铜山铜矿井下采场硫化矿石自燃的机理探讨及预防措施.pdf

第5 7 卷第3 期 2005 年8 月 有色金属 N o r l f e r r o u 8M e t a l s V 0 1 ．5 7 。N o ．3 A u g u s t 2 005 铜山铜矿井下采场硫化矿石自燃 的机理探讨及预防措施 钱柏青 铜陵有色金属 集团 公司生产安环部，安徽铜陵2 4 4 0 0 0 摘要上世纪9 0 年代铜陵有色金属公司铜山矿多次发生采场内矿石自燃事故，给矿山安全生产带来一系列问题，并造成 巨大经济损失。为寻求预防措施，综合分析采场内矿石氧化、自燃、燃烧三个阶段的一系列物理、化学变化和特点，考查采场燃烧 的影响因素，提出预防措施。实践证明，效果比较明显。 关键词安全管理工程；矿石自燃；预防；黄铁矿；铜矿 中图分类号T D 7 5 2 ；T D 8 6 2 ．1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 3 0 0 0 9 9 0 4 铜陵有色金属公司铜山铜矿几个主要矿体均属 铜、硫型矿床，矿石含硫为2 0 ％～3 0 ％，含铜为1 ．2 ％ ～1 ．5 ％。矿石易氧化、燃烧，释放大量的热量和有 毒有害气体s 0 2 ，给矿山开采安全和矿区周围环境造 成很大的威胁。分析采场燃烧机理，找出燃烧的影响 因素，为采取相应的有效预防措施提供依据。 1 矿体的地质及采矿方法 以8 4 矿为例，该矿体赋存于 5 2 m ～一2 1 4 m 之间。矿石成分主要为含磁铜黄铁矿、含铜硅卡岩 或含铜隧石黄铁矿。矿石结构粒度中一细，角砾状、 胶结状、块状构造。矿块内部裂隙发育、底板为闪长 岩 蚀变闪长岩和五通石英岩 ，顶板为单硫隧石层 和少量大理岩。在矿体、顶板交界处，地质构造复 杂，是热量聚集之所在。 采用的采矿方法，一8 0 m 以上是有底柱分段崩 落法，一8 0 m 以下采用有底柱空场嗣后一次充填采 矿法。将矿体分成若干个房柱，先采矿柱混凝土充 填后，采矿房用尾砂充填。运矿方式采用阶段电扒 运矿、装车。 2 发火历史简介 在一8 0 m 以上采用有底柱崩落法回采，地表黄 土作为覆盖岩随开采深度下降而下降，这样形成了 自然的“黄泥灌浆灭火”。随着生产的发展，8 4 矿 收稿日期2 0 0 5 0 2 2 4 作者简介钱柏青 1 9 6 4 一 ，男，安徽安庆市枞阳县人。经济师，主 要从事有色冶金企业经济与环境管理方面的工作。 体一8 0 m 以下由于崩落法已不适应矿山生产而改用 充填法，同时本矿的同地质类型的新4 矿体、3 0 矿体相继投产，经常出现采下的矿石未等出完就在 采场自燃，放出大量的热量和S 0 2 气体。最为突出 的是1 9 9 0 年前山1 和2 单硫采场燃烧，该采场从 最初拉槽爆破到发火时间不足一个月，开始有大量 S 0 2 气体漫出，随后有黄铁矿在采场中燃烧后生成 物“铁水”淌人电扒道，只好采用“窒息灭火法”将该 采场关闭，造成生产脱节，矿石损失。矿体总回风井 的钢梁腐蚀，井壁垮塌，风机报废，周围农田庄稼受 污染，直接经济损失上百万元。新4 矿体3 房采 场内矿石燃烧，造成3 个中段受s 0 2 侵蚀达半年。 3 燃烧机理分析 对多次采场自燃情况进行分析，认为燃烧经历 氧化、自燃和燃烧3 个阶段。 3 ．1 氧化阶段 在气和水的作用下，一般硫化矿床都具有垂直 成带性，即自上而下呈氧化带、次生富集带和原生 带。其主要化学变化包括氧化、溶解及有价金属的 富集，金属矿物就地变成氧化物等。其中黄铁矿起 重要作用，其他金属硫化物亦参与反应，生成多种硫 酸盐。同一矿体在不同地带内，矿体氧化程度不同。 万方数据 1 0 0有色金属第5 7 卷 原生黄铁矿。在氧化过程中首先与空气中氧或 水中游离氧发生吸附作用，继而发生式 1 反应。当 有水参与时，还有反应 2 发生。两种反应过程伴有 黄铁矿的胶化过程，但反应速度较慢。 F e S 2 ’2 0 2 - - - F e S 0 2 S Q 1 2 F e S 2 7 0 2 2 H 2 0 - * 2 F e S 0 4 2 H 2 S O a Q 2 胶状黄铁矿。胶状黄铁矿是原生黄铁矿在长期 氧化过程中的中间产物，其晶形已发生变化，是一种 超细微粒，并含有1 0 ％以上的F e S 0 4 ，氧化速度大 大高于原生黄铁矿。当胶状黄铁矿与氧接触时，发 生如下反应。 