机械力活化与环境因素协同诱导硫化矿自燃的机理研究

Spontaneous combustion of sulfide minerals is one of the most serious disasters in the mining of metal and chemical mines. Nevertheless the exact reaction mechanism has not been fully understood by researchers up to date. For this research project, theoretical calculation, laboratory simulation, and modern analysis technology (Mössbauer spectroscopy,X-ray diffraction, Scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy analysis, Thermo gravimetric analyzer, Differential scanning calorimetry, etc.) will be chosen to study the spontaneous combustion properties of sulfide minerals under the synergistic action of mechanical forces and environmental factors. The correlation between spontaneous combustion tendency and main mineral compositions, trace elements, and crystal structures will be explored theoretically; the change laws of microcosmic structures, lattice distortion, subgrain size, chemical compositions on surfaces, and reaction kinetics property of sulfide minerals after mechanical activation with different intensities will be revealed; under the synergistic action of mechanical forces and environmental factors (temperature, oxygen concentration, air moisture, pH value, etc.), the whole dynamical physicochemical reaction process from oxidation at low temperature to spontaneous combustion of sulfide minerals will be set forth. This study is to explore the synergistic effects of mechanical forces and environmental factors to uncover the mechanism for spontaneous combustion of sulfide minerals systematically, and provide the basis of theory and technology for preventing and controlling the fire effectively.

硫化矿自燃是矿山生产过程中可能遭遇的严重自然灾害之一，其确切的发生机理至今尚未被人们完全理解。本项目拟联合采取理论计算、实验模拟、现代分析测试技术（包括穆斯堡尔谱、X射线衍射、电镜扫描、红外光谱、X射线光电子能谱、综合热分析）等多种手段研究硫化矿在机械力与环境因素协同作用下的自燃特性。探索硫化矿石的主要矿物组成、痕量元素、晶体结构与其氧化自燃之间的相关性；揭示硫化矿在经历不同强度的机械力作用以后，其微观形貌、晶格畸变率、晶块尺寸、表面化学组成、热反应动力学参数等物理化学性质的变化规律；阐明硫化矿在机械力活化与温度、空气湿度、氧气浓度、风量、pH值等多种环境因素协同作用下，从常温氧化到自燃全过程的动力学演变机制。本项目旨在探索机械力活化与环境因素的协同致灾效应，全面揭示硫化矿氧化自燃的发生机理，从而为矿山积极有效地防治内因火灾奠定理论与技术基础。

高硫矿床爆破开采过程中，多种形式的机械力共同作用在矿体上，不仅使矿石破碎、块度变小、比表面积增大，而且还会破坏硫化矿物的晶格完整性，导致晶粒尺寸减小和晶格畸变，从而大大提高硫化矿石的化学反应活性。本项目联合运用电镜扫描仪（SEM）、X-射线衍射分析仪（XRD）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、X射线光电子能谱仪（XPS）、低温氮吸附仪、同步热分析仪（STA）等现代表征技术，系统揭示了机械力活化与环境因素协同作用下硫化矿石的氧化自燃特性，完成了如下主要研究内容：（1）深入江西、安徽等典型高硫矿山开展了硫化矿石自燃隐患调研与采样工作；表征了硫化矿石在经历不同活化强度、活化时间、料球比等机械力作用条件下，其微观形貌、晶格畸变率、晶块尺寸、表面化学组成等特性参数的变化规律。（2）开展了硫化矿石经历机械活化后的低温氮吸附实验，表征了其孔隙结构及吸附特性，发现活化矿样对气体的吸附主要集中在2～30 nm的介孔上，硫化矿样分形维数的大小顺序与其比表面积一致，但平均孔径却与之相反；机械力作用增大了硫化矿样的分形维数，提高其对氧气的吸附能力，从而有助于发生氧化自燃反应。（3）运用红外光谱分析技术表征了矿样经不同活化强度、料球比、活化时间后，其活性基团的变化规律，发现其内部的某些基团因断裂而产生新的基团，可能原因是机械力作用破坏了[S2]2-、[SO3]2-等结构而生成了硫单质及硫的衍生物。（4）采用氧化增重测试法探究了硫化矿石在经历不同活化强度、活化时间、料球比的机械力作用以后，其低温氧化行为的变化特征，从宏观层面揭示了硫化矿石经机械力活化后其氧化反应活性显著增强的现象；选取温度、湿度、含水量、pH值四个因素指标，通过正交实验确定了各环境因素对活化矿样氧化程度的影响顺序。（5）运用同步热分析技术表征了升温速率、空气流量、热分析方法对矿样在经历不同活化强度、料球比、活化时间的机械力作用条件下的热分解动力学特性；硫化矿石的表观活化能降低与活化矿样的晶格畸变率增大及晶块尺寸减小存在一定的相关性，因此容易引发氧化自燃灾害。这些研究成果为高硫矿山积极有效地防治内因火灾奠定了理论与技术基础。