江攀和 陳 磊 張明思 唐 廣 魏澤權(quán) 梁勁松

(貴州省地礦局一0 二地質(zhì)大隊(duì),貴州 遵義 563000)

鎳鉬礦屬黑色巖系多金屬共生礦,成分較復(fù)雜,含有多種金屬及非金屬元素[1-3],主要分布在貴州遵義、湘西北、江西都昌、云南和浙江富陽(yáng)等地。鉬鎳礦礦層主要產(chǎn)于寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組底部黑色炭質(zhì)泥頁(yè)巖中,具有明顯的硫化金屬礦特征,礦體及附近常發(fā)育伴生黃鐵礦,這種礦藏由于有機(jī)碳含量高而被稱為“石煤”[4-10]。

鉬鎳礦開(kāi)采方式主要為井下開(kāi)采,由于礦層薄,采掘比大,導(dǎo)致開(kāi)采過(guò)程中鉬鎳礦礦渣較多,礦渣的發(fā)熱量有4 606.58 kJ,是標(biāo)煤發(fā)熱量的15.73%,熱值較高;以往不規(guī)范的開(kāi)采,導(dǎo)致大量的鉬鎳礦礦渣露天堆積于斜坡或沖溝中,受到風(fēng)吹雨淋,含有黃鐵礦的鉬鎳礦礦渣極易發(fā)生氧化放熱反應(yīng),使礦渣內(nèi)部溫度升高最終導(dǎo)致礦渣自燃,自燃的鉬鎳礦礦渣將會(huì)釋放大量H2S、SO2、CO 等有毒氣體,威脅礦渣堆周邊民眾的生命健康安全[11-12]。

杜永吉等[13]以280 煤矸石山為例,研究得出自燃煤矸石山溫度水平分布無(wú)規(guī)律性,垂直方向由表及里先升高后降低;陳兵等[14]基于一元二次函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的曲線擬合,建立了溫度擬合模型,揭示出自燃煤矸石山內(nèi)部溫度的變化趨勢(shì);杜玉璽等[15]基于一元三次函數(shù)曲線擬合,建立了煤矸石山深部溫度擬合最優(yōu)模型,實(shí)現(xiàn)了自燃煤矸石山的火源定位及溫度分布可視化;楊娜等[16]實(shí)測(cè)了煤矸石山不同深度的溫度,建立了淺深層溫度間的一元二次擬合模型,發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)主要分布在靠近邊坡的一側(cè),表面6.0 m 處自燃傾向性最高;楊娜[17]對(duì)蔭營(yíng)煤礦自燃煤矸石成分進(jìn)行了測(cè)試分析,煤矸石含有Si、Al、Fe、Ca、Mg、S等氧化物和C,主要成分是氧化鈣、二氧化硅以及氧化鐵。由于我國(guó)目前對(duì)鉬鎳礦礦渣內(nèi)部自燃溫度場(chǎng)的相關(guān)研究較少,經(jīng)采集研究區(qū)不同自燃狀態(tài)的礦渣樣化驗(yàn)分析,其礦物成分及元素含量與煤矸石主成分相近,同時(shí)含有提供自燃初期熱量的黃鐵礦。本文將借鑒煤矸石溫度場(chǎng)研究相關(guān)內(nèi)容,通過(guò)實(shí)測(cè)鉬鎳礦礦渣地表及內(nèi)部溫度,分析內(nèi)部溫度分布特征,基于最小二乘法建立豎向溫度擬合模型,劃定自燃趨勢(shì)性較大的區(qū)域及初步確定火源位置,為后續(xù)鉬鎳礦礦渣自燃的防治提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)背景

研究區(qū)位于遵義市匯川區(qū)某鉬鎳金屬礦礦渣堆北側(cè)礦渣區(qū)域,該礦渣堆2007 年開(kāi)始堆填,2011 年停止堆填,縱向長(zhǎng)約150 m,橫向?qū)捈s60 m,總面積為7 420 m2,其中平臺(tái)面積為3 597 m2,斜坡面積3 823 m2,斜坡平均坡度約26°。由于地形條件限制,鉬鎳礦礦渣自然堆放于沖溝中,平臺(tái)區(qū)輕度壓實(shí),斜坡區(qū)未經(jīng)壓實(shí),這種堆積方式使得斜坡區(qū)礦渣堆受氧面積增大,容易發(fā)生自燃。2010 年在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)鉬鎳礦礦渣存在自燃現(xiàn)象,礦渣堆表面出現(xiàn)臭雞蛋氣味的黑煙,2019 年底對(duì)該礦渣堆采取了覆蓋法及注漿法處理,自燃基本得到控制,目前斜坡區(qū)及靠近斜坡的平臺(tái)區(qū)域礦渣已完成自燃,但平臺(tái)區(qū)內(nèi)部礦渣溫度仍在升高,依然存在自燃的可能性。

