井下含硫鐵礦床預(yù)防自燃與自燃后治理

滿(mǎn) 鵬

(湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖南郴州 424402)

湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司在井下開(kāi)采過(guò)程中，曾經(jīng)多次出現(xiàn)在留礦法采礦的采場(chǎng)內(nèi)，礦石存放太久而發(fā)生自燃的現(xiàn)象。在2014年就出現(xiàn)過(guò)一次由于礦石含硫鐵礦較高最終導(dǎo)致自燃，使得采場(chǎng)產(chǎn)生毒氣與溫度較高，影響采場(chǎng)正常生產(chǎn)約3個(gè)月，2015年，其北部－150中段523采場(chǎng)也出現(xiàn)同樣情況，但是預(yù)防與治理較為及時(shí)，最終并未影響生產(chǎn)太久。其主要危害如下:(1)在安全方面:高溫與大量毒氣對(duì)人體傷害極高，特別是產(chǎn)生毒氣后，采場(chǎng)內(nèi)氧氣與水分含量極度降低，人員進(jìn)入采場(chǎng)導(dǎo)致呼吸困難，嚴(yán)重者死亡，此作業(yè)環(huán)境極度不安全;(2)在生產(chǎn)方面:采場(chǎng)內(nèi)發(fā)生自燃，其治理時(shí)間很長(zhǎng)，上述影響3個(gè)月的情況是采場(chǎng)內(nèi)發(fā)生自燃前就進(jìn)行了預(yù)防，即是治理時(shí)間在3個(gè)月以上，影響了出礦量與采礦量，如果將采場(chǎng)內(nèi)礦石出完，將會(huì)使得采場(chǎng)下一步施工很困難，同時(shí)為下一步采礦做采切工程又會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間與成本。為了減少此種情況，不影響作業(yè)人員施工安全，保證施工進(jìn)度，保證正常生產(chǎn)主要在于“怎么預(yù)防自燃”與“自燃后怎么治理”，下面將在這兩方面進(jìn)行研究。

1 自燃

1.1 自燃原因

該公司采場(chǎng)自燃主要原因是通風(fēng)未達(dá)到要求、采場(chǎng)礦石含有大量硫鐵礦、采場(chǎng)內(nèi)礦石堆放過(guò)久、底部結(jié)構(gòu)不合理等。

1.1.1 通風(fēng)原因

在布置采礦工程過(guò)程中，需要施工以下工程:人行天井2條、充填井1條(可以兼著溜礦井)、聯(lián)絡(luò)道6到10條不等、切割巷。以上工程可以形成一個(gè)局部的通風(fēng)系統(tǒng)，無(wú)法達(dá)到要求時(shí)，也可采取安裝局部風(fēng)機(jī)的方法加大風(fēng)流量。但是在采礦過(guò)程中可能會(huì)堵塞某些通風(fēng)口，從而降低了通風(fēng)量，使得采場(chǎng)內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，從而使得采場(chǎng)內(nèi)污風(fēng)與熱量無(wú)法正常排出;另外，在壓礦過(guò)程中，不能夠每次都將采場(chǎng)內(nèi)存礦出完，有的底部礦可能存放很長(zhǎng)一段時(shí)間，這種情況下即使采場(chǎng)內(nèi)有一個(gè)良好的通風(fēng)系統(tǒng)，但是風(fēng)流無(wú)法流過(guò)其礦石堆將污風(fēng)與熱量帶走，特別是在含硫鐵礦較高的采場(chǎng)。所以含硫鐵礦較高采場(chǎng)自燃可能性極大，采場(chǎng)采礦方法與采場(chǎng)風(fēng)流示意圖如圖1所示。

