基于表面温度探测的硫化矿石堆自燃火源定位方法研究.pdf

中图分类号 U D CT D 7 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 密级坌珏 基于表面温度探测的硫化矿石堆自燃火源定位方法研 究 S t u d yo f F i r eS o u r c eL o c a t i o nM e t h o do f S p o n t a n e o u s C o m b u s t i o no fS u l f i d eO r e sB a s e do nS u r f a c e T , ．1 t t u r eD e t e c t i c le m o e r a t u r e1 9 e t e c t l o n 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 谢彦蓉 矿业工程 安全管理工程 资源与安全工程学院 李孜军 论文答辩日期鱼丝生彩答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 4 年4 月 万方数据 学位论文原创性声明l U l l l l l q q l l l l l l l l l l l l l l l l i i l l l l i l l l l l l l l l l l l l qY 2 6 8 8 4 9 9本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。作者签名丛差鍪日期丝丝年生月丛日学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适应本声明。作者签名础差蓥日期丝年互月丝E t导师签名日期扭年竺月丝日 万方数据 基于表面温度探测的硫化矿石堆自燃火源定位方法研究摘要硫化矿石自燃是硫化矿床开采时经常遇到的重大灾害之一，长期以来影响着矿山的安全生产。硫化矿石自燃是矿石与氧复合放热为主、自发产生热量及热量积蓄引起矿体升温的非常复杂的物理化学过程，其自燃火源具有较强的隐蔽性。因此，研究硫化矿石自燃内火源的定位，对于判定矿石堆燃烧状况和推断火源位置以及高效、快速地展开防灭火具有重大的理论意义和应用价值。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，采用有限元分析理论和数值模拟相结合的研究方法，基于硫化矿石白燃过程数学模型，对硫化矿石白燃内火源进行定位，分析不同条件下矿堆内火源的定位情况，并建立硫化矿石堆内火源定位监测预报模型。本论文的主要内容和结论如下 1 介绍硫化矿石自燃内火源探测技术的研究现状以及具体应用。简述红外探测法应用于硫化矿石白燃内火源定位中的不足，总结有限元数值分析法在热传导寻源反问题方面的发展以及应用情况。 2 确定硫化矿石自燃内火源定位的数值模拟方案。通过推导硫化矿石白燃过程中矿堆内存在的漏风风流场、氧浓度场和温度场的数学模型，结合热传导反问题，运用有限元分析软件A N S Y S 来模拟实现硫化矿石堆白燃内火源的定位。 3 利用A N S Y S 有限元分析软件，建立硫化矿石自燃内火源反演的有限元模型。通过对已建立模型进行加载求解，得到硫化矿石堆内在某一时刻的温度场分布等值线图，以及矿石堆内各个节点的温度求解结果。根据温度分布情况坐标，确定最高温度所在位置，计算出高温内火源区域的近似面积。 4 调整矿石堆表面的温度分布情况、矿石堆孔隙率、生热率、导热系数参数，分析不同条件下矿堆内火源定位情况。各参数的影响情况如下矿石堆表面温度分布情况对硫化矿石堆内火源区域的定位有着很大的影响，表面温度测点布置不同，模拟分析结果也有较大的不同；在其他条件不变时，矿石堆内高温内火源区域面积随着孔隙率的增大而增大；矿石堆内高温内火源区域面积随着生热率的增加而增大；矿石堆内的高温内火源区域面积随着有效导热系数的增大而减I I 万方数据 小。 5 矿堆内火源定位监测预报体系的建立。将红外热成像测温技术和有限元分析技术结合起来，建立由模拟参数值测定、矿堆内火源定位模拟、防治措施制定三部分组成的火源定位体系，及时有效的将技术措施和管理措施结合起来防治矿堆白燃火灾。图4 7 幅，表9个，参考文献7 3 篇关键词硫化矿石；自燃；有限元法；温度分布；内火源定位；A N S Y S分类号T D 7I I I 万方数据 S t u d yo fF i r eS o u r c eL o c a t i o nM e t h o do fS p o n t a n e o u sC o m b u s t i o no fS u l f i d eO r e sB a s e do nS u r f a c eT e m p e r a t u r eD e t e c t i o nA b s t r a c t S p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fs u l f i d eo r e si so n eo ft h em a j o rh a z a r d si ns a f em i n i n go fs u l f u r o u so r ed e p o s i t s ，a n da f f e c t i n gt h es a f e t yi nm i n i n gf o ral o n gt i m e ．S p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fs u l f i d eo r e si sac o m p l e xp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s si n c l u d i n gt h eo x i d a t i o no fs u l f i d eo r e sg i v i n go u th e a t ，s t o r i n gh e a tc a u s et h et e m p e r a t u r er i s e ．