基于綜合判定指數(shù)的硫化礦石自燃傾向性分類

孫魁明SUN Kui-ming；汪令輝WANG Ling-hui

（銅陵有色金屬集團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、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到其燃點，便可導(dǎo)致內(nèi)因火災(zāi)[2]。火災(zāi)既可影響工人健康，也會浪費礦物資源，尤其是惡化井下的環(huán)境，導(dǎo)致采礦作業(yè)無法正常進行。我國高達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技術(shù)方面，盡管還存在較大異議，但已取得了很大進展，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

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期和不同國家被提出?？紤]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)驗和進展是可行的，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，即同時測定幾個不同指標(biāo)，然后綜合分析，取得較好效果。運用多因素綜合指標(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際應(yīng)用中由于研究者的實驗設(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道，尚未見到對自燃傾向性進行分類的方法。

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)文獻對FeS 進行了絕熱氧化實驗，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非線性的動態(tài)變化過程，自燃過程可以分成以下三個階段：①誘導(dǎo)氧化期。硫化礦石在剛剛接觸到濕空氣時，因其對氧的物理吸附作用，會產(chǎn)生部分熱量，又因為一些熱量會因礦石中所含水的蒸發(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)。這是一個積蓄能量，激發(fā)活性的過程；該階段經(jīng)歷的時間較長，這一過程的具體反應(yīng)機理有待進一步研究。②自熱期。硫化礦石會進入化學(xué)吸附氧作用階段在進行物理吸附氧后，這個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分子的活性到達某一程度后，硫化礦石自熱點溫度T1 低于硫化礦石本身的溫度時，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，直到達到其著火點溫度T2，此時反應(yīng)進行最快，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)評價值之間的數(shù)據(jù)差異大小和評價指標(biāo)重要程度的差別大小兩個角度加以確定。要實現(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)致評價困難、評價成本增加，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行鑒定所進行的自燃過程模擬時需要盡可能消除外在因素的影響，相關(guān)文獻基于此理論對硫化亞鐵進行了絕熱氧化實驗，得出其氧化動力學(xué)參數(shù)，用以判定硫化亞鐵的自燃傾向性，由于該方法實驗周期過長，而且實驗效果不夠明顯，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、自燃點三個最具代表性的指標(biāo)用來判斷硫化礦石的自燃傾向性。其中，自燃點、自熱點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，實現(xiàn)硫化礦石氧化增重、自熱點、自燃點三個參數(shù)的有機合成，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、自熱點及自燃點三個指標(biāo)對硫化礦石自燃過程的影響程度，需引用權(quán)數(shù)對其進行區(qū)分。權(quán)數(shù)是指各個指標(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，如層次分析法、模糊聚類法、專家打分法、評價區(qū)間統(tǒng)計法等。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)試驗結(jié)論及經(jīng)驗，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，故取自熱點的權(quán)數(shù)為0.3，而自燃點的權(quán)數(shù)為0.2。

線性加權(quán)綜合法適用于相互獨立的各個評價指標(biāo)，各評價指標(biāo)對綜合評價水平幾乎無影響，可使各評價指標(biāo)之間獲得線性補償，計算簡便，便于推廣；而且加法合成法能較好地體現(xiàn)各評價指標(biāo)間的權(quán)重關(guān)系，并且要求各評價指標(biāo)相互獨立，因此采用加法合成法對氧化增重、自熱點及自燃點三個指標(biāo)進行合成。

3 判定指數(shù)的計算

加法合成法要求對礦樣的三個參數(shù)進行無量綱化處理，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特征參數(shù)進行無量綱化處理，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)計分析，取x自熱點=60℃；

由于納入評價指標(biāo)體系的每一個指標(biāo)與評價目標(biāo)之間都應(yīng)呈高度相關(guān)性，而綜合評價指標(biāo)體系中的每一個指標(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，而自熱點及自燃點為逆形式，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)不為零值就可實施，故用該方法進行氧化增重的正形式變換[26]。

在對三個指標(biāo)進行無量綱化及對氧化增重率進行轉(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 個評價單元，每個單元有m 個評價指標(biāo)，wj為第j 個指標(biāo)的權(quán)重，xij表示第i 個單元的第j 個指標(biāo)的單項評價值；則第i 個單元的指標(biāo)評價值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)計算式見式（5）：

其中，I1為氧化增重率；I2為礦石的自熱點；I3為礦石的自燃點；W1為氧化增重的權(quán)數(shù)，W1=0.5；W2為自熱點的權(quán)數(shù)，W2=0.3；W3為自燃點的權(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

進行硫化礦石自燃傾向性評價及分類對指導(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)進行選擇的基本要求。①由低溫氧化、自熱、快速燃燒三個階段構(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、自熱點及自燃點各指標(biāo)的權(quán)重，采用加法合成法對三者進行了合成，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)場礦山進行評價，將評價結(jié)果與實際情況相比較，通過現(xiàn)場反饋進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,郄軍芳.硫化礦石動態(tài)自熱率測定裝置及其數(shù)值模擬[J].科技導(dǎo)報,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)生機理[J].有色礦冶,1995(4):38-41.