由圖1可知:當(dāng)風(fēng)流到堆礦處，風(fēng)流直接就流入充填井中，不會(huì)流入礦堆里面，從而無(wú)法帶走礦堆熱量與毒氣。

1.1.2 底部結(jié)構(gòu)原因

該公司大多數(shù)鉛鋅礦采場(chǎng)都采用留礦法采礦(有底柱、無(wú)底柱)，此采礦方法其采場(chǎng)內(nèi)礦石存放時(shí)間都很長(zhǎng)，如果含硫鐵礦較高時(shí)，其自燃可能性大，如果采場(chǎng)內(nèi)通風(fēng)條件不好，自燃可能性將又加大。如圖1所示，如果壓礦時(shí)間較長(zhǎng)，其風(fēng)流不經(jīng)過(guò)礦堆，同時(shí)又不流入礦堆，其硫鐵礦產(chǎn)生的熱量與污氣將極難隨風(fēng)流帶走，極易發(fā)生自燃。

圖1 采礦方法圖與采場(chǎng)風(fēng)流圖

1.2 自燃原理

在采場(chǎng)自燃過(guò)程中，主要引起自燃的巖石是硫鐵礦。

1.2.1 硫鐵礦介紹

硫鐵礦主要化學(xué)成分為FeS2，一般為淺黃銅色，強(qiáng)金屬光澤，不透明，在與空氣接觸后，同時(shí)溫度達(dá)到一定高度情況下就會(huì)發(fā)生自燃。在地下礦山中，含硫鐵礦較高的采場(chǎng)內(nèi)在采用留礦法采礦的過(guò)程中，其底部溫度升高很快，采場(chǎng)在未做預(yù)防措施情況下極易發(fā)生自燃。

1.2.2 硫鐵礦放熱過(guò)程

硫鐵礦自燃后釋放熱量加快化學(xué)反應(yīng)，其自燃過(guò)程中主要化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下:

當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)＞1%時(shí)有下面反應(yīng):

當(dāng)空氣供應(yīng)不足時(shí)，有下列反應(yīng)發(fā)生:

在上述系列反應(yīng)中，釋放出大量有毒氣體與熱量。其中有毒氣體主要是指二氧化硫，對(duì)人體傷害極大;從上述化學(xué)式中可以看出，其大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，并且放出的熱量極大，這些熱量的積聚可以引起硫鐵礦的自燃，存放越久，溫度升得越高，自燃強(qiáng)度將越大。

1.3 影響自燃的因素

影響硫鐵礦自燃的因素很多，井下含硫鐵礦采場(chǎng)主要影響因素是:含氧量、采場(chǎng)溫度、水、礦石塊度、出礦過(guò)程與出礦順序、回風(fēng)量與風(fēng)速、采場(chǎng)出口數(shù)量、采場(chǎng)二次破碎次數(shù)與炸藥量。

2 自燃預(yù)防措施

2.1 分析礦物中硫的含量并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整

在硫鐵礦發(fā)生自燃的過(guò)程中，自燃可能性與含硫量有著很大關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 自燃可能性與含硫量關(guān)系表

通過(guò)表1可以看出，當(dāng)采場(chǎng)內(nèi)含硫量低于15%時(shí)，自燃可能性不大，但是礦石性質(zhì)可能發(fā)生變化，使得含硫量增高，從而使得礦石自燃可能性增大。當(dāng)含硫量增大到20%以上后，就不應(yīng)該繼續(xù)壓礦，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)出底部礦(因?yàn)榈撞康V存放時(shí)間較長(zhǎng)，溫度較高，發(fā)生自燃可能性最大)，從而降低自燃可能性。

2.2 加強(qiáng)采場(chǎng)溫度控制、縮短采礦周期

在自燃過(guò)程，當(dāng)溫度升高到物質(zhì)自燃點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生自燃，所以對(duì)采場(chǎng)內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)與控制也是非常關(guān)鍵的。公司采場(chǎng)含硫鐵礦較高，同時(shí)采用留礦法的采場(chǎng)溫度極易升高，因?yàn)椴捎昧舻V法，采場(chǎng)內(nèi)礦石底部礦存的時(shí)間相對(duì)最長(zhǎng)，從而使得采場(chǎng)底部溫度最高，熱量又極難散出去，最終會(huì)導(dǎo)致整個(gè)礦堆溫度都會(huì)升高。所以及時(shí)在監(jiān)測(cè)到采場(chǎng)溫度太高時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先將采場(chǎng)內(nèi)底部存礦裝出。對(duì)此，建議多裝振動(dòng)斗，這樣才能使得出礦按照由下向上的順序?？s短采礦周期，可以有效縮短礦石存放時(shí)間，從而需要增加采場(chǎng)充填次數(shù)，對(duì)此可以對(duì)規(guī)模較大、含較高硫鐵礦的采場(chǎng)進(jìn)行分析，合理縮短采礦周期。

