孙魁明SUN Kui-ming；汪令辉WANG Ling-hui

（铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿，铜陵 244031）

（Tongling Nonferrous Metals Group Holding Co.，Ltd.Dongguashan Copper Mine，Tongling 244031，China）

0 引言

由于全球矿产资源的越来越贫乏，矿山向深部开采是必然的趋势，高硫矿山硫化矿自燃事故的发生随着井下深部开采温度的升高必将增加。为了便于高硫矿井矿床防灭火等级的划分及开采设计、正确选择采矿方法和采矿工艺、防灭火和通风系统，需要对硫化矿石自燃倾向性进行较为准确的判断。为此，需要提出合理的硫化矿石自燃倾向性的评价指标和判定方法[1]。接触到空气的硫化矿石，在氧化作用下会释放热量，这些热量一旦大于硫化矿石向四周的传热量，硫化矿石自身温度也会增高；在一定的条件下，因局部热量积聚，硫化矿石不断升温甚至达到其燃点，便可导致内因火灾[2]。火灾既可影响工人健康，也会浪费矿物资源，尤其是恶化井下的环境，导致采矿作业无法正常进行。我国高达20%-30%的硫铁矿以及5%-10%的有色金属或多金属硫化矿具有内因火灾危害[3]。我国在煤矿自燃倾向性评价技术方面，尽管还存在较大异议，但已取得了很大进展，现行《煤矿安全规程》（2006年）第二百二十八条就煤炭自燃倾向性分类作了详细规定。因此，如何规范国内硫化矿石自燃倾向性的评价技术一样具有重要的意义。

1 硫化矿石自燃倾向性判定技术现状及评价

硫化矿石的自燃倾向性是由硫化矿石的内在特性特别是其氧化性决定的，反映了硫化矿石发生自燃的难易程度。因硫化矿石结构的复杂性，不同矿体、不同矿层、不同矿井的硫化矿岩的自燃倾向性相差较大。目前，判定硫化矿石自燃倾向性多是利用矿石的某些氧化性指标，所测定的内容如：矿石的含硫量及其它有关成分含量、水溶性铁离子含量、各种矿物成分、矿石起始自热幅度、自热温度、矿石吸氧速度、矿石着火点等。20 世纪30年代到现在，各种判定硫化矿石自燃倾向大小的方法在不同时期和不同国家被提出。考虑到硫化矿石自燃与煤自燃过程之间的联系或某些相似性，借鉴煤自燃倾向性研究的一些重要经验和进展是可行的，表1 列举了两者在不同的研究单位中所采用的自燃倾向性测定方法。

表1 不同研究单位关于煤自燃倾向性与硫化矿石自燃倾向性测定方法比较

另外，根据加拿大学者B.H.Good 提出的计算硫的临界值数学模型，提出了如下综合评判数学模型：

其中，K-分别为各自影响因素的相应系数i=1，2…9；ST-硫化矿岩自燃倾向性大小的综合指标。

ST 值量化了判定硫化矿石具有氧化自燃倾向性大小的指标，用其代替以前单因素判据更具可靠性。

20 世纪80年代初，原中南工业大学提出了用于鉴定矿岩的自燃倾向性大小的综合因素分析法，即同时测定几个不同指标，然后综合分析，取得较好效果。运用多因素综合指标分析法并得到较好的效果，研究过程如图1。然而，上述这些初步的理论和方法在实际应用中由于研究者的实验设备差异较大，所得结果通常很难具有可比性；并且国内外研究者都往往是针对某一个具体矿山的硫化矿石，并没有揭示一般性的规律并发展相应的技术，因此限制了所获成果的推广应用[15]。总体看来，硫化矿石的自燃倾向性程度的通用、合理的方法是缺少的，而且，硫化矿石自燃的绝对倾向性也未见报道，尚未见到对自燃倾向性进行分类的方法。

