孫魁明SUN Kui-ming；汪令輝WANG Ling-hui

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦，銅陵 244031）

（Tongling Nonferrous Metals Group Holding Co.，Ltd.Dongguashan Copper Mine，Tongling 244031，China）

0 引言

由于全球礦產(chǎn)資源的越來越貧乏，礦山向深部開采是必然的趨勢，高硫礦山硫化礦自燃事故的發(fā)生隨著井下深部開采溫度的升高必將增加。為了便于高硫礦井礦床防滅火等級的劃分及開采設(shè)計(jì)、正確選擇采礦方法和采礦工藝、防滅火和通風(fēng)系統(tǒng)，需要對硫化礦石自燃傾向性進(jìn)行較為準(zhǔn)確的判斷。為此，需要提出合理的硫化礦石自燃傾向性的評價(jià)指標(biāo)和判定方法[1]。接觸到空氣的硫化礦石，在氧化作用下會釋放熱量，這些熱量一旦大于硫化礦石向四周的傳熱量，硫化礦石自身溫度也會增高；在一定的條件下，因局部熱量積聚，硫化礦石不斷升溫甚至達(dá)到其燃點(diǎn)，便可導(dǎo)致內(nèi)因火災(zāi)[2]?；馂?zāi)既可影響工人健康，也會浪費(fèi)礦物資源，尤其是惡化井下的環(huán)境，導(dǎo)致采礦作業(yè)無法正常進(jìn)行。我國高達(dá)20%-30%的硫鐵礦以及5%-10%的有色金屬或多金屬硫化礦具有內(nèi)因火災(zāi)危害[3]。我國在煤礦自燃傾向性評價(jià)技術(shù)方面，盡管還存在較大異議，但已取得了很大進(jìn)展，現(xiàn)行《煤礦安全規(guī)程》（2006年）第二百二十八條就煤炭自燃傾向性分類作了詳細(xì)規(guī)定。因此，如何規(guī)范國內(nèi)硫化礦石自燃傾向性的評價(jià)技術(shù)一樣具有重要的意義。

1 硫化礦石自燃傾向性判定技術(shù)現(xiàn)狀及評價(jià)

硫化礦石的自燃傾向性是由硫化礦石的內(nèi)在特性特別是其氧化性決定的，反映了硫化礦石發(fā)生自燃的難易程度。因硫化礦石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同礦體、不同礦層、不同礦井的硫化礦巖的自燃傾向性相差較大。目前，判定硫化礦石自燃傾向性多是利用礦石的某些氧化性指標(biāo)，所測定的內(nèi)容如：礦石的含硫量及其它有關(guān)成分含量、水溶性鐵離子含量、各種礦物成分、礦石起始自熱幅度、自熱溫度、礦石吸氧速度、礦石著火點(diǎn)等。20 世紀(jì)30年代到現(xiàn)在，各種判定硫化礦石自燃傾向大小的方法在不同時(shí)期和不同國家被提出。考慮到硫化礦石自燃與煤自燃過程之間的聯(lián)系或某些相似性，借鑒煤自燃傾向性研究的一些重要經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)展是可行的，表1 列舉了兩者在不同的研究單位中所采用的自燃傾向性測定方法。

表1 不同研究單位關(guān)于煤自燃傾向性與硫化礦石自燃傾向性測定方法比較

另外，根據(jù)加拿大學(xué)者B.H.Good 提出的計(jì)算硫的臨界值數(shù)學(xué)模型，提出了如下綜合評判數(shù)學(xué)模型：

其中，K-分別為各自影響因素的相應(yīng)系數(shù)i=1，2…9；ST-硫化礦巖自燃傾向性大小的綜合指標(biāo)。

ST 值量化了判定硫化礦石具有氧化自燃傾向性大小的指標(biāo)，用其代替以前單因素判據(jù)更具可靠性。

20 世紀(jì)80年代初，原中南工業(yè)大學(xué)提出了用于鑒定礦巖的自燃傾向性大小的綜合因素分析法，即同時(shí)測定幾個(gè)不同指標(biāo)，然后綜合分析，取得較好效果。運(yùn)用多因素綜合指標(biāo)分析法并得到較好的效果，研究過程如圖1。然而，上述這些初步的理論和方法在實(shí)際應(yīng)用中由于研究者的實(shí)驗(yàn)設(shè)備差異較大，所得結(jié)果通常很難具有可比性；并且國內(nèi)外研究者都往往是針對某一個(gè)具體礦山的硫化礦石，并沒有揭示一般性的規(guī)律并發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)，因此限制了所獲成果的推廣應(yīng)用[15]?？傮w看來，硫化礦石的自燃傾向性程度的通用、合理的方法是缺少的，而且，硫化礦石自燃的絕對傾向性也未見報(bào)道，尚未見到對自燃傾向性進(jìn)行分類的方法。