2.3 加強(qiáng)通風(fēng)、建立良好的通風(fēng)系統(tǒng)

影響硫鐵礦自燃最主要的因素是含氧量與風(fēng)流量。對(duì)于含硫鐵礦較高的采場(chǎng)，防止自燃最關(guān)鍵在于建立良好的通風(fēng)系統(tǒng)。在采場(chǎng)內(nèi)風(fēng)流量高，加快了采場(chǎng)內(nèi)污氣排放與熱量的散失，可以將硫鐵礦發(fā)生聚能反應(yīng)產(chǎn)生的污氣與熱量更快地稀釋掉，從而排出采場(chǎng)。采場(chǎng)必須要有良好的通風(fēng)系統(tǒng)，盡量建立多而合理的進(jìn)風(fēng)與出風(fēng)口，加大風(fēng)流量，對(duì)一些風(fēng)流量較小的采場(chǎng)應(yīng)當(dāng)裝上抽出、壓入式風(fēng)機(jī)來(lái)提高風(fēng)流量與風(fēng)流速度。對(duì)建立該采場(chǎng)通風(fēng)系統(tǒng)，筆者認(rèn)為必須先施工好1#人行天井、2#人行天井、充填天井，然后施工每層聯(lián)絡(luò)道、切割巷，在回采過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)控制采場(chǎng)內(nèi)存礦量，避免將采場(chǎng)內(nèi)安全出口與通風(fēng)口堵死。

2.4 控制礦石塊度

在采場(chǎng)內(nèi)，公司對(duì)礦石塊度大小都有很明確的要求，礦石塊度要求不得大于600 mm×600 mm。但是在含硫鐵礦較高的采場(chǎng)中，塊度對(duì)采場(chǎng)內(nèi)礦石自燃也有很大影響。礦石塊度與自燃可能性的關(guān)系是:(1)單位礦石塊度越小，暴露面積就越大，從而與空氣接觸面積就大，自燃可能性加大;(2)單位礦石塊度越大，暴露面積就越小，從而與空氣接觸面積就小，自燃可能性就小。對(duì)此，建議在采礦過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)控制塊度，在允許范圍內(nèi)塊度不應(yīng)該過(guò)小，但是為出礦方便與選礦廠選礦，也不應(yīng)過(guò)大，建議大多數(shù)控制在200 mm×200 mm到500 mm×500 mm之間，盡量減少粉塵礦。

2.5 減少二次破碎、嚴(yán)格控制大塊

公司很多采場(chǎng)在采礦過(guò)程中都存在大塊很多的現(xiàn)象，采場(chǎng)內(nèi)經(jīng)常需要進(jìn)行二次爆破，二次爆破過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量與大量污氣，從而使得含較高硫鐵礦的采場(chǎng)自燃可能性加大。對(duì)此，采場(chǎng)回采礦體的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)將炮孔適當(dāng)布置得過(guò)密一點(diǎn)，減少爆破過(guò)程產(chǎn)生大塊的現(xiàn)象，嚴(yán)格控制好大塊塊度。

2.6 改造采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)

公司現(xiàn)今部分含硫鐵礦較高的采場(chǎng)采礦方法是無(wú)底柱留礦法，采場(chǎng)最先壓下來(lái)的礦最后出，最終導(dǎo)致采場(chǎng)底部存礦接觸空氣少、溫度升高快、自燃可能性加大，所以建議采場(chǎng)盡量采用有底柱采礦法，這樣可以先將采場(chǎng)底部礦放出，使得所有礦總體存放時(shí)間縮短。