图1 硫化矿石自燃倾向性的综合因素判定流程

2 综合判定指数合成方法的选择及确定

参照相关文献对FeS 进行了绝热氧化实验，如图2 所示，发现硫化矿石自燃过程中温度变化是一个非线性的动态变化过程，自燃过程可以分成以下三个阶段：①诱导氧化期。硫化矿石在刚刚接触到湿空气时，因其对氧的物理吸附作用，会产生部分热量，又因为一些热量会因矿石中所含水的蒸发而被带走，矿石的温度会基本保持不变，难以和氧气发生反应。这是一个积蓄能量，激发活性的过程；该阶段经历的时间较长，这一过程的具体反应机理有待进一步研究。②自热期。硫化矿石会进入化学吸附氧作用阶段在进行物理吸附氧后，这个过程会不断增加反应物能量，逐步激活FeS2（FeS）分子，FeS2分子的活性随之增加了；在FeS2分子的活性到达某一程度后，硫化矿石自热点温度T1 低于硫化矿石本身的温度时，加快了氧气与被活化的硫化矿石反应速度，很多的热量被产生；在特定的外部条件下矿石的温度会随着热量不断积聚越来越高，矿石的氧化作用、吸氧能力会自动加快，矿石温度不断上升。③燃烧期。自热期使得硫化矿石反应产生的热量不断积聚，温度快速上升，直到达到其着火点温度T2，此时反应进行最快，导致矿石温度上升的速度急剧加大，并产生大量SO2（冒烟）。

图2 硫化矿石自燃过程的阶段划分

判定硫化矿石自燃倾向性程度时建议遵循以下原则：①硫化矿石的自燃倾向性指标应该能够体现其氧化反应能力；②硫化矿石自燃包含极复杂的物理化学反应过程，自燃倾向性判定指标应考虑这些过程依赖性；③硫化矿石自燃过程的关键是其低温氧化阶段，即60℃以下的反应阶段，其自燃倾向性指标要能够体现出低温阶段的氧化反应能力。在进行硫化矿石的自燃倾向性判定中，为了避免单一指标法的不足，应采用多指标合成法或多指标组合法来判定。多指标合成法与多指标组合法既相互区别又相互联系。多指标组合法虽然包含多个不同的指标用以反映自燃倾向性的不同侧面，但并不把这些指标综合成一个单一指标，而多指标合成法则在多指标的基础上，通过理论分析和数据处理，从中提取或者综合处理一个单一指标用以反映硫化矿石自燃倾向性的整体差异，在使用上可能也更加方便。常用于多个指标合成的方法见表2；应该根据具体情况选用合适的合成方法，从指标评价值之间的数据差异大小和评价指标重要程度的差别大小两个角度加以确定。要实现准确鉴定硫化矿石自燃倾向性的目的，需要建立合理的判定指标体系，过多或者过少的指标要么导致评价困难、评价成本增加，要么难以反映矿石自燃规律而不具有应用价值。考虑到硫化矿石的自燃倾向性是其内在特性表现之一，在对硫化矿石自燃倾向性进行鉴定所进行的自燃过程模拟时需要尽可能消除外在因素的影响，相关文献基于此理论对硫化亚铁进行了绝热氧化实验，得出其氧化动力学参数，用以判定硫化亚铁的自燃倾向性，由于该方法实验周期过长，而且实验效果不够明显，故不适合推广。根据前人对硫化矿石自燃过程的特点及其自燃倾向性指标相关性研究结论，低温下矿石的吸氧率与增重率有很好的相关性，而且能很好地反映硫化矿石的低温氧化特性。因此，选取增重率、自热点、自燃点三个最具代表性的指标用来判断硫化矿石的自燃倾向性。其中，自燃点、自热点能反映矿石从氧化放热发展到自热、自燃的难易程度；增重率反映矿石的低温氧化特性。所以，实现硫化矿石氧化增重、自热点、自燃点三个参数的有机合成，对于正确判定硫化矿石自燃倾向性有着十分重要的意义。

表2 多指标合成方法的比较

为了权衡氧化增重、自热点及自燃点三个指标对硫化矿石自燃过程的影响程度，需引用权数对其进行区分。权数是指各个指标对总判定的作用效果，确定指标权数的方法通常包括客观赋权法和主观赋权法，客观赋权法是指借助矿样的数据所隐涵的信息，经统计分析所得出指标权数，如主分量分析法、灰色决策法等；主观赋权法是指一种专家系统法，依靠各位判定专家的知识和主管经验，如层次分析法、模糊聚类法、专家打分法、评价区间统计法等。将选取的指标参数按照其重要程度分别乘以相应权数再进行平均值处理，这样有利于更好更全面反映矿石的自燃特性。硫化矿石低温氧化阶段对自燃过程的发展尤为重要，根据试验结论及经验，取氧化增重指标的权数为0.5，由于某些矿石在不发生自热的情况下很难自燃，故取自热点的权数为0.3，而自燃点的权数为0.2。

