中的炸药自爆现象是高硫矿山生产中可能遭遇的典型灾害之一，其严重影响着矿山的安全生产。本项目拟以硫化矿诱导炸药自爆的动态全过程为研究对象，联合采取实践调研、理论计算、实验模拟、数值解析、现代分析表征等多种技术手段围绕炸药自爆的宏微观特征及阻化抑制机理开展深入研究。揭示硫化矿与炸药相互作用的化学反应动力学机制及反应全过程中的微观结构、化学组成等特征量的演变规律。构建炮孔内硫化矿自燃-炸药自爆的多参数耦合量化模型，揭示整个反应历程中的温度、气体浓度、高温热点等特征值的迁移规律。探索硫化矿-炸药自爆主要影响因素之间的耦合效应，构建炸药自爆危险性判别准则。揭示典型阻化材料抑制硫化矿与炸药相互作用的微观机理，优选配制高效中止硫化矿-炸药反应的阻化材料。本项目旨在从宏观、微观两个层面探索多参数耦合作用下硫化矿诱发炸药自爆的致灾及抑制机理，为高硫矿山有效防控类似事故提供理论依据。

高硫矿床爆破开采过程中，硫化矿经氧化自燃后与硝酸铵炸药直接接触时会发生化学反应，极可能引发炸药自爆事故。本项目综合采取理论计算、实验测试、数值模拟、现代分析表征等技术手段围绕硫化矿诱导炸药自爆的宏微观特性及阻化干预机制开展了系统研究。主要完成的研究工作包括：（1）运用C80微量热仪对硫化矿与乳化炸药混合物、黄铁矿与硝酸铵混合物进行测试，表征了样品在不同温度条件下受热分解时的反应及放热特性，揭示黄铁矿对硝胺类炸药热稳定性的影响机理。（2）联合采用TG-DSC技术表征了硫化矿与炸药组合物的热反应行为，采用Coats-Redfern方法计算不同加热速率下样品的表观活化能。（3）基于流体力学、传热传质学、多孔介质等相关理论，构建了硫化矿自燃-炸药自爆的耦合动态数学模型；运用COMSOL软件分析了炮孔温度场、流场的动态分布特征，探究了装药时间、炮孔直径、采场温度、炮孔初温等因素对炮孔温度场与流场的影响规律。（4）研制了高效抑制硫化矿自燃的阻化剂，选取Na2CO3、褪黑素（MT）分别作为阻化剂的物理、化学阻化原材料，以十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）和羟乙基纤维素（HEC）作为阻化剂溶液的改性材料；采用正交试验、热分析技术获得了阻化剂的最优配方。（5）构建了耦合矿样物理化学因素、环境因素、开采工艺条件、管理因素等多参数的硫化矿山炸药自爆危险性评价体系，发明一种硫化矿山炸药自爆监控预警装置及方法，该装置主要由红外测温传感器模块、气压传感器模块、单片机、风机、声光报警等构成。依托本项目，发表学术论文31篇，其中SCI论文14篇；申请专利7项，其中授权4项；培养硕士生8名，参加各类学术交流活动12次；项目负责人获宝钢优秀教师奖，并入选福建省高层次人才。本项目相关研究成果为高硫矿山积极有效防治炸药自爆灾害奠定了理论与技术基础。