T h ef i r es o u r c eo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni se l u s i v e ．S ot h a tr e s e a r c ho nt h ei n n e rf i r es o u r c el o c a t i o no fs u l f i d eo r es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nh a v es i g n i f i c a n ta n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ea n da p p l i e dv a l u ef o rU St ou n d e r s t a n dt h es e l f - i g n i t i n gp r o c e s s ，e s t i m a t et h ep r e s e n ts i t u a t i o no fo r ep i l e s ，d e d u c et h ef i r er e s o u r c e sp o s i t i o na n dc a r r yo u tt h ep r e v e n t i o na c t i o n ．O nt h eb a s i so fr e f e r r i n gt h er e l e v a n tl i t e r a t u r e sa n dt h ef o r m e rr e s e a r c hr e s u l t so v e rt h ew o r l d ，t h er e s e a r c hm e t h o d sc o m b i n i n gt h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l o c a t i n gt h ei n n e rf i r es o u r c eo fs u l f i d eo r es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nb a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l s ．T h ei n n e rf i r er e s o u r c e sp o s i t i o no fo r ep i l eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h em o n i t o r i n ga n dp r e d i c t i o nm o d e lo fi n n e rf i r es o u r c el o c a t i o no fs u l f i d eo r ep i l ew e r es e tu p ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 T h ec u r r e n ts i t u a t i o na n ds p e c i f i ca p p l i c a t i o no fi n n e rf i r es o u r c eo fs u l f i d eo r es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o np r e d i c t i o nw a si n t r o d u c e d ．T h ed e f i c i e n c yo fi n f r a r e dd e t e c t i o nm e t h o di sa p p l i e dt ol o c a t et h ei n n e rf i r es o u r c eo fs u l f i d eo r es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nw e r ed e s c r i b e d ．S u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o di sa p p l i e dt os o l v ei n v e r s ep r o b l e mo fh e a tc o n d u c t i o nf o rt h es o u r c e ． 2 T h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rd e s c r i b i n gt h ed y n a m i cp r o c e s so fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fs u l f i d em i n e r a l sw e r ed e d u c e d ，i n c l u d i n gw i n df l o wf i e l da n do x y g e nc o n c e n t r a t i o nf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d ．C o m b i n e dw i t ht h ei n v e r s ep r o b l e mo fh e a tc o n d u c t i o n ，t h en u m e r i c a lI V 万方数据 s i m u l a t i o np r o g r a mo ft h ei n n e rf i r es o u r c el o c a t i o no fs u l f i d eo r ew a sd e t e r m i n e d ．