线性加权综合法适用于相互独立的各个评价指标，各评价指标对综合评价水平几乎无影响，可使各评价指标之间获得线性补偿，计算简便，便于推广；而且加法合成法能较好地体现各评价指标间的权重关系，并且要求各评价指标相互独立，因此采用加法合成法对氧化增重、自热点及自燃点三个指标进行合成。

3 判定指数的计算

加法合成法要求对矿样的三个参数进行无量纲化处理，为了能反映各指标之间的权重关系，应保证处理后的无量纲数整体平衡。极值处理法、标准化处理法及功效系数法满足的性质最多，因而相对于其他方法也更优良，故选用极值处理法对硫化矿石的三个特征参数进行无量纲化处理，如式（1）。

其中，xij为各指标值；xmin为各指标的最小值。

通过对大量测试矿样的统计分析，取x自热点=60℃；

由于纳入评价指标体系的每一个指标与评价目标之间都应呈高度相关性，而综合评价指标体系中的每一个指标又有正形式、逆形式与适度形式的归属，必须将指标同趋势化。硫化矿石的氧化增重率为正形式，而自热点及自燃点为逆形式，故需将氧化增重指标从正形式变换成逆形式，即转向式逆变换。其有“差式”与“商式”两种，商式逆变换是通过正逆指标的互反关系而确立的一种逆变换方式，即

其中，C 为正常数，通常取C=1，则有式（3）

商式逆变换是实践中最常用的一种逆变化方式，只要变化前的指标不为零值就可实施，故用该方法进行氧化增重的正形式变换[26]。

在对三个指标进行无量纲化及对氧化增重率进行转向式逆变换后，硫化矿石自燃倾向性综合判定可采用加法合成模型。设有n 个评价单元，每个单元有m 个评价指标，wj为第j 个指标的权重，xij表示第i 个单元的第j 个指标的单项评价值；则第i 个单元的指标评价值I 可表示为式（4）：

由此，硫化矿石自燃倾向性的综合判定指数计算式见式（5）：

其中，I1为氧化增重率；I2为矿石的自热点；I3为矿石的自燃点；W1为氧化增重的权数，W1=0.5；W2为自热点的权数，W2=0.3；W3为自燃点的权数，W3=0.2。按照上述方法，可得出不同矿样的综合指数，进而建立硫化矿石自燃倾向性鉴定分类标准，分别见表3、表4，而各指标的测定条件及规范见表5。

表3 某硫铁矿矿样自燃倾向性测定结果

表4 硫化矿石自燃倾向性分类鉴定标准

表5 各参数的测试条件参考规范

4 结论与展望

进行硫化矿石自燃倾向性评价及分类对指导高硫矿山防灭火工作、降低国家资源损失、确保矿井安全生产等具有重要意义。至今国内外学者研究硫化矿石自燃倾向性判定还比较少，到目前统一的硫化矿石自燃倾向性分类标准还没有，这与金属矿山安全、高效开采的发展前景是不符的。文章根据硫化矿石自燃过程特征，指出了我国现行硫化矿石自燃倾向性鉴定不足之处并提出了对其自燃倾向性指标进行选择的基本要求。①由低温氧化、自热、快速燃烧三个阶段构成了硫化矿石的自燃过程，硫化矿石自燃倾向性判定应以其自燃全过程为研究对象。②在综合分析指标合成方法的基础上，确定了硫化矿石的氧化增重、自热点及自燃点各指标的权重，采用加法合成法对三者进行了合成，得到硫化矿石自燃倾向性的综合判定指数。③提出了以硫化矿石自燃倾向性的综合判定指数为划分依据的硫化矿石自燃倾向性的分类标准，用该方法对现场矿山进行评价，将评价结果与实际情况相比较，通过现场反馈进一步修正和完善硫化矿石自燃倾向性的分类标准；从而将此标准在全国范围内推广应用。

[1]吴超,阳富强,郄军芳.硫化矿石动态自热率测定装置及其数值模拟[J].科技导报,2009,27(1):74-79.

[2]《采矿手册》编辑委员会编.采矿手册[M].北京:冶金工业出版社,1991:278-291.

[3]叶红卫,王志国.高硫矿床开采的特殊灾害及其发生机理[J].有色矿冶,1995(4):38-41.