某礦山硫化礦堆自燃過(guò)程溫度場(chǎng)時(shí)效分析

王 明 張建華 葉永喜 黃 剛

（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430070）

硫化礦石的自燃發(fā)火問(wèn)題是開(kāi)采含硫礦床的礦山企業(yè)生產(chǎn)中需要預(yù)防和可能遭受的災(zāi)害問(wèn)題。通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)具有含硫礦石自燃安全隱患的金屬礦山在所有礦山企業(yè)中占比高達(dá)20%，其中大部分礦山都出現(xiàn)過(guò)不同程度的含硫礦石自燃火災(zāi)事故［1-3］。硫化礦石發(fā)生自燃火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致礦山企業(yè)的正常生產(chǎn)運(yùn)作系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，造成自燃區(qū)域內(nèi)大量礦石的損失，并在氧化自燃時(shí)生成大量具有腐蝕性的氣體。因此，自燃火災(zāi)給礦山企業(yè)造成的巨額經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)產(chǎn)生眾多不可忽視的安全隱患及環(huán)境問(wèn)題［4-8］。

關(guān)于硫化礦石的自燃問(wèn)題［7-10］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多種學(xué)科研究角度做了細(xì)致的探究。多種研究方法都被研究人員用于硫化礦石自燃問(wèn)題研究。例如統(tǒng)計(jì)學(xué)在硫化礦石自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［11-12］中被廣泛應(yīng)用，饒運(yùn)章等［13］建立硫化礦石堆氧化自熱溫度的GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以含硫量、礦石塊度、升溫梯度作為試驗(yàn)影響因素來(lái)研究硫化礦石堆氧化自熱溫升速率，最終預(yù)測(cè)誤差為3.51%；文虎等［14］將復(fù)雜的傳熱模式利用有效導(dǎo)熱系數(shù)法簡(jiǎn)化為礦石間的導(dǎo)熱問(wèn)題，利用COMSOL Multiphysics數(shù)值軟件對(duì)硫化礦石堆孔隙間具有不同流速的空氣對(duì)硫化礦石堆溫度場(chǎng)所產(chǎn)生的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值仿真；潘偉等［15］運(yùn)用ANSYS、MATLAB數(shù)值軟件分別對(duì)硫化礦石堆自熱過(guò)程、采場(chǎng)硫化礦石堆風(fēng)流場(chǎng)分布情況及SO2、O2濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行了模擬研究并建立了硫化礦石堆的二維多孔介質(zhì)模型。

上述研究對(duì)影響硫化礦石自燃的各種因素已經(jīng)做出較多論述，但實(shí)際礦山生產(chǎn)過(guò)程中硫化礦石的自燃問(wèn)題最有效的解決方法，是在礦石到達(dá)自燃點(diǎn)之前升溫較小階段采取防治措施。故針對(duì)礦山實(shí)際狀況，研究硫化礦堆溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化，對(duì)于相似礦山的生產(chǎn)安全工作具有指導(dǎo)意義。本研究根據(jù)礦山實(shí)際生產(chǎn)狀況建立2種最為常見(jiàn)的硫化礦堆模型，利用ANSYS對(duì)其內(nèi)部溫度場(chǎng)的狀況以及自燃區(qū)域進(jìn)行模擬，研究礦堆升溫曲線以及自燃區(qū)域動(dòng)態(tài)變化，探明堆積過(guò)程變化規(guī)律。

1 工程概況

緬甸萊比塘銅礦是一座位于緬甸聯(lián)邦西北部實(shí)皆省南部的大型露天礦，礦區(qū)面積約32.73 km2。礦山年計(jì)劃采剝量7 000萬(wàn)t，臺(tái)階高度為15 m，坡面角70°，鉆孔直徑為250 mm。在L45-2088炮區(qū)施工時(shí)，炮孔附近礦堆陸續(xù)出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，導(dǎo)致炸藥自燃，炮區(qū)裝填重銨油炸藥的炮孔共計(jì)41個(gè)，發(fā)生炸藥自燃的共計(jì)20個(gè)。發(fā)生炸藥自燃的區(qū)域?qū)儆诤S鐵礦區(qū)域；發(fā)生炸藥自燃炮孔與其他含黃鐵礦區(qū)域炮孔對(duì)比發(fā)現(xiàn)該區(qū)域硫化礦石Fe2+、S離子含量相差不大，但其pH值相對(duì)更低，最小值為2.89。初步判定炸藥自燃原因?yàn)樵摫茀^(qū)域內(nèi)礦堆的黃鐵礦礦石接觸空氣、水發(fā)生預(yù)氧化或氧化反應(yīng)釋放出一定的熱量，導(dǎo)致附近裝藥炮孔內(nèi)的溫度上升。當(dāng)裝入重銨油炸藥時(shí)，熱量積累，導(dǎo)致炸藥自燃、炮孔冒煙。由此可見(jiàn)該礦山硫化礦石堆其自燃傾向性很大，模擬研究其礦堆堆積時(shí)溫度場(chǎng)變化規(guī)律對(duì)礦山生產(chǎn)有重要的意義。

