某礦山硫化礦堆自燃過程溫度場時效分析

王 明 張建華 葉永喜 黃 剛

（武漢理工大學資源與環境學院，湖北武漢430070）

硫化礦石的自燃發火問題是開采含硫礦床的礦山企業生產中需要預防和可能遭受的災害問題。通過相關數據統計分析發現，國內具有含硫礦石自燃安全隱患的金屬礦山在所有礦山企業中占比高達20%，其中大部分礦山都出現過不同程度的含硫礦石自燃火災事故［1-3］。硫化礦石發生自燃火災會導致礦山企業的正常生產運作系統產生中斷，造成自燃區域內大量礦石的損失，并在氧化自燃時生成大量具有腐蝕性的氣體。因此，自燃火災給礦山企業造成的巨額經濟損失的同時產生眾多不可忽視的安全隱患及環境問題［4-8］。

關于硫化礦石的自燃問題［7-10］，國內外學者從多種學科研究角度做了細致的探究。多種研究方法都被研究人員用于硫化礦石自燃問題研究。例如統計學在硫化礦石自燃危險性評價［11-12］中被廣泛應用，饒運章等［13］建立硫化礦石堆氧化自熱溫度的GRNN神經網絡模型，以含硫量、礦石塊度、升溫梯度作為試驗影響因素來研究硫化礦石堆氧化自熱溫升速率，最終預測誤差為3.51%；文虎等［14］將復雜的傳熱模式利用有效導熱系數法簡化為礦石間的導熱問題，利用COMSOL Multiphysics數值軟件對硫化礦石堆孔隙間具有不同流速的空氣對硫化礦石堆溫度場所產生的影響規律進行數值仿真；潘偉等［15］運用ANSYS、MATLAB數值軟件分別對硫化礦石堆自熱過程、采場硫化礦石堆風流場分布情況及SO2、O2濃度隨時間的變化趨勢進行了模擬研究并建立了硫化礦石堆的二維多孔介質模型。

上述研究對影響硫化礦石自燃的各種因素已經做出較多論述，但實際礦山生產過程中硫化礦石的自燃問題最有效的解決方法，是在礦石到達自燃點之前升溫較小階段采取防治措施。故針對礦山實際狀況，研究硫化礦堆溫度場隨時間的變化，對于相似礦山的生產安全工作具有指導意義。本研究根據礦山實際生產狀況建立2種最為常見的硫化礦堆模型，利用ANSYS對其內部溫度場的狀況以及自燃區域進行模擬，研究礦堆升溫曲線以及自燃區域動態變化，探明堆積過程變化規律。

1 工程概況

緬甸萊比塘銅礦是一座位于緬甸聯邦西北部實皆省南部的大型露天礦，礦區面積約32.73 km2。礦山年計劃采剝量7 000萬t，臺階高度為15 m，坡面角70°，鉆孔直徑為250 mm。在L45-2088炮區施工時，炮孔附近礦堆陸續出現冒煙現象，導致炸藥自燃，炮區裝填重銨油炸藥的炮孔共計41個，發生炸藥自燃的共計20個。發生炸藥自燃的區域屬于含黃鐵礦區域；發生炸藥自燃炮孔與其他含黃鐵礦區域炮孔對比發現該區域硫化礦石Fe2+、S離子含量相差不大，但其pH值相對更低，最小值為2.89。初步判定炸藥自燃原因為該爆破區域內礦堆的黃鐵礦礦石接觸空氣、水發生預氧化或氧化反應釋放出一定的熱量，導致附近裝藥炮孔內的溫度上升。當裝入重銨油炸藥時，熱量積累，導致炸藥自燃、炮孔冒煙。由此可見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溫度場變化規律對礦山生產有重要的意義。

2 巖石熱傳導理論

研究主體為多孔散體介質的硫化礦石堆，且礦石堆自身含有內熱源。礦石堆內部熱源為硫化礦石自身發生氧化時所生成的熱量。在硫化礦石堆放的環境下，其內部與周圍堆積巖體及環境之間礦石材料氧化熱的等效熱傳導方程滿足［16］：

在式（1）中只考慮硫化礦石自身氧化時所釋放的熱量，即

式中，θ(t)是硫化礦石堆積體的中心區域絕熱溫升負指數函數方程；θ0為硫化礦石最終絕熱升溫時溫度。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方程，即：

在此基礎上則將硫化礦石堆積體溫度場計算分析問題轉變為在設定的初始條件及邊界條件下對函數（3）求值的硫化礦石堆積體溫度場計算分析問題。

由設定的邊界條件，利用有限元數值分析法將式（3）所在求解區域內進行離散化處理，最終得出該熱傳導問題的有限元求解方程。

式中，[N]=[Ni,Nj,···,Nr]為單元型函數。

式（4）中對任意時間τ均成立，設：

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

對研究礦山的硫化礦堆，進行現場調研收集相關資料。分析相關數據，為了模擬的可實現性，在現場實際數據的基礎上，對建立的模型做如下假設：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；④在對模型進行溫度場分析處理時，考慮堆積體內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

硫化礦石在采場中的堆積型式較為簡單，一般狀況下采用靠側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行比較分析。2種堆積形式幾何模型如圖1所示。