T h ei n n e rf i r es o u r c el o c a t i o no fs u l f i d eo r es i m u l a t i o nw a se s t a b l i s h e db yt h eA N S Y Sf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i ss y s t e m ． 3 T h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs p o n t a n e o u si n n e rf i r es o u r c eo fs u l f i d eo r ei ni n v e r s i o nw a ss e tu pb Vu s i n gt h eA N S Y Sf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i ss y s t e m ．C o n t o u rm a po ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fe a c hS u l f i d eo r ep o i n ta tac e r t a i nt i m e ，a n dt h et e m p e r a t u r eo fe a c hn o d es o l u t i o nd a t aw e r eo b t a i n e db yl o a d i n ga n ds o l v i n gt h em o d e l ．T h el o c a t i o no ft h em a x i m u mt e m p e r a t u r ea n dt h ea p p r o x i m a t ea r e ao fh i g ht e m p e r a t u r ef i r ea r e aw e r eo b t a i n e db yt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc o o r d i n a t e s ． 4 、 I n n e rf i r es o u r c el o c a t i o no fs u l f i d eo r ep i l eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r ea n a l y z e dt h r o u g ha l t e r i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h es u r f a c eo ft h eo r ep i l e ，p o r o s i t y , h e a tg e n e r a t i o nr a t ea n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fo r es a m p l e ．T h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ns i t u a t i o no nt h es u r f a c eo ft h eo r ep i l eh a sag r e a ti n f l u e n c eo ni n n e rf i r es o u r c el o c a t i o no fs u l f i d eo r ep i l e ．I ft h ea r r a n g e m e n to fm e a s u r i n gp o i n t si ns u r f a c et e m p e r a t u r ei Sd i f f e r e n t ．t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eq u i t ed i f f e r e n t ．W h e no t h e rc o n d i t i o n sr e m a i nu n c h a n g e d ，t h ea r e ao fh i g ht e m p e r a t u r ef i r ea r e ao ft h eo r ep i l ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp o r o s i t y , t h ea r e ao fh i g ht e m p e r a t u r ef i r ea r e ao ft h eo r ep i l ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fh e a tg e n e r a t i o nr a t e ，t h ea r e ao fh i g ht e m p e r a t u r ef i r ea r e ao ft h eo r ep i l ed e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t y ． 5 C o m b i n e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g ya n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n i q u eb a s e do nt h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g i n g ，t h em o n i t o r i n ga n dp r e d i c t i o nm o d e lo fi n n e rf i r es o u r c e1 0 c a t i o no fs u l f i d eo r ep i l ew e r ee s t a b l i s h e d ．