2 現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)采集方法及結(jié)果

為真實(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量和預(yù)測(cè)鉬鎳礦礦渣內(nèi)部溫度,在礦渣平臺(tái)區(qū)、斜坡區(qū)及其交界處共布設(shè)了10 個(gè)鉆孔,鉆孔位置分布見(jiàn)圖1。溫度測(cè)量?jī)x器主要使用K型高溫?zé)犭娕?由鎧裝線連接溫度傳感器及就地溫度顯示儀,測(cè)量溫度范圍為-10～1 000 ℃。各孔深度有所不同,溫度測(cè)量間隔均為1 m,本次實(shí)驗(yàn)有ZK1 至ZK10 共10 個(gè)測(cè)溫點(diǎn),首先測(cè)量每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)表層溫度(0.1 m,礦渣表層平均覆土厚度約0.5 m),為保證孔內(nèi)溫度數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性,采用干鉆法機(jī)械成孔,每鉆進(jìn)一米,間隔30 min(降低干鉆法鉆頭摩擦升溫的影響),然后將溫度傳感器置入孔內(nèi)測(cè)溫點(diǎn),停留約30 s 待溫度數(shù)值穩(wěn)定后讀數(shù),溫度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。已完全自燃礦渣巖芯呈暗紅色或紫紅色,自燃初期礦渣巖芯呈黑色。

圖1 鉆孔位置分布Fig.1 Distribution of boreholes

表1 鉬鎳礦礦渣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 Temperature measurement data of molybdenum-nickel slag

3 溫度分布特征

3.1 水平方向溫度分布特征

溫度是衡量鉬鎳礦礦渣自燃的重要指標(biāo),為了研究溫度水平分布規(guī)律及劃定自燃趨勢(shì)性較大的區(qū)域,選擇了測(cè)溫點(diǎn)較多的0.1 ～8.0 m 深度范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù),經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,0.1 ～8.0 m 溫度數(shù)據(jù)變異系數(shù)分別為13.66%、34.84%、42.41%、47.43%、50.47%、54.54%、63.40%、66.75%、66.22%,一般變異系數(shù)小于15%稱為弱變異,15% ～36%為中等變異,大于36%為強(qiáng)變異[18],反距離權(quán)重法(IDW)對(duì)較強(qiáng)變異性的數(shù)據(jù)插值效果最佳[19]。本文對(duì)鉬鎳礦礦渣每一層深度的散點(diǎn)溫度利用ArcGis10.2 空間分析中的反距離權(quán)重法(IDW)進(jìn)行插值分析,得到了每一層鉬鎳礦礦渣的溫度平面分布圖(圖2),該圖可以直觀地顯示出水平層的溫度分布特征及溫度變化趨勢(shì)。

圖2 自燃鉬鎳礦礦渣各深度溫度平面分布Fig.2 Temperature distribution at different depths of molybdenum nickel slag in spontaneous combustion

由圖2 可知,整體而言,溫度變化趨勢(shì)趨于一致,均以ZK2 為中心向周邊發(fā)散。鉬鎳礦礦渣各層溫度高溫區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部平臺(tái)區(qū)ZK2 及附近,研究區(qū)北側(cè)斜坡區(qū)溫度明顯較低。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,研究區(qū)北側(cè)為斜坡區(qū),亦為迎風(fēng)面,與平臺(tái)區(qū)相比,有兩個(gè)面(斜坡面及坡頂平面)的氧氣供給,礦渣中的黃鐵礦可以充分氧化放熱,目前斜坡區(qū)及坡頂交界處礦渣已發(fā)生自燃,現(xiàn)處于自燃溫度衰減末期,故溫度較低;研究區(qū)中部為平臺(tái)區(qū),鉬鎳礦礦渣上覆黏土平均厚度約0.5 m,具備一定的聚熱條件,礦渣中黃鐵礦不斷氧化放熱,由于氧氣供給不充分(氧氣供給充足約是供給不充足時(shí)釋放熱量的3.5 倍),致使平臺(tái)區(qū)中部溫度升溫較緩,尚未達(dá)到碳類物質(zhì)的燃點(diǎn)280℃,目前所測(cè)最高溫度為ZK2 孔中7.0 m 深度處的220 ℃?，F(xiàn)目前以ZK2 為中心,四周外擴(kuò)約10 m 范圍內(nèi)鉬鎳礦礦渣的自燃趨勢(shì)性最大。