1 2 F e S 2 1 0 0 2 5 F e S 2 l l S Q 可见硫化矿石自燃发火的一个重要原因在于黄 铁矿的胶状化，其胶状化程度，对矿石回采周期内能 氧化自燃亦有重大影响。 磁黄铁矿。在氧和水的长期作用下，磁黄铁矿 常常被氧化成白铁矿和胶状黄铁矿，但磁黄铁矿的 结构较致密，同时参与氧化的面积少，开采中的氧化 自燃性并不比胶状黄铁矿大多少，可是如果用大爆 破方法回采，由于造成大量易氧化的极细粉矿，加上 崩落矿石因出矿缓慢，在崩落带滞留时间长，矿石自 燃的危险性将加大。 在磁黄铁矿富集带或者与其他硫化物体生存的 条件下，磁黄铁矿氧化时分别有以下反应。从反应 可见，磁黄铁矿的结合反应速度及放热量不是很大 的。 F e S 2 0 2 F e S 0 4 Q F e S H 2 S 0 4 F e S 0 4 H 2 S Q F e S F e 2 S 0 4 3 3 F e S 0 4 S Q F e 2 S 0 4 3 2 H z S 0 4 F e S 0 4 F e s 2 一Q 单质硫。在常温下，单质硫比较稳定，燃点为 3 6 0 ℃，而在硫化物中伴生的单质硫或硫化矿物氧化 后产生的单质硫燃点可降到2 0 0 ℃左右。虽然单质 硫在硫化物中的含量不多，却可起到“引燃剂”作用。 3 ．2 自热阶段 由于硫化矿物的氧化产生热量，在采场中散热 不畅，形成自热过程。该能量主要来源于F e S 2 氧化 和爆破产生的热能。 a 氧化过程产生的热量Q ，； b 大爆破及二次破碎释放大量的热能，一部分转化 为爆炸能，另一部分为Q ； c 大爆破中残留炸药 和氧化过程中生成的H 2 S 0 4 产生氧化反应释放热 量，N H N 0 3 H 2 S 0 4 N I - h 2 S 0 4 2 H N C h ，4 H N C h 4 F e S 2 2 8 2 S 0 4 2 F 龟 S 0 4 3 3 0 H 2 0 0 2 十 6 4 N 0 2 十 Q ，； d 下矿过程中，矿石间磨擦发生热 Q 4 。自热量Q Q 1 Q 2 ’Q 3 Q 4 一Q 散，Q 鼓一采 场通过出口传递到相邻区域热量。Q ≥Q 着火时就产 生燃烧，Q 着火一达着火点温度的热量。 3 ．3 燃烧阶段 采场中可燃物质主要是经爆破采下的松散状矿 石，受热分解为一硫化铁和单质硫以及硫化矿物氧化 过程中产生的单质硫，2 F e S 2 t 萄 2 飚 固 s 2 气 十一 Q 。分解出的单质硫与空气燃烧具有特有的蓝色火 焰，生成二氧化硫气体，S 2 气 2 0 2 气 十 Q 。 黄铁矿在释放出单质硫后，剩下的逐渐变成多 孔性物质，有利于一硫化铁继续燃烧。当燃烧充分 时，生成黑色的F e 3 0 4 ，3 F e S 固 s 0 2 气 千 3 S 0 2 气 F e 3 0 4 固 Q 。当燃烧不充分时，生成黑 色的F e 2 0 4 ，4 F e S 固 7 0 2 气 4 S 0 2 气 千 2 F e 2 0 4 固 Q 。只有F e S 2 分解是吸热反应，其他 均为放热反应，放热远大于吸热，综合反应为4 F e S 1 1 0 2 2 F e 2 0 3 8 S 0 2 千 3 ．3 0 M J ；3 F e S 2 8 0 2 F e 3 0 4 6 s 0 2 十 2 。3 7 M J 。 反应热促使硫铁矿进一步燃烧，并向周围传递， 使燃烧范围不断扩大。 4影响采场中矿石燃烧的因素 1 供氧条件。供氧条件是硫化矿石自燃的决 定性因素，在开采过程中，除保证人的呼吸外，供氧 促使矿石氧化，同时风流又带走矿石氧化产生的部 分热量，破坏了聚热条件。 2 水的影响。水能促进黄铁矿的胶化，是一种 供氧剂，在某些场合下，水又是一种抑制剂。一方面 水气化要吸收大量的热，另一方面水的大量存在将 发生反应4 F e S 0 4 0 2 1 0 H 2 0 4 F e O H 3 4 H 2 s o ．，这是一个不放热也不吸热的反应，当溶液 的p H ，8 时，此反应能在1 5 ～3 0m i n 内完成，迅速 生成胶状F e O H ，，会使矿石胶结。 3 矿石的块度。黄铁矿的分解速度虽然与矿 石块度大小无关，但分解生成的硫化铁的燃烧速度 却与矿石块度有很大关系。因为一硫化铁的燃烧是 一非均相过程，其燃烧速度除了温度影响外，很大程 度取决于气、固相间接触表面的大小，而接触表面的 大小又取决于矿石的块度。