T h em o d e li n c l u d e st h em e a s u r e m e n to fp a r a m e t e rv a l u e s ，t h es i m u l a t i o no ft h ei n n e rf i r es o u r c el o c a t i o no fo r e ．p r e v e n t i o na n dc o n t r o lm e a s u r e s ．C o m b i n et h et e c h n i c a lm e a s u r e sa n dm a n a g e m e n tm e a s u r e st op r e v e n ta n dc o n t r o lt h es u l f i d eo r es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nf i r et i m e l ya n de f f e c t i v e l y ．K e y w o r d s s u l f i d eo r e s ；s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ；l o c a t i o no fi n n e rf i r es o u r c e ；A N S Y SC l a s s i f i c a t i o n T D 7V 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1课题研究的目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 硫化矿石自燃机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 硫化矿石自燃的数学模型及数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 硫化矿石堆内火源的定位和温度场反演方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．4 有限元分析的发展现状和发展方向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．5 A N S Y S 有限元分析软件的应用情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．3 对国内外研究现状的评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 课题主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 硫化矿石堆自燃过程及其火源位置的反演模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．1 硫化矿石堆自燃过程数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 2 ．1 ．1 硫化矿石堆内漏风风流场数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 2 ．1 ．2 硫化矿石堆内氧浓度场数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．1 ．3 硫化矿石堆内温度场数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．2 硫化矿石堆自燃内火源位置的反演⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 2 ．2 ．1 红外热像探测的热传导反问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．2 ．2 硫化矿石堆内热源的导热微分方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 硫化矿石堆白燃内火源定位模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 矿堆内火源定位数值模拟软件的选择与方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．1 ．1 有限单元法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21 3 ．1 ．2A N S Y S 有限元分析软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 ．3 矿堆内火源定位数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 硫化矿石堆白燃内火源定位模拟的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 ．1 硫化矿石堆物理模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 V I 万方数据 3 ．2 ．2 模型的相关假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．