圖1 硫化礦石自燃傾向性的綜合因素判定流程

2 綜合判定指數(shù)合成方法的選擇及確定

參照相關(guān)文獻(xiàn)對FeS 進(jìn)行了絕熱氧化實(shí)驗(yàn)，如圖2 所示，發(fā)現(xiàn)硫化礦石自燃過程中溫度變化是一個(gè)非線性的動(dòng)態(tài)變化過程，自燃過程可以分成以下三個(gè)階段：①誘導(dǎo)氧化期。硫化礦石在剛剛接觸到濕空氣時(shí)，因其對氧的物理吸附作用，會產(chǎn)生部分熱量，又因?yàn)橐恍崃繒虻V石中所含水的蒸發(fā)而被帶走，礦石的溫度會基本保持不變，難以和氧氣發(fā)生反應(yīng)。這是一個(gè)積蓄能量，激發(fā)活性的過程；該階段經(jīng)歷的時(shí)間較長，這一過程的具體反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。②自熱期。硫化礦石會進(jìn)入化學(xué)吸附氧作用階段在進(jìn)行物理吸附氧后，這個(gè)過程會不斷增加反應(yīng)物能量，逐步激活FeS2（FeS）分子，F(xiàn)eS2分子的活性隨之增加了；在FeS2分子的活性到達(dá)某一程度后，硫化礦石自熱點(diǎn)溫度T1 低于硫化礦石本身的溫度時(shí)，加快了氧氣與被活化的硫化礦石反應(yīng)速度，很多的熱量被產(chǎn)生；在特定的外部條件下礦石的溫度會隨著熱量不斷積聚越來越高，礦石的氧化作用、吸氧能力會自動(dòng)加快，礦石溫度不斷上升。③燃燒期。自熱期使得硫化礦石反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不斷積聚，溫度快速上升，直到達(dá)到其著火點(diǎn)溫度T2，此時(shí)反應(yīng)進(jìn)行最快，導(dǎo)致礦石溫度上升的速度急劇加大，并產(chǎn)生大量SO2（冒煙）。

圖2 硫化礦石自燃過程的階段劃分

判定硫化礦石自燃傾向性程度時(shí)建議遵循以下原則：①硫化礦石的自燃傾向性指標(biāo)應(yīng)該能夠體現(xiàn)其氧化反應(yīng)能力；②硫化礦石自燃包含極復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，自燃傾向性判定指標(biāo)應(yīng)考慮這些過程依賴性；③硫化礦石自燃過程的關(guān)鍵是其低溫氧化階段，即60℃以下的反應(yīng)階段，其自燃傾向性指標(biāo)要能夠體現(xiàn)出低溫階段的氧化反應(yīng)能力。在進(jìn)行硫化礦石的自燃傾向性判定中，為了避免單一指標(biāo)法的不足，應(yīng)采用多指標(biāo)合成法或多指標(biāo)組合法來判定。多指標(biāo)合成法與多指標(biāo)組合法既相互區(qū)別又相互聯(lián)系。多指標(biāo)組合法雖然包含多個(gè)不同的指標(biāo)用以反映自燃傾向性的不同側(cè)面，但并不把這些指標(biāo)綜合成一個(gè)單一指標(biāo)，而多指標(biāo)合成法則在多指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過理論分析和數(shù)據(jù)處理，從中提取或者綜合處理一個(gè)單一指標(biāo)用以反映硫化礦石自燃傾向性的整體差異，在使用上可能也更加方便。常用于多個(gè)指標(biāo)合成的方法見表2；應(yīng)該根據(jù)具體情況選用合適的合成方法，從指標(biāo)評價(jià)值之間的數(shù)據(jù)差異大小和評價(jià)指標(biāo)重要程度的差別大小兩個(gè)角度加以確定。要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鑒定硫化礦石自燃傾向性的目的，需要建立合理的判定指標(biāo)體系，過多或者過少的指標(biāo)要么導(dǎo)致評價(jià)困難、評價(jià)成本增加，要么難以反映礦石自燃規(guī)律而不具有應(yīng)用價(jià)值?？紤]到硫化礦石的自燃傾向性是其內(nèi)在特性表現(xiàn)之一，在對硫化礦石自燃傾向性進(jìn)行鑒定所進(jìn)行的自燃過程模擬時(shí)需要盡可能消除外在因素的影響，相關(guān)文獻(xiàn)基于此理論對硫化亞鐵進(jìn)行了絕熱氧化實(shí)驗(yàn)，得出其氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù)，用以判定硫化亞鐵的自燃傾向性，由于該方法實(shí)驗(yàn)周期過長，而且實(shí)驗(yàn)效果不夠明顯，故不適合推廣。根據(jù)前人對硫化礦石自燃過程的特點(diǎn)及其自燃傾向性指標(biāo)相關(guān)性研究結(jié)論，低溫下礦石的吸氧率與增重率有很好的相關(guān)性，而且能很好地反映硫化礦石的低溫氧化特性。因此，選取增重率、自熱點(diǎn)、自燃點(diǎn)三個(gè)最具代表性的指標(biāo)用來判斷硫化礦石的自燃傾向性。其中，自燃點(diǎn)、自熱點(diǎn)能反映礦石從氧化放熱發(fā)展到自熱、自燃的難易程度；增重率反映礦石的低溫氧化特性。所以，實(shí)現(xiàn)硫化礦石氧化增重、自熱點(diǎn)、自燃點(diǎn)三個(gè)參數(shù)的有機(jī)合成，對于正確判定硫化礦石自燃傾向性有著十分重要的意義。