2 巖石熱傳導(dǎo)理論

研究主體為多孔散體介質(zhì)的硫化礦石堆，且礦石堆自身含有內(nèi)熱源。礦石堆內(nèi)部熱源為硫化礦石自身發(fā)生氧化時(shí)所生成的熱量。在硫化礦石堆放的環(huán)境下，其內(nèi)部與周?chē)逊e巖體及環(huán)境之間礦石材料氧化熱的等效熱傳導(dǎo)方程滿(mǎn)足［16］：

在式（1）中只考慮硫化礦石自身氧化時(shí)所釋放的熱量，即

式中，θ(t)是硫化礦石堆積體的中心區(qū)域絕熱溫升負(fù)指數(shù)函數(shù)方程；θ0為硫化礦石最終絕熱升溫時(shí)溫度。將式（2）代入式（1）中，可得在僅考慮礦石材料氧化熱的等效熱傳導(dǎo)方程，即：

在此基礎(chǔ)上則將硫化礦石堆積體溫度場(chǎng)計(jì)算分析問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)樵谠O(shè)定的初始條件及邊界條件下對(duì)函數(shù)（3）求值的硫化礦石堆積體溫度場(chǎng)計(jì)算分析問(wèn)題。

由設(shè)定的邊界條件，利用有限元數(shù)值分析法將式（3）所在求解區(qū)域內(nèi)進(jìn)行離散化處理，最終得出該熱傳導(dǎo)問(wèn)題的有限元求解方程。

式中，[N]=[Ni,Nj,···,Nr]為單元型函數(shù)。

式（4）中對(duì)任意時(shí)間τ均成立，設(shè)：

可得：

3 模型建立

3.1 建立礦堆模型

3.1.1 硫化松散礦堆模型理論化假設(shè)

對(duì)研究礦山的硫化礦堆，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研收集相關(guān)資料。分析相關(guān)數(shù)據(jù)，為了模擬的可實(shí)現(xiàn)性，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)建立的模型做如下假設(shè)：①所建立的硫化礦石堆模型的含水率為零；②硫化礦石的密度及比熱容為某一固定常量；③硫化礦石材料均勻連續(xù)；④在對(duì)模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分析處理時(shí)，考慮堆積體內(nèi)部硫化礦石自身的氧化生成熱、絕熱溫升2種升溫模式。

3.1.2 建立模型

硫化礦石在采場(chǎng)中的堆積型式較為簡(jiǎn)單，一般狀況下采用靠側(cè)壁三角形和平坦地基上梯形2種堆積型式，在保證2種堆積形式其體積相同的前提下進(jìn)行比較分析。2種堆積形式幾何模型如圖1所示。

在進(jìn)行數(shù)值仿真分析時(shí)將基于2種硫化礦石堆積體的橫截面建立二維模型對(duì)硫化礦石堆進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。其中，2種模型中與基巖接觸邊界均設(shè)置為溫度類(lèi)型，設(shè)初始地基及硫化礦石堆溫度設(shè)定為27℃，礦石自燃點(diǎn)為442℃；對(duì)2種模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，基巖及硫化礦石梯形堆積體均采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，三角形堆積體則采用三角形網(wǎng)格劃分，2種模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。利用有限元法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算求解，進(jìn)行2次計(jì)算。將第1次計(jì)算求解時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為86 400 s。第2次計(jì)算調(diào)整ANSYS計(jì)算分析時(shí)間步長(zhǎng)為7 200 s；僅對(duì)不同堆積形式數(shù)值模型中的硫化礦石堆部分的溫度場(chǎng)重新進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。利用第1次數(shù)值計(jì)算結(jié)果，將三角形硫化礦石堆積體從礦石堆積300 h時(shí)開(kāi)始計(jì)算至礦石堆積480 h；梯形硫化礦石堆積體從礦石堆積350 h時(shí)開(kāi)始計(jì)算至500 h。