在進行數值仿真分析時將基于2種硫化礦石堆積體的橫截面建立二維模型對硫化礦石堆進行瞬態熱分析。其中，2種模型中與基巖接觸邊界均設置為溫度類型，設初始地基及硫化礦石堆溫度設定為27℃，礦石自燃點為442℃；對2種模型進行網格劃分時，基巖及硫化礦石梯形堆積體均采用四邊形網格進行劃分，三角形堆積體則采用三角形網格劃分，2種模型網格劃分如圖2所示。利用有限元法對模型進行計算求解，進行2次計算。將第1次計算求解時間步長設置為86 400 s。第2次計算調整ANSYS計算分析時間步長為7 200 s；僅對不同堆積形式數值模型中的硫化礦石堆部分的溫度場重新進行數值計算。利用第1次數值計算結果，將三角形硫化礦石堆積體從礦石堆積300 h時開始計算至礦石堆積480 h；梯形硫化礦石堆積體從礦石堆積350 h時開始計算至500 h。

3.2 定義材料參數

研究成果表明硫化礦石的氧化生熱過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，復雜的變量使得學者無法根據現有成果對某一類礦石給出合適的溫升曲線。故需對現場礦石進行勘察，將所有的樣品參數進行處理。在進行模型的建立時，忽略堆積形狀帶來的一些模型參數的細微差別，使梯形礦堆和三角形礦堆模型材料參數保持一致，構建該礦山常用形狀的硫化礦石堆數值模型時，選用最常見的黃鐵礦石礦堆的堆積參數。模型的含水率為零，比熱容及密度等參數為固定常數。

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）；基巖有效導熱系數λh為4.0 W/（m·K）；基巖表面傳熱系數β1為5.85 W/（m2·K）；礦石堆孔隙率n為32%；有效導熱系數λh=0.001 3T+0.037 3。內源熱強度

其中，T*的單位為℃。

其中，礦石堆內熱源強度是一個關于溫度的函數方程表達式；將該函數用LM算法擬合成一個關于時間的函數［17］，硫化礦石內熱源強度是一個關于時間的分段函數，分為自熱低溫氧化、快速氧化、持續散熱3個階段。其函數關系如圖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，此時內熱源強度處于一個相對平穩階段；在經過低溫氧化階段后礦石堆積聚了一定的熱量，硫化礦石堆開始進入快速氧化階段，該階段硫化礦石氧化速率迅速提升，其自熱幅度大大增加，當達到礦石自燃點時，硫化礦石便會發生自燃，其內熱源強度顯著升高；在硫化礦石經過持續數天或更長時間的燃燒后，硫化礦石堆基本全部被氧化，此時礦堆放熱速率迅速下降，其內熱源強度同樣迅速降低。

4 模擬結果分析

4.1 堆積體內部溫度場仿真模擬過程分析

硫化礦石堆的自燃點，取決于硫化礦堆內溫度最高點的大小，故研究礦石堆的溫度場時，對礦石堆內溫度各個時刻最高點著重進行分析。利用ANSYS后處理器提取出2種堆積形式的硫化礦石堆數值模型各個時刻最高溫度節點，所得2種硫化礦石堆積體內部最高溫度隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4為60 d內不同堆積形式硫化礦石堆內部最高溫度隨時間變化曲線，2種堆積體的溫度變化曲線趨勢大致相同，變化規律如下：

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

（2）堆積第8 d至第20 d，礦石氧化熱量在內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，最終到達礦石自燃點，發生自燃，隨后溫度降至自燃點下方。2種堆積體的變化過程分別為：①三角形堆積體從第8 d開始，內部升溫幅度變大，第13 d時達到自燃點，到第16 d時內部溫度開始下降，當礦石堆積體到第18 d其內部最高溫度開始低于硫化礦石自燃點，期間硫化礦堆內部最高溫度為578℃，此時堆積體內部溫度場分布如圖5（c）；②梯形堆積體從第10 d開始，內部升溫幅度變大，第15 d時達到硫化礦石的自燃點，到第18 d時內部溫度開始下降，當礦石堆積體到第19 d其內部最高溫度開始低于硫化礦石自燃點，硫礦堆積體內部最高溫度達到563℃，此時堆積體內部溫度場分布如圖5（d）。

（3）在此之后，硫化礦石與氧氣的化學反應進入末期，其放熱速率逐漸降低，使得硫化礦石堆內部溫度呈現下降趨勢如圖5（e）、圖5（f），最終硫化礦堆放熱反應基本完成，硫礦堆內部溫度場不斷與周圍環境發生熱交換，直至溫度降至與周圍環境溫度大致相同。

4.2 礦堆模型自燃區域變化規律。

由溫度場數值模擬結果確定硫化礦堆的自燃過程所經歷的時間段，對該時間段內堆積模型自燃區域動態變化進行數值模擬，利用積分公式求出該時段內自燃區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始時刻為第300 h，其自燃面積占模型面積比例為0.02；在456 h時，硫化礦石自燃面積所占模型總面積比例達到最大值0.907，如圖7（a）。隨后自燃區域疊加面積總占比穩定在該數值，硫化礦堆自燃持續時間約為156 h。梯形硫礦堆在348 h時發生自燃，其自燃面積占模型面積比例為0.055；在448 h時，硫化礦石自燃面積所占模型總面積比例達到最大值0.812，如圖7（b）。隨后自燃區域疊加面積總占比穩定在該數值；硫化礦堆自燃持續時間約為100 h。2種堆積體的自燃開始區域均在礦堆中央。

5 結論

利用ANSYS對某銅礦硫化礦石堆進行數值模擬，根據該礦山的礦石種類以及其他相關參數建立模型計算后獲得了該銅礦山硫化礦石堆積體在堆積時間內的溫度分布云圖，自燃區域面積大小及位置。數值模擬分析結果表明，礦山常用的2種堆積方式的溫度場變化規律大致相同，采取自燃防治措施的最佳時間在堆積前8 d之內；自燃發生區域在礦堆中心，因而對長期堆放的礦石需進行中心部位溫度定期測定；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自燃點的時間，降低自燃最高溫度，減少自燃時間和自燃礦石損失量。