矿石块度越小，单位矿 石接触面越大，空气中的氧就能充分与矿石表面接 触，并易于达到矿石的内部，生成的二氧化硫也能很 快地离开，扩散到气流中去，即有较快的传递速度。 万方数据 第3 期钱柏青铜山铜矿井下采场硫化矿石自燃的机理探讨及预防措施1 0 1 如果矿石块度大，除减少接触面积外，在矿块表面因 燃烧反应生成的氧化薄膜层较厚，它阻碍氧分子向 矿石中心扩散，生成的二氧化硫也不能很快离开，即 减慢了传递速度。矿石块度越大，燃烧速度越慢。 4 下矿过程的影响。在电扒道扒矿，漏斗下矿 过程矿石得到搅动，使矿石间接触状况有改变，促使 新鲜空气达到被燃烧矿石表面，提高了燃烧速度。 同时，放矿椭球体内矿石间摩擦生热，使采场内温度 升高。 5 从漏斗中进入采场的风量。电扒道一端进 风，一端回风，且风流方向与扒运方向相反。进风量 一部分从电扒道将粉尘排到回风端，另一部分则从 漏斗进入采场与松散矿石接触，为矿石氧化、燃烧供 氧。从漏斗中进入风量越多，则燃烧越充分。 6 回风量风速的大小。电扒道回风速度越快， 越有利于热量从漏斗中散出，破坏聚热条件。同时， 由于扒运而形成的“硫尘”排出越快。 7 采场出口数量。矿石氧化产生热量是通过 热传递的方式经采场出口向周围散出，出口数量越 多，无疑对散热越有利。 8 采场进行二次破碎次数及炸药量。由于裸 露药包爆炸能利用率低，极大部分能量未起到破碎 作用而成为热能进入采场，使采场中温度升高。因 此，二次破碎频繁，炸药量过大都直接影响燃烧。 5 采场中矿石燃烧对生产造成的危害 采场中矿石燃烧的危害主要表现为块状矿石 成为粉状F e 2 0 3 ，增加了粉尘浓度和扒矿难度； F e z 0 3 在出矿过程遇水产生胶体，易使溜井堵塞；矿 石中铜被氧化成C u O ，不利于选矿；井下空气温度 升高；由于F e s 2 的分解有升华硫出现，局部硫尘含 量升高，易产生硫尘爆炸；对风机和通风构筑物造成 严重腐蚀；S O z 排至地表，造成大气污染。 6高硫矿石发火的前期征兆特征 1 氧化阶段l 此阶段有少量的S 0 2 气体排出， 并产生F 豸、F e } 及s o ；2 离子。 2 自热阶段l 这一阶段的特征是岩石的温度 逐渐升高，并高于外界温度，同时空气中C O 和C 0 2 的含量显著增加，并放出水分，空气中的水蒸汽呈饱 和状态，在巷道壁和支架上凝结成露水，俗称巷道壁 和支架“出汗”。此时有少量C O 及C 0 2 发生，并产 生微量的S 0 2 气体。 3 着火阶段在此阶段内岩石赤热，由于氧的 来源较少，C O 大量增加，H 2 S 、s c h 气体也逐渐增 加，同时矿内空气、岩石与水的温度逐渐升高，以至 巷道出现“煤雾”。 4 燃烧阶段其特点是生成大量的C O 、H z S 及 S 0 2 气体，巷道中出现煤雾和明火，火源的温度可达 6 0 0 - - 7 0 0 “ C 。 7 预防性措施 1 每一出矿采场在出矿时要有独立的分区回 风系统。 2 采场进行大爆破时，装药结束后，要将未装 入孔内的零碎炸药运出采场，要创造良好的散热条 件，确保采场与上中段及本采场联络道畅通，使之缓 慢氧化的热量能不断散出去。 3 选择合理的爆破参数，根据该矿的凿岩条件 和矿石性质，将孔口药距控制为中孔 药径4 5 m m 0 ．8 ～1 ．0 m ，深孔 药径8 0 m m 1 ．0 ～1 ．5 m ，以控制 矿石过粉碎程度，从而减小气、固相间接触面。 4 在电扒道扒运过程中，必须遵循“均匀扒矿” 的原则，减少单个漏斗控制范围内在单位时间内“搅 动”次数，以降低矿石间摩擦生热和氧化速度。 5 定期对电扒道进出风量进行测定，进风量不 得低于9 0 ～1 2 0 m 3 ／m i n ，出风量要达到进风量9 5 ％ 以上，从而控制漏斗中进风量。 6 对电扒道中的风速进行定期测定，在电扒道 尾部设置风扇，确保排尘风速不得低于0 ．5 m ／s ，从 而防止硫尘过高而产生硫尘爆炸。 7 确保采场各分层联络道与顶底板天井畅通， 充填井、切割井与上中段必须沟通，增加散热点数。 8 在电扒道与进风端天井处设置风帘，从而使 电扒道与上部风流隔开，中段供风在出矿作业时尽 量只供电扒道形成贯穿风流，满足排尘需要。 9 尽量减少二次破碎次数，将炸药量控制在 6 k g ／0 以内。 1 0 定期测定采场总排风口的S 0 2 浓度，当 S O z 浓度突然升高时就要引起重视，暂时切断电扒 道进风口，停止出矿。 