3.2 定義材料參數(shù)

研究成果表明硫化礦石的氧化生熱過(guò)程受到多種因素的影響，包括礦石中鐵離子含量、溫度、含水量以及空氣中氧含量等的影響，復(fù)雜的變量使得學(xué)者無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有成果對(duì)某一類(lèi)礦石給出合適的溫升曲線。故需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)礦石進(jìn)行勘察，將所有的樣品參數(shù)進(jìn)行處理。在進(jìn)行模型的建立時(shí)，忽略堆積形狀帶來(lái)的一些模型參數(shù)的細(xì)微差別，使梯形礦堆和三角形礦堆模型材料參數(shù)保持一致，構(gòu)建該礦山常用形狀的硫化礦石堆數(shù)值模型時(shí)，選用最常見(jiàn)的黃鐵礦石礦堆的堆積參數(shù)。模型的含水率為零，比熱容及密度等參數(shù)為固定常數(shù)。

最終取礦石密度ρ0為2 700 kg/m3；基巖密度ρ1為2 700 kg/m3；礦石堆密度ρK為2 310 kg/m3；礦石比熱容c0為2.222 J/（kg·K）；基巖比熱容c1為0.7 J/（kg·K）；基巖有效導(dǎo)熱系數(shù)λh為4.0 W/（m·K）；基巖表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)β1為5.85 W/（m2·K）；礦石堆孔隙率n為32%；有效導(dǎo)熱系數(shù)λh=0.001 3T+0.037 3。內(nèi)源熱強(qiáng)度

其中，T*的單位為℃。

其中，礦石堆內(nèi)熱源強(qiáng)度是一個(gè)關(guān)于溫度的函數(shù)方程表達(dá)式；將該函數(shù)用LM算法擬合成一個(gè)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)［17］，硫化礦石內(nèi)熱源強(qiáng)度是一個(gè)關(guān)于時(shí)間的分段函數(shù)，分為自熱低溫氧化、快速氧化、持續(xù)散熱3個(gè)階段。其函數(shù)關(guān)系如圖3所示。

在硫化礦石氧化自熱低溫氧化階段，礦石氧化熱生成速率低，此時(shí)內(nèi)熱源強(qiáng)度處于一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)階段；在經(jīng)過(guò)低溫氧化階段后礦石堆積聚了一定的熱量，硫化礦石堆開(kāi)始進(jìn)入快速氧化階段，該階段硫化礦石氧化速率迅速提升，其自熱幅度大大增加，當(dāng)達(dá)到礦石自燃點(diǎn)時(shí)，硫化礦石便會(huì)發(fā)生自燃，其內(nèi)熱源強(qiáng)度顯著升高；在硫化礦石經(jīng)過(guò)持續(xù)數(shù)天或更長(zhǎng)時(shí)間的燃燒后，硫化礦石堆基本全部被氧化，此時(shí)礦堆放熱速率迅速下降，其內(nèi)熱源強(qiáng)度同樣迅速降低。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 堆積體內(nèi)部溫度場(chǎng)仿真模擬過(guò)程分析

硫化礦石堆的自燃點(diǎn)，取決于硫化礦堆內(nèi)溫度最高點(diǎn)的大小，故研究礦石堆的溫度場(chǎng)時(shí)，對(duì)礦石堆內(nèi)溫度各個(gè)時(shí)刻最高點(diǎn)著重進(jìn)行分析。利用ANSYS后處理器提取出2種堆積形式的硫化礦石堆數(shù)值模型各個(gè)時(shí)刻最高溫度節(jié)點(diǎn)，所得2種硫化礦石堆積體內(nèi)部最高溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4為60 d內(nèi)不同堆積形式硫化礦石堆內(nèi)部最高溫度隨時(shí)間變化曲線，2種堆積體的溫度變化曲線趨勢(shì)大致相同，變化規(guī)律如下：