3 自燃后治理

在采場(chǎng)內(nèi)硫鐵礦自燃后主要危害因素是:有毒氣體與溫度過(guò)高。

3.1 有毒氣體治理

采場(chǎng)內(nèi)硫鐵礦自燃后產(chǎn)生的有毒氣體主要是SO2，所以要治理就是如何降低二氧化硫含量，可以加大風(fēng)流量將毒氣稀釋?zhuān)瑫r(shí)可以利用 CaO或NaOH將其中和掉，但是NaOH與二氧化硫會(huì)產(chǎn)生水，可能會(huì)使得硫鐵礦自燃得更快，所以采用CaO進(jìn)行化學(xué)治理較好，反應(yīng)式是:2CaO+2SO2+O2=2CaSO4，產(chǎn)物比較穩(wěn)定，但是對(duì)氧氣的需求量大，所以在治理過(guò)程中盡量加大風(fēng)流量，使得有足夠的氧氣供其反應(yīng)，所以CaO可用于治理有毒氣體，具體實(shí)物建議采用生石灰。這樣可以保證安全，促進(jìn)生產(chǎn)。雖然生石灰可以治理毒氣，但是在后期出礦過(guò)程中其反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，在最后出礦過(guò)程建議適當(dāng)灑水同時(shí)做好防治粉塵的保護(hù)措施。

3.2 溫度過(guò)高的治理

對(duì)溫度的治理不能夠在未進(jìn)行出礦的過(guò)程中進(jìn)行灑水，所以剩下的就只有加大風(fēng)流速度與風(fēng)流量將熱量帶走。但是在出礦過(guò)程中可以進(jìn)行適當(dāng)灑水來(lái)降低溫度，在灑水后，必須撤出到安全區(qū)域，待風(fēng)流將毒氣帶走后，采場(chǎng)內(nèi)安全系數(shù)達(dá)到要求的情況下才能繼續(xù)進(jìn)行作業(yè);在采用了生石灰治理毒氣后，由于底部散熱緩慢，可以在局部出礦區(qū)域適當(dāng)灑水以加快散熱。

4 結(jié)論

總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)以上分析研究，可以得出如下結(jié)論:

1.通過(guò)分析礦物中硫的含量與溫度的監(jiān)測(cè)可以有效地分析出采場(chǎng)安全系數(shù);通過(guò)建立良好的通風(fēng)系統(tǒng)與加強(qiáng)通風(fēng)、縮短采礦周期、改造采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)、控制礦石塊度、控制大塊可以有效減少礦石堆放時(shí)間，從而降低自燃可能性。只要將預(yù)防措施做好，其自燃可能性將大大降低。

2.通過(guò)生石灰的與二氧化硫反應(yīng)，同時(shí)在加大風(fēng)流與建立良好通風(fēng)系統(tǒng)的情況下，基本上可以把毒氣除去到安全含量范圍內(nèi);而加大風(fēng)流與建立良好通風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)加上局部出礦時(shí)灑水基本上可以將溫度降低到作業(yè)要求溫度范圍內(nèi)。通過(guò)以上方法，不但保證了作業(yè)過(guò)程中施工安全，同時(shí)也促進(jìn)了生產(chǎn)，使得采場(chǎng)停采時(shí)間大大縮短。所以采用以上方法來(lái)治理自燃較為合理。

以上兩方面做好，將可以做到降低采場(chǎng)自燃可能性，自燃后將提高治理效率，減少此類(lèi)采場(chǎng)對(duì)安全與生產(chǎn)的影響，從而使得回采效率提高。

［1］ 張虹，張春生.黃鐵礦自燃機(jī)理及其預(yù)防［J］.銅業(yè)工程，2014，(3):53 －54.

［2］ 黃躍軍.高溫高硫礦床礦石自燃性及防治技術(shù)研究［J］.有色礦冶，2000，16(1):13 －15.