1 1 定期测温。对散热口进行定期测定温度， 当发生温度突然升高现象，这是将要发生燃烧的危 害征兆，必须采取强制降温措施。 1 2 采矿回采顺序由底板向顶板、以避免顶板 地热过早暴露出来。 1 3 采场出空后，立即封闭、充填，以缩短矿石 氧化放出的S 0 2 气体危害时间。 万方数据 1 4 确保进、回风巷道的风量调节设施完善。 1 5 经常观察出矿采场周围表象特征，及时掌 握处于燃烧过程中的阶段。 1 6 定期观察s 0 2 、C O 、c 0 2 浓度，s 0 4 - 2 浓度 参考文献 和水的p H 。 多年来的实践证明，对硫化矿石在采场内的自 燃机理分析是正确的，采取的预防是有效的。 [ 1 ] 杨培章．国内外硫化矿床内因火灾的防治[ K ] ．长沙长沙矿山研究院，1 9 8 2 3 7 4 9 ． [ 2 ] 武汉安全技术研究所．铜山硫化矿药包自爆原因的研究[ R ] ．铜陵铜山铜矿，1 9 7 6 3 4 8 ． [ 3 ] 张堪定．硫化矿白燃火灾及防火方法[ K ] ．长沙长沙矿山研究院，1 9 8 2 2 4 6 2 ． M e c h a n i s ma n dP r e v e n t i o nM e a s u r e sf o rU n d e r p i tO r eA u t o i g n i t i o ni nT o n g s h a nC o p p e rM i n e Q I A NB a i - q i n g T o n g l i n gp 矗矾勿撇岱M a a l sG r o u pC o r p ．， A b s t r a c t T h ea c c i d e n t so no r ea u t o i g n i t i o ni nT o n g s h a nC o p p e rM i n eo fT o n g l i n gN o n f e r r o u sM e t a l sG r o u pC o r po C c u r r e dm a n yt i m e si nt h e1 9 9 0 s ．As e r i e so fs a f e t yp r o b l e m sf o rm i n i n gp r o d u c t i o na n ds e r i o u se c o n o m i c1 0 s s e s a r ec a u s e db yt h e s ea c c i d e n t s ．I no r d e rt of i n dt h ep r e v e n t i o nm e a s u r e s ，t h ec o r r e s p o n d i n g p h y s i c o c h e m i c a l c h a n g e sa n dt h ef e a t u r e so ft h r e es t a g e so fo x i d a t i o n ，a u t o i n i t i o na n db u r n i n gp r o c e s so fo r e si nt h es t o D ea r e c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eo r ea u t o i g n i t i o nb u r n i n gp r o c e s sa r ei n v e s t i g a t e d ，a n d t h ep r e v e n t i o nm e a s u r e sa r ep r o p o s e d ．T h er e s u l t sa r ee v i d e n t l ye f f e c t i v ef r o mt h ep r a c t i c a lp r o o f ． K e y w o r d s s a f e t ym a n a g e m e n te n g i n e e r i n g ；o r ea u t o i g n i t i o n ；p r e v e n t i o n ；p y r i t e ；c o p p e rd e p o s i t 万方数据