3.2 豎直方向溫度分布特征

為研究鉬鎳礦礦渣內(nèi)部溫度豎向分布特征,選取測(cè)量深度較大的6 個(gè)鉆孔繪制溫度曲線(圖3)。由圖3 可知,在0.1～6.0 m 深度范圍內(nèi),大部分測(cè)點(diǎn)溫度隨著深度變化趨勢(shì)大體相同,豎向溫度變化非線性,隨著深度增加先快速升高后緩慢增高或趨于平緩。在0.1～2.0 m 深度范圍內(nèi)溫度快速升高,溫度高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與溫度低的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比,升溫變化率較大,2.0 m 以后溫度升溫率逐漸降低。在接近礦渣與下伏基巖界面之上約1.0 m 位置(所有鉆孔均鉆進(jìn)至礦渣下伏炭質(zhì)泥巖地層0.5 ～1.5 m),出現(xiàn)了2 種情況:一是在2.0 m 以后,礦渣與下伏基巖界面之上約1.0 m 位置,溫度達(dá)到最高,隨著深度繼續(xù)增加,溫度開(kāi)始逐漸降低,如ZK2、ZK4、ZK8、ZK10;二是在2.0 m 以后,隨著深度增加,溫度升溫速率逐漸降低后溫度趨于緩慢增加,如ZK1、ZK9。

圖3 自燃鉬鎳礦礦渣各深度溫度曲線Fig.3 Temperature curves at different depths of molybdenum nickel slag in spontaneous combustion

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘查,ZK2、ZK4、ZK8、ZK10出現(xiàn)溫度先增加后降低的現(xiàn)象,說(shuō)明鉬鎳礦礦渣在豎直方向上具有火源中心的特征,火源中心主要集中在礦渣與下伏基巖界面之上約1.0 m 位置,表層不利于聚熱,且越接近地表受到大氣溫度的影響越大,深層又缺乏氧氣,不利于鉬鎳礦礦渣中黃鐵礦的氧化放熱或自燃,雖ZK8、ZK10 比ZK2、ZK4 的火源中心位置深度大4.0～5.0 m,主要原因是ZK8、ZK10 分別為平臺(tái)區(qū)邊界孔與邊坡孔,雖然礦渣厚度較大,但是深部氧氣供給與平臺(tái)區(qū)內(nèi)部相比較充足。ZK1、ZK9 出現(xiàn)溫度緩慢增加的現(xiàn)象,可能是ZK1、ZK9 位于平臺(tái)區(qū)內(nèi)部,聚熱條件較好,但是供氧條件不足,導(dǎo)致鉬鎳礦礦渣中的黃鐵礦一直處于初期緩慢氧化放熱階段,無(wú)明顯的高溫區(qū)或燃點(diǎn),故整體溫度差異不明顯,預(yù)計(jì)溫度隨著深度的增加受到氧氣濃度的限制而降低。研究區(qū)溫度最高點(diǎn)位于ZK2 地下7.0 m 深度處,為220℃;由于斜坡區(qū)及斜坡區(qū)與平臺(tái)區(qū)交界處屬于迎風(fēng)面,氧氣供給相對(duì)充足,目前該區(qū)域內(nèi)鉬鎳礦礦渣已自燃。

4 豎向溫度曲線擬合

4.1 擬合模型的建立

為了直觀地了解豎向溫度的變化趨勢(shì),同時(shí)對(duì)深部溫度進(jìn)行預(yù)測(cè),本文在最小二乘法[20]的基礎(chǔ)上,運(yùn)用EXCEL 對(duì)研究區(qū)內(nèi)9 個(gè)鉆孔溫度數(shù)據(jù)基于指數(shù)模型和多項(xiàng)式模型進(jìn)行擬合(表2),保留ZK5 作為最優(yōu)擬合模型的驗(yàn)證孔。模型擬合優(yōu)度用相關(guān)系數(shù)R2進(jìn)行判斷,R2越接近1,說(shuō)明各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)越靠近擬合曲線,殘差越小,擬合效果越好。表2 結(jié)果表明,一元三次函數(shù)擬合模型要明顯優(yōu)于指數(shù)函數(shù)擬合模型。

