磁黄铁矿促发金属矿井硫化矿尘云爆炸的动力学模型研究

The research results of my previous project of NSFC show that: the existence of pyrrhotite and its content determines the explosiveness of the sulfide dust cloud. Considering the common presence of pyrrhotite in the sulfide ore deposits in China, we are committed to further the research on this perspective. Using the sulfide cloud dust explosion with the involvement of pyrrhotite in metal sulfide mine, we intend to uncover the reaction process sulphide dust cloud explosion with the participation of pyrrhotite under different conditions by calculating the equation of explosion reaction and thermodynamic parameters. The following technology roadmap is applied: explosion reaction thermodynamics → explosion dynamics parameters → explosion dynamics model. Through an improved 20L ball explosion experiment and theoretical analysis, this research investigates the relationship between thermodynamic parameters and kinetic parameters of sulfide dust explosion in sulphide ore. The dynamic parameters of pyrrhotite in the dust cloud explosion of sulphide ore is obtained. For the purpose of exploring the dynamic mechanism of Sulphide ore cloud explosion triggered by pyrrhotite, we establish a solid-Aerodynamic model of sulfide cloud dust explosion by applying dynamic models of coal dust explosion or dynamite explosion. It provides a theoretical basis for preventing and treating the spontaneous fire and mineral dust explosion, which is beneficial to realizing the mining safety of sulfide ore deposit.

前一国家基金项目实验发现：是否含有磁黄铁矿及其含量不同，硫化矿尘云爆炸性截然不同（爆炸或不爆）；而磁黄铁矿在我国金属硫化矿床中普遍存在，为此进行延深研究。项目以金属硫化矿井中磁黄铁矿参与的硫化矿尘云爆炸为研究对象，以“爆炸反应热力学→爆炸动力学参数→爆炸动力学模型”为技术路线，通过磁黄铁矿、硫化矿尘、爆炸产物的矿物鉴定和化学成分测定、氧化反应热力学分析及爆炸反应模拟计算，揭示不同条件下磁黄铁矿参与硫化矿尘云爆炸的反应过程，获得爆炸反应方程和热力学参数；通过改进的20L球爆炸实验和理论分析，研究硫化矿尘爆炸的热力学参数与动力学参数关系，获得磁黄铁矿参与硫化矿尘云爆炸的动力学参数；应用已有煤尘爆炸或炸药爆炸的动力学模型，构建硫化矿尘云爆炸的固-气动力学模型，探索磁黄铁矿促发硫化矿尘云爆炸的动力学机理。为金属硫化矿井防治内因火灾和矿尘爆炸关键技术研究提供理论依据，实现金属硫化矿床开采本质安全。

针对是否含有磁黄铁矿（普遍存在于我国金属硫化矿床中）及其含量不同，硫化矿尘云爆炸性截然不同（爆炸或不爆）的问题，项目以金属硫化矿尘云爆炸三个步骤：热分解→氧化燃烧→爆炸为主线，采用X射线衍射仪（XRD）、X射线荧光光谱仪（XRF）、扫描电镜（SEM）、质谱仪（TG-MS）等表征手段，测得黄铁矿、磁黄铁矿、金属硫化矿原矿、混合矿矿尘及爆炸产物的粒径、表面结构、化学成分、元素组成。通过固相和气相产物辨识，结合表面结构分析与表观活化能计算结果，揭示不同条件下磁黄铁矿参与硫化矿尘云爆炸的反应过程，获得了爆炸反应方程和热力学参数。结果表明：磁黄铁矿成分可以提高氧气与原矿中黄铁矿颗粒发生化学反应概率，降低黄铁矿粉尘云最小点火温度和爆炸下限浓度，进而提高黄铁矿粉尘云爆炸概率和最大爆炸压力及爆温。.基于热重实验、20L球爆炸实验及理论计算，深入研究了黄铁矿、磁黄铁矿及其混合矿尘的热分解、氧化燃烧及爆炸动力学过程及动力学模型，结果表明：黄铁矿尘热分解反应符合缩核模型与含挥发分的颗粒反应模型，磁黄铁矿矿尘符合三维扩散，球形对称含挥发分的颗粒反应模型；混合矿尘同时符合上述两种矿物反应模型。金属硫化矿尘氧化燃烧反应受动力学控制；主要氧化燃烧反应阶段，黄铁矿尘动力学反应机理为随机成核，符合缩核模型与含挥发分的颗粒燃烧模型；磁黄铁矿矿尘符合三维扩散模型；混合矿尘受黄铁矿成分影响较大，主要符合随机成核模型，兼备三维扩散趋势。金属硫化矿尘爆炸动力学机理符合矿尘颗粒随机成核的缩核反应模型，爆炸过程受化学反应及气体挥发扩散共同控制。.参照煤尘、铝尘等爆炸数值模型，建立了磁黄铁矿促发金属硫化矿尘云爆炸过程数学模型，并结合软件进行仿真计算。结果表明：该模型可有效描述磁黄铁矿促发金属硫化矿尘云爆炸过程，爆炸反应温度与理论计算结果基本一致，可以通过仿真计算解决金属硫化矿尘云爆炸过程中温度变化、粉尘扩散和生成物变化等问题。项目研究结果可为金属硫化矿井防治内因火灾和矿尘爆炸关键技术研究提供理论依据，实现金属硫化矿床开采本质安全。