表2 多指標(biāo)合成方法的比較

為了權(quán)衡氧化增重、自熱點(diǎn)及自燃點(diǎn)三個(gè)指標(biāo)對硫化礦石自燃過程的影響程度，需引用權(quán)數(shù)對其進(jìn)行區(qū)分。權(quán)數(shù)是指各個(gè)指標(biāo)對總判定的作用效果，確定指標(biāo)權(quán)數(shù)的方法通常包括客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法，客觀賦權(quán)法是指借助礦樣的數(shù)據(jù)所隱涵的信息，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析所得出指標(biāo)權(quán)數(shù)，如主分量分析法、灰色決策法等；主觀賦權(quán)法是指一種專家系統(tǒng)法，依靠各位判定專家的知識和主管經(jīng)驗(yàn)，如層次分析法、模糊聚類法、專家打分法、評價(jià)區(qū)間統(tǒng)計(jì)法等。將選取的指標(biāo)參數(shù)按照其重要程度分別乘以相應(yīng)權(quán)數(shù)再進(jìn)行平均值處理，這樣有利于更好更全面反映礦石的自燃特性。硫化礦石低溫氧化階段對自燃過程的發(fā)展尤為重要，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論及經(jīng)驗(yàn)，取氧化增重指標(biāo)的權(quán)數(shù)為0.5，由于某些礦石在不發(fā)生自熱的情況下很難自燃，故取自熱點(diǎn)的權(quán)數(shù)為0.3，而自燃點(diǎn)的權(quán)數(shù)為0.2。

線性加權(quán)綜合法適用于相互獨(dú)立的各個(gè)評價(jià)指標(biāo)，各評價(jià)指標(biāo)對綜合評價(jià)水平幾乎無影響，可使各評價(jià)指標(biāo)之間獲得線性補(bǔ)償，計(jì)算簡便，便于推廣；而且加法合成法能較好地體現(xiàn)各評價(jià)指標(biāo)間的權(quán)重關(guān)系，并且要求各評價(jià)指標(biāo)相互獨(dú)立，因此采用加法合成法對氧化增重、自熱點(diǎn)及自燃點(diǎn)三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行合成。

3 判定指數(shù)的計(jì)算

加法合成法要求對礦樣的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理，為了能反映各指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系，應(yīng)保證處理后的無量綱數(shù)整體平衡。極值處理法、標(biāo)準(zhǔn)化處理法及功效系數(shù)法滿足的性質(zhì)最多，因而相對于其他方法也更優(yōu)良，故選用極值處理法對硫化礦石的三個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理，如式（1）。