3 矿堆内火源温度场分布的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 不同条件下矿堆内火源定位的模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1不同表面温度分布情况时的矿堆内火源定位模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．2 不同孔隙率时的矿堆内火源定位模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．3 不同生热率时的矿堆内火源定位模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．4 不同导热系数时的矿堆内火源定位模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5矿堆内火源定位检测预报体系的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．1 模拟参数值的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．1 ．1 表面温度测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．1 ．2 孔隙率、生热率、导热系数的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．2 矿堆内火源定位体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．3 防治措施的制定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．3 ．1 技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 5 5 ．3 ．2 管理措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 ．1 本论文的主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 6 ．2 论文的主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．3 有待进一步研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 V I I 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论1 绪论1 ．1 课题研究的目的及意义硫化矿石发生自燃是金属硫化矿床开采中时常遇到的重大灾害之一。随着矿产需求量的增加，矿石的开采范围和开采量也持续增加，勘探开采出来的含硫矿石种类和数量也越来越多。硫化矿石指的是含硫的金属或者非金属矿物，或者由硫元素与某些其他的元素以化合物的形式存在的矿物集合体。硫元素本身的化学活性是极强的，具有多变的化合价，它与其他元素结合时形成的化合物结晶的结构、形态都是复杂多变的。在金属硫化矿床开采过程中，硫化矿石与气体介质相接触发生的化学反应，大多为氧化放热反应；反应放出的热量不能及时的散发，就使得矿石堆产生的热量高于周围环境散发的热量，整个矿石堆温度的不断升高又加剧了放热反应的进行，相互作用后，最终达到自燃点，导致硫化矿石发生自燃。【1 ，2 】一旦硫化矿石自燃火灾事故发生，不仅仅矿山的正常生产会受到影响，同时也会引发一系列的安全与环境问题，造成较大的经济损失。硫化矿石发生自燃，一定范围内的矿石资源浪费的同时，已经拟定的开采方案和工艺流程不得不变更，严重的甚至导致矿山的长期停产。硫化矿石在氧化白燃过程中产生的二氧化硫等有毒有害气体，也恶化了作业环境，威胁到矿山操作人员的健康和安全。自燃过程中放出的热量使得作业环境温度升高，也会导致矿石氧化作用后产生粉末化现象，粉尘浓度增加，严重时将会造成粉尘和可燃性气体爆炸。矿石氧化还会使原有的物理化学性质发生变化，从而降低矿石的品质，增加了选矿的成本和难度。【3 ，4 】由此可见，硫化矿石自燃产生的危害是多方面而且巨大的。因此，研究硫化矿石的自燃问题显得尤为重要。硫化矿石的自燃过程有两个关键点一个是热量的自发产生，即硫化矿本身产生热量；二是热量的逐渐积聚。在这两个关键因素的作用下，硫化矿石堆温度持续升高，最终达到自燃点，导致自燃发生。热量积聚以及热量散发的优劣情况是可以通过温度来表征的，矿堆内部温度升高，随着热量传递反映到矿堆表面。硫化矿石发生白燃的过程中，矿堆内部的条件参数等都会发生变化，造成内部高温区域的位置和温度、漏风风流强度、氧浓度随时问发生动态变化，从而使得表面温度分布情况发生变化。随着温度检测技术的发展，红外测温技术作为一种间接的测温技术被运用到硫化矿石堆温度的测定中，来预测预报金属矿山硫化矿石的自燃灾害。作为一种 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论非接触式测量表面温度的技术，红外测温避免了作业人员与有毒有害物质以及高温危害的直接接触，并且可以快速确定硫化矿石堆的表面温度。【5 】本文的研究是在获得硫化矿石堆的表面温度分布情况后，结合硫化矿石堆自燃过程中的数学模型以及矿石自燃火源位置反演的热传导反问题理论，建立硫化矿石堆的物理模型，并运用有限元数值分析软件模拟矿堆内部温度分布情况，预测矿堆内部可能的高温火源区域，为判断硫化矿石堆的自然发火情况提供依据。1 ．2 国内外研究现状1 ．2 ．1 硫化矿石自燃机理硫化矿石的自燃过程实际上是矿石本身氧化放热、向周围环境散热一起作用的结果，是一个复杂的非稳态非线性的物理化学动力学反应过程。目前研究硫化矿石自燃的机理主要有四种【6 ’7 】物理吸附氧机理、化学热力学机理、电化学机理和生物作用机理。 1 物理吸附氧机理这一观点主要从宏观上描述了硫化矿石氧化自燃过程的五个阶段硫化矿石的破碎、氧化、聚热、升温、着火。