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硫化矿石自燃机理及其预防关键技术研究

李孜军  
【摘要】: 硫化矿石自燃是硫化矿床开采过程中的重大灾害之一。长期以来,人们对硫化矿石自燃的防治理论与技术进行了多方面的研究,但由于硫化矿石自燃过程的复杂性,许多问题未能得到根本解决。 本论文在广泛查阅国内外文献和系统总结前人研究成果的基础上,采用理论分析、实验室模拟、数学建模和现场应用相结合的综合研究方法,对硫化矿石低温氧化机理、自燃倾向性、自燃数学模型和自燃预防技术等展开了系统深入的研究,并将研究成果应用于矿山实际,取得了显著的效果。 本论文的主要研究内容和成果总结如下: (1)采用理论和实验相结合的手段对硫化矿石的自燃过程和低温氧化机理进行了系统的研究。通过研究硫化矿石低温氧化的物理吸附氧机理、生物氧化机理、化学热力学机理和电化学机理,并结合已有的研究成果进行比较和分析,建立了较为完善、科学的硫化矿石氧化自燃理论体系。与此同时,通过试验对硫化矿石氧化过程的热效应进行了分析,并提出了一种更加合理的对比自热测定法。 (2)提出了硫化矿石自燃倾向性评价的方法、指标体系与标准。通过对现有的硫化矿石自燃倾向性鉴定方法进行全面而系统的分析,提出了一种新的实验室鉴定硫化矿石自燃倾向性的综合分析法,并对鉴定流程、测试指标和评价方法等进行了具体的阐述。将该方法应用于矿山实际表明,鉴定结果是可靠的。在上述研究基础上,对硫化矿石低温氧化性评价指标的相关性进行了分析,并构建了硫化矿石自燃倾向性鉴定和自燃倾向性等级划分的标准。 (3)利用多孔介质流体力学和传热传质学等理论,建立了硫化矿石爆堆自燃数学模型。将硫化矿石爆堆视为宏观的连续性介质,结合达西定律、渗透连续性方程和质量守恒定律,建立了硫化矿石爆堆内气体流动数学模型;将硫化矿石爆堆视为含内热源的可燃性多孔介质,通过分析可燃多孔介质的传热机理,建立了硫化矿石爆堆导热数学模型;提出了硫化矿石爆堆安全堆放期的概念和判断准则,并通过分析硫化矿石爆堆的产热、散热特征及热量平衡规律,应用传热学理论,建立了硫化矿石爆堆安全期预测模型。 (4)以上述研究成果为指导,系统地分析了预防硫化矿石自燃的技术措施。通过理论分析和实验研究,对阻化剂、水、通风降温和矿石块度控制等技术在预防硫化矿石自燃中的作用进行了系统评价,并据此提出了综合防火技术措施。另外,还首次提出应用氧化增重法来评价硫化矿石的氧化性和阻化剂的性能,取得了显著的效果。 (5)将获得的主要成果应用于冬瓜山铜矿高硫矿石自燃性及矿石氧化自燃预防技术之中,取得了很好的效果。主要研究内容包括:应用综合分析法,鉴定了冬瓜山铜矿13种矿石类型的自燃倾向性;根据采场矿石自燃原因,通过理论分析和试验研究,获得了一组性能优良,并可应用于工程实际的阻化剂配方;建立了采场硫化矿石的安全堆矿时间预测数学模型,通过对矿石自热率的测定,对具体采场不同崩矿量的安全堆矿时间进行了预测分析。最后提出了科学、合理的预防冬瓜山铜矿矿石自燃的综合措施。实践表明,本研究成果是可行且有效的,完全可以推广应用于硫化矿石自燃防治的实际工作中。


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