其中，xij為各指標(biāo)值；xmin為各指標(biāo)的最小值。

通過對大量測試礦樣的統(tǒng)計(jì)分析，取x自熱點(diǎn)=60℃；

由于納入評價(jià)指標(biāo)體系的每一個(gè)指標(biāo)與評價(jià)目標(biāo)之間都應(yīng)呈高度相關(guān)性，而綜合評價(jià)指標(biāo)體系中的每一個(gè)指標(biāo)又有正形式、逆形式與適度形式的歸屬，必須將指標(biāo)同趨勢化。硫化礦石的氧化增重率為正形式，而自熱點(diǎn)及自燃點(diǎn)為逆形式，故需將氧化增重指標(biāo)從正形式變換成逆形式，即轉(zhuǎn)向式逆變換。其有“差式”與“商式”兩種，商式逆變換是通過正逆指標(biāo)的互反關(guān)系而確立的一種逆變換方式，即

其中，C 為正常數(shù)，通常取C=1，則有式（3）

商式逆變換是實(shí)踐中最常用的一種逆變化方式，只要變化前的指標(biāo)不為零值就可實(shí)施，故用該方法進(jìn)行氧化增重的正形式變換[26]。

在對三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化及對氧化增重率進(jìn)行轉(zhuǎn)向式逆變換后，硫化礦石自燃傾向性綜合判定可采用加法合成模型。設(shè)有n 個(gè)評價(jià)單元，每個(gè)單元有m 個(gè)評價(jià)指標(biāo)，wj為第j 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，xij表示第i 個(gè)單元的第j 個(gè)指標(biāo)的單項(xiàng)評價(jià)值；則第i 個(gè)單元的指標(biāo)評價(jià)值I 可表示為式（4）：

由此，硫化礦石自燃傾向性的綜合判定指數(shù)計(jì)算式見式（5）：

其中，I1為氧化增重率；I2為礦石的自熱點(diǎn)；I3為礦石的自燃點(diǎn)；W1為氧化增重的權(quán)數(shù)，W1=0.5；W2為自熱點(diǎn)的權(quán)數(shù)，W2=0.3；W3為自燃點(diǎn)的權(quán)數(shù)，W3=0.2。按照上述方法，可得出不同礦樣的綜合指數(shù)，進(jìn)而建立硫化礦石自燃傾向性鑒定分類標(biāo)準(zhǔn)，分別見表3、表4，而各指標(biāo)的測定條件及規(guī)范見表5。

表3 某硫鐵礦礦樣自燃傾向性測定結(jié)果

表4 硫化礦石自燃傾向性分類鑒定標(biāo)準(zhǔn)

表5 各參數(shù)的測試條件參考規(guī)范

4 結(jié)論與展望

進(jìn)行硫化礦石自燃傾向性評價(jià)及分類對指導(dǎo)高硫礦山防滅火工作、降低國家資源損失、確保礦井安全生產(chǎn)等具有重要意義。至今國內(nèi)外學(xué)者研究硫化礦石自燃傾向性判定還比較少，到目前統(tǒng)一的硫化礦石自燃傾向性分類標(biāo)準(zhǔn)還沒有，這與金屬礦山安全、高效開采的發(fā)展前景是不符的。文章根據(jù)硫化礦石自燃過程特征，指出了我國現(xiàn)行硫化礦石自燃傾向性鑒定不足之處并提出了對其自燃傾向性指標(biāo)進(jìn)行選擇的基本要求。①由低溫氧化、自熱、快速燃燒三個(gè)階段構(gòu)成了硫化礦石的自燃過程，硫化礦石自燃傾向性判定應(yīng)以其自燃全過程為研究對象。②在綜合分析指標(biāo)合成方法的基礎(chǔ)上，確定了硫化礦石的氧化增重、自熱點(diǎn)及自燃點(diǎn)各指標(biāo)的權(quán)重，采用加法合成法對三者進(jìn)行了合成，得到硫化礦石自燃傾向性的綜合判定指數(shù)。③提出了以硫化礦石自燃傾向性的綜合判定指數(shù)為劃分依據(jù)的硫化礦石自燃傾向性的分類標(biāo)準(zhǔn)，用該方法對現(xiàn)場礦山進(jìn)行評價(jià)，將評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相比較，通過現(xiàn)場反饋進(jìn)一步修正和完善硫化礦石自燃傾向性的分類標(biāo)準(zhǔn)；從而將此標(biāo)準(zhǔn)在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

[1]吳超,陽富強(qiáng),郄軍芳.硫化礦石動(dòng)態(tài)自熱率測定裝置及其數(shù)值模擬[J].科技導(dǎo)報(bào),2009,27(1):74-79.

[2]《采礦手冊》編輯委員會編.采礦手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991:278-291.

[3]葉紅衛(wèi),王志國.高硫礦床開采的特殊災(zāi)害及其發(fā)生機(jī)理[J].有色礦冶,1995(4):38-41.