（1）礦石堆積的前8 d內(nèi)，硫化礦石氧化速率較小，生成熱較少，溫度變化平穩(wěn)而緩慢，堆積體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布無(wú)顯著變化。2種堆積體的變化過(guò)程分別為：①三角形堆積體堆積前8 d內(nèi)，日均升溫量為6℃左右，到第8 d后溫度變化速率開(kāi)始增加，此時(shí)溫度場(chǎng)分布如圖5（a）；②梯形堆積體堆積前10 d內(nèi)，日均升溫量為2.5℃左右，到第10 d后溫度變化速率開(kāi)始增加，此時(shí)溫度場(chǎng)分布如圖5（b）。

（2）堆積第8 d至第20 d，礦石氧化熱量在內(nèi)部不斷聚集提升溫度，氧化速率迅速提升，放熱速率不斷增大，最終到達(dá)礦石自燃點(diǎn)，發(fā)生自燃，隨后溫度降至自燃點(diǎn)下方。2種堆積體的變化過(guò)程分別為：①三角形堆積體從第8 d開(kāi)始，內(nèi)部升溫幅度變大，第13 d時(shí)達(dá)到自燃點(diǎn)，到第16 d時(shí)內(nèi)部溫度開(kāi)始下降，當(dāng)?shù)V石堆積體到第18 d其內(nèi)部最高溫度開(kāi)始低于硫化礦石自燃點(diǎn)，期間硫化礦堆內(nèi)部最高溫度為578℃，此時(shí)堆積體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布如圖5（c）；②梯形堆積體從第10 d開(kāi)始，內(nèi)部升溫幅度變大，第15 d時(shí)達(dá)到硫化礦石的自燃點(diǎn)，到第18 d時(shí)內(nèi)部溫度開(kāi)始下降，當(dāng)?shù)V石堆積體到第19 d其內(nèi)部最高溫度開(kāi)始低于硫化礦石自燃點(diǎn)，硫礦堆積體內(nèi)部最高溫度達(dá)到563℃，此時(shí)堆積體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布如圖5（d）。

（3）在此之后，硫化礦石與氧氣的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入末期，其放熱速率逐漸降低，使得硫化礦石堆內(nèi)部溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)如圖5（e）、圖5（f），最終硫化礦堆放熱反應(yīng)基本完成，硫礦堆內(nèi)部溫度場(chǎng)不斷與周?chē)h(huán)境發(fā)生熱交換，直至溫度降至與周?chē)h(huán)境溫度大致相同。

4.2 礦堆模型自燃區(qū)域變化規(guī)律。

由溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果確定硫化礦堆的自燃過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間段，對(duì)該時(shí)間段內(nèi)堆積模型自燃區(qū)域動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行數(shù)值模擬，利用積分公式求出該時(shí)段內(nèi)自燃區(qū)域的疊加面積變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，三角形硫礦堆自燃開(kāi)始時(shí)刻為第300 h，其自燃面積占模型面積比例為0.02；在456 h時(shí)，硫化礦石自燃面積所占模型總面積比例達(dá)到最大值0.907，如圖7（a）。隨后自燃區(qū)域疊加面積總占比穩(wěn)定在該數(shù)值，硫化礦堆自燃持續(xù)時(shí)間約為156 h。梯形硫礦堆在348 h時(shí)發(fā)生自燃，其自燃面積占模型面積比例為0.055；在448 h時(shí)，硫化礦石自燃面積所占模型總面積比例達(dá)到最大值0.812，如圖7（b）。隨后自燃區(qū)域疊加面積總占比穩(wěn)定在該數(shù)值；硫化礦堆自燃持續(xù)時(shí)間約為100 h。2種堆積體的自燃開(kāi)始區(qū)域均在礦堆中央。

5 結(jié)論

利用ANSYS對(duì)某銅礦硫化礦石堆進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)該礦山的礦石種類(lèi)以及其他相關(guān)參數(shù)建立模型計(jì)算后獲得了該銅礦山硫化礦石堆積體在堆積時(shí)間內(nèi)的溫度分布云圖，自燃區(qū)域面積大小及位置。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，礦山常用的2種堆積方式的溫度場(chǎng)變化規(guī)律大致相同，采取自燃防治措施的最佳時(shí)間在堆積前8 d之內(nèi)；自燃發(fā)生區(qū)域在礦堆中心，因而對(duì)長(zhǎng)期堆放的礦石需進(jìn)行中心部位溫度定期測(cè)定；使用梯形堆積這種表面積大的堆積方式有利于延緩硫化礦堆到達(dá)自燃點(diǎn)的時(shí)間，降低自燃最高溫度，減少自燃時(shí)間和自燃礦石損失量。