表2 豎向溫度擬合曲線結(jié)果Table 2 Fitting curve results of vertical temperature

4.2 模型顯著性分析

模型顯著性分析可以檢驗(yàn)自變量與因變量之間的函數(shù)關(guān)系在總體上是否顯著成立,常用的統(tǒng)計(jì)分析方法有t檢驗(yàn)、卡方檢驗(yàn)和方差分析等,本研究的模型顯著性分析采用方差分析法,利用EXCEL 表中的數(shù)據(jù)分析工具,主要通過(guò)各個(gè)數(shù)據(jù)之間顯示的偏差與F分布函數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中認(rèn)為是屬于誤差范圍內(nèi)的偏差進(jìn)行比較,來(lái)測(cè)驗(yàn)各組數(shù)據(jù)之間是否存在顯著性差異[14],若統(tǒng)計(jì)量F＞F臨界值,則模型回歸效果顯著,反之,不顯著,統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 方差分析法模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Significance test results of variance analysis model

由表3 可知,在選取顯著性水平a=0.01 的情況下,采用方差分析法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),結(jié)果顯示F值遠(yuǎn)大于1,說(shuō)明組間差異具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,同時(shí)F值均不同程度大于F臨界值,因此擬合模型結(jié)果是可信的。

4.3 最優(yōu)擬合模型的選擇與驗(yàn)證

從豎向溫度曲線擬合模型得知,所有點(diǎn)的最優(yōu)擬合模型均是基于一元三次函數(shù),根據(jù)測(cè)量誤差理論,將每一個(gè)鉆孔的實(shí)測(cè)溫度值分別與9 個(gè)鉆孔的一元三次函數(shù)擬合模型預(yù)測(cè)值相比取差值,計(jì)算其偏差值的平方和,取平方和最小的擬合模型為研究區(qū)最優(yōu)擬合模型,計(jì)算結(jié)果表明,基于一元三次函數(shù)的最優(yōu)擬合模型為y=0.333 3x3-3.035 7x2+19.56x+18.929,R2=0.978 8。

通過(guò)對(duì)ZK5 實(shí)測(cè)溫度值與最優(yōu)擬合模型對(duì)ZK5的預(yù)測(cè)溫度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明,預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)溫度值偏差較小,最優(yōu)擬合模型可信度較高。

表4 最優(yōu)擬合模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of optimal fitting model validation data

5 結(jié) 論

(1)基于IDW,對(duì)鉬鎳礦礦渣不同深度的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理,得到了不同深度溫度平面分布圖,整體而言,溫度變化趨于一致,高溫區(qū)主要分布在研究區(qū)中部平臺(tái)區(qū)ZK2 及附近,研究區(qū)北側(cè)斜坡溫度明顯較低。目前以ZK2 為中心向四周外擴(kuò)約10 m范圍內(nèi)的鉬鎳礦礦渣自燃趨勢(shì)性最大。

(2)在豎直方向上,鉬鎳礦礦渣受到聚熱及供氧條件的影響,在0.1 ～2.0 m 深度范圍內(nèi)溫度升溫率較高,2.0 m 以后溫度升溫率逐漸降低,一是2.0 m以后,在礦渣與下伏基巖界面之上約1.0 m 位置,溫度達(dá)到最高,隨著深度繼續(xù)增加,溫度開(kāi)始逐漸降低,初步確定其為火源中心位置,二是在2.0 m 以后,隨著深度增加,溫度升溫速率逐漸降低后溫度趨于緩慢增加。

(3)一元三次函數(shù)模型比指數(shù)函數(shù)模型的擬合效果更佳,回歸效果顯著,可以作為研究區(qū)內(nèi)豎向溫度預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)回歸公式。根據(jù)相關(guān)系數(shù)及測(cè)量誤差理論,確定研究區(qū)豎向溫度最優(yōu)模型為y=0.333 3x3-3.035 7x2+19.56x+18.929,R2=0.978 8。ZK5 實(shí)測(cè)溫度值與預(yù)測(cè)溫度值偏差較小,擬合模型可信度較高。