井下含硫铁矿床预防自燃与自燃后治理

满 鹏

(湖南宝山有色金属矿业有限责任公司，湖南郴州 424402)

湖南宝山有色金属矿业有限责任公司在井下开采过程中，曾经多次出现在留矿法采矿的采场内，矿石存放太久而发生自燃的现象。在2014年就出现过一次由于矿石含硫铁矿较高最终导致自燃，使得采场产生毒气与温度较高，影响采场正常生产约3个月，2015年，其北部－150中段523采场也出现同样情况，但是预防与治理较为及时，最终并未影响生产太久。其主要危害如下:(1)在安全方面:高温与大量毒气对人体伤害极高，特别是产生毒气后，采场内氧气与水分含量极度降低，人员进入采场导致呼吸困难，严重者死亡，此作业环境极度不安全;(2)在生产方面:采场内发生自燃，其治理时间很长，上述影响3个月的情况是采场内发生自燃前就进行了预防，即是治理时间在3个月以上，影响了出矿量与采矿量，如果将采场内矿石出完，将会使得采场下一步施工很困难，同时为下一步采矿做采切工程又会浪费大量时间与成本。为了减少此种情况，不影响作业人员施工安全，保证施工进度，保证正常生产主要在于“怎么预防自燃”与“自燃后怎么治理”，下面将在这两方面进行研究。

1 自燃

1.1 自燃原因

该公司采场自燃主要原因是通风未达到要求、采场矿石含有大量硫铁矿、采场内矿石堆放过久、底部结构不合理等。

1.1.1 通风原因

在布置采矿工程过程中，需要施工以下工程:人行天井2条、充填井1条(可以兼着溜矿井)、联络道6到10条不等、切割巷。以上工程可以形成一个局部的通风系统，无法达到要求时，也可采取安装局部风机的方法加大风流量。但是在采矿过程中可能会堵塞某些通风口，从而降低了通风量，使得采场内通风系统无法正常运行，从而使得采场内污风与热量无法正常排出;另外，在压矿过程中，不能够每次都将采场内存矿出完，有的底部矿可能存放很长一段时间，这种情况下即使采场内有一个良好的通风系统，但是风流无法流过其矿石堆将污风与热量带走，特别是在含硫铁矿较高的采场。所以含硫铁矿较高采场自燃可能性极大，采场采矿方法与采场风流示意图如图1所示。

由图1可知:当风流到堆矿处，风流直接就流入充填井中，不会流入矿堆里面，从而无法带走矿堆热量与毒气。

1.1.2 底部结构原因

该公司大多数铅锌矿采场都采用留矿法采矿(有底柱、无底柱)，此采矿方法其采场内矿石存放时间都很长，如果含硫铁矿较高时，其自燃可能性大，如果采场内通风条件不好，自燃可能性将又加大。如图1所示，如果压矿时间较长，其风流不经过矿堆，同时又不流入矿堆，其硫铁矿产生的热量与污气将极难随风流带走，极易发生自燃。

图1 采矿方法图与采场风流图

1.2 自燃原理

在采场自燃过程中，主要引起自燃的岩石是硫铁矿。

1.2.1 硫铁矿介绍

硫铁矿主要化学成分为FeS2，一般为浅黄铜色，强金属光泽，不透明，在与空气接触后，同时温度达到一定高度情况下就会发生自燃。在地下矿山中，含硫铁矿较高的采场内在采用留矿法采矿的过程中，其底部温度升高很快，采场在未做预防措施情况下极易发生自燃。

1.2.2 硫铁矿放热过程

硫铁矿自燃后释放热量加快化学反应，其自燃过程中主要化学反应过程如下:

当过量空气系数＞1%时有下面反应:

当空气供应不足时，有下列反应发生:

在上述系列反应中，释放出大量有毒气体与热量。其中有毒气体主要是指二氧化硫，对人体伤害极大;从上述化学式中可以看出，其大多数化学反应是放热反应，并且放出的热量极大，这些热量的积聚可以引起硫铁矿的自燃，存放越久，温度升得越高，自燃强度将越大。

1.3 影响自燃的因素

影响硫铁矿自燃的因素很多，井下含硫铁矿采场主要影响因素是:含氧量、采场温度、水、矿石块度、出矿过程与出矿顺序、回风量与风速、采场出口数量、采场二次破碎次数与炸药量。

2 自燃预防措施

2.1 分析矿物中硫的含量并及时进行调整

在硫铁矿发生自燃的过程中，自燃可能性与含硫量有着很大关系，见表1。

表1 自燃可能性与含硫量关系表

通过表1可以看出，当采场内含硫量低于15%时，自燃可能性不大，但是矿石性质可能发生变化，使得含硫量增高，从而使得矿石自燃可能性增大。当含硫量增大到20%以上后，就不应该继续压矿，应当适当出底部矿(因为底部矿存放时间较长，温度较高，发生自燃可能性最大)，从而降低自燃可能性。

2.2 加强采场温度控制、缩短采矿周期

在自燃过程，当温度升高到物质自燃点时就会发生自燃，所以对采场内温度的监测与控制也是非常关键的。公司采场含硫铁矿较高，同时采用留矿法的采场温度极易升高，因为采用留矿法，采场内矿石底部矿存的时间相对最长，从而使得采场底部温度最高，热量又极难散出去，最终会导致整个矿堆温度都会升高。所以及时在监测到采场温度太高时，应当优先将采场内底部存矿装出。对此，建议多装振动斗，这样才能使得出矿按照由下向上的顺序。缩短采矿周期，可以有效缩短矿石存放时间，从而需要增加采场充填次数，对此可以对规模较大、含较高硫铁矿的采场进行分析，合理缩短采矿周期。

2.3 加强通风、建立良好的通风系统

影响硫铁矿自燃最主要的因素是含氧量与风流量。对于含硫铁矿较高的采场，防止自燃最关键在于建立良好的通风系统。在采场内风流量高，加快了采场内污气排放与热量的散失，可以将硫铁矿发生聚能反应产生的污气与热量更快地稀释掉，从而排出采场。采场必须要有良好的通风系统，尽量建立多而合理的进风与出风口，加大风流量，对一些风流量较小的采场应当装上抽出、压入式风机来提高风流量与风流速度。对建立该采场通风系统，笔者认为必须先施工好1#人行天井、2#人行天井、充填天井，然后施工每层联络道、切割巷，在回采过程中，应当控制采场内存矿量，避免将采场内安全出口与通风口堵死。

2.4 控制矿石块度

在采场内，公司对矿石块度大小都有很明确的要求，矿石块度要求不得大于600 mm×600 mm。但是在含硫铁矿较高的采场中，块度对采场内矿石自燃也有很大影响。矿石块度与自燃可能性的关系是:(1)单位矿石块度越小，暴露面积就越大，从而与空气接触面积就大，自燃可能性加大;(2)单位矿石块度越大，暴露面积就越小，从而与空气接触面积就小，自燃可能性就小。对此，建议在采矿过程中，应当控制块度，在允许范围内块度不应该过小，但是为出矿方便与选矿厂选矿，也不应过大，建议大多