并针对矿石的块度、空隙率、水的渗透性等对硫化矿石氧化过程和氧化速率的影响进行了分析。[ 8 1 2 化学热力学机理该机理认为，当硫化矿石自燃时，由于发生氧化反应，其内部的热量释放了出来。化学热力学机理的研究主要是基于硫化矿石氧化过程中的化学反应方程式以及化学反应热效应。研究了硫化矿石氧化白燃反应过程中，水、氧以及铁离子等对其的影响关系。并分析了矿物成分、温度、湿度等外界条件对硫化矿石氧化自燃的影响[ 9 , 1 0 】 3 电化学机理1 9 7 8 年，美国学者N i n t e m a n ．D ．J 首先提出了硫化矿石自燃的电化学机理，起先只是对这一机理的定性研究，后来众多学者又对其进行了进一步的深入研究。【1 j 硫化矿石具备了发生电化学过程的三个最基本的条件一是电极，二是电解质，三是导通电极的电子通道。作为典型的电化学反应过程，硫化矿石的氧化是持续不断加速进行的。在某种程度上，硫化矿石氧化的电化学机理与金属的酸性腐蚀是相似的，但研究对象是不同的。硫化矿石的电化学反应过程可以看作是供氧差异腐蚀、含氧酸性溶液腐蚀、不同矿物的接触腐蚀、硫化矿物的晶间腐蚀、硫化矿石缝隙腐蚀等多种腐蚀过程的综合作用。[ 7 , 1 1 1 4 生物作用机理作为一种接触氧化机理，硫化矿石的生物氧化机理指的是在生物氧化系统2 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论中，细菌首先附着在含硫矿石的表面，然后将其分泌出的外细胞聚合物E P S 作为载体，E P S 中的F e ”与硫化矿石发生化学反应，产物主要为F e 2 和含有S 2 0 3 2 一离子的化合物，再通过自养反应后，T ．f 菌和T ．t 菌会将二价的铁离子氧化成三价的铁离子，T ．f 菌和T ．t 菌再进一步将含有S 2 0 3 2 一的化合物分解形成的硫氧化为硫酸盐。【7 】1 ．2 ．2 硫化矿石自燃的数学模型及数值模拟硫化矿石的数学模型是根据硫化矿石氧化自燃的特性和一些基本因素建立起来的数学关系模型，不仅考虑矿石本身的物理化学以及动力学性质，还考虑环境条件等影响因素。描述硫化矿石自燃预测预报的数学模型主要包括矿石堆内漏风风流场数学模型、矿石堆的导热方程、氧浓度场数学模型以及矿石堆安全期预测数学模型。李济吾，宋学义【1 2 J 建立了基于电化学理论的矿石氧化自燃数学模型；吴超，孟廷让【l3 J 建立了基于最大允许崩矿量和安全出矿周期的硫化矿石爆堆白燃早期预测的数学模型；刘辉等人【1 4 J 研究了硫化矿石自燃火源反演的数学模型，即热传导的反向推导模型。文献[ 1 5 ] 通过设计硫化矿石自热率测定装置对硫化矿石自热过程中的温度场分布情况进行了数值模拟；文献[ 1 6 】对不同堆积型式的硫化矿石堆温度场分布情况进行了数值模拟。1 ．2 ．3 硫化矿石堆内火源的定位和温度场反演方法硫化矿石自燃火源有较强的隐蔽性，当硫化矿石堆处于自热阶段时，矿石堆表面温度和周围的环境温度变化并不明显，也基本没有二氧化硫气体释放出来，而当工作人员感觉到矿石堆表面有灼热感，有冒烟时，矿石堆已经有自燃现象发生了，因此，能够准确测定到矿堆内部的温度分布情况才能有效的防治硫化矿石自燃。根据火源定位原理，主要是通过自燃释放出的特征气体、温度场异常变化、电化学性质改变、磁场变化来确定火源位置，即通过收集自燃内火源在产生、发展的过程中，引起自燃媒介 比如硫化矿石与煤 和它周围围岩、环境的性质发生变化的信息，经过分析研究来确定火源所在的位置。【1 4 】目前用来探测火源位置的方法主要有磁探法、电阻率探测法、红外检测法、气体 氡气 检测法、地质雷达探测法、温度检测法等。[ 1 7 - 1 9 ] 但是，除了红外探测法以外，其他的方法不直接用于火区内火源的探测。而红外探测法由于本身特性受到限制等因素，测取到的大多只是硫化矿石的表面温度，很难通过获取的测定数据来反演硫化矿石自燃的程度和发火的位置。目前还没有能够准确直接的定位火源位置的方法，通常情况下，当操作人员3 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 在某一区域发现有自燃的征兆时，一般是通过采用对疑似火区区域打钻孔，进而 采用大包围、逐步靠近的试探式方法来定位火源的，然后对找到的火区高温点进 行注浆，以实现直接灭火。但由于自燃火源隐蔽性较强，在生产现场经常面对的 结果是由于在自燃发火的初始阶段没有找到火源的准确位置，错失了灭火的有 利时机，使得火势不断蔓延扩大，致使治理、扑灭火源面临着重重困难，并花费 了较大的人力和物力成本[ 2 0 , 2 1 】。由此可知，准确、快速地确定隐蔽火源的火区具 体位置和火势范围，对预测、预防和控制硫化矿石的自燃具有十分重要的意义。 在两个问题中，如果一个问题的描述或解决关系到，或者是包含了相关的另 一个问题的所有的或者是部分的知识，就认为其中一个是正问题，另一个是它的 反问题。根据求解目标的不同，热传导问题主要有两类正向热传导问题和逆向 热传导问题【2 2 1 。硫化矿石的自燃过程属于正向热传导问题；而硫化矿石自燃内 火源的定位是根据已知的矿石堆表面的温度分布情况，分析计算矿堆内热源的坐 标位置与区域面积，是热传导反问题的求解。 通过几十年的研究，在热传导逆向寻源求解反问题方面，已经建立的数值解 算方法主要有连续正则化方法[ 2 3 1 、脉冲谱方法 广义的、狭义的 、离散正则 化方法、量子散射反演法、有限差分法、有限元反演法等等。随着电子计算机技 术的发展，有限差分法和有限元法被广泛的应用于工程领域问题的反演中。所谓 有限差分法，是一个从无限微分_ 有限差分，微分方程一差分代数方程，数学理 论推导一数值分析计算的过程。当运用于热传导时，有限差分法被称为温度场的 离散化，就是从连续分布的温度函数值_ 离散的、有限的温度数值的过程。有限 元反演法，就是将纳入考虑的区域切割成有限大小的小区域 单元 ，这些小区 域块只是在有限个节点上相互连接，然后根据变分原理，用变分方程取代微分方 程，用求解与节点未知量相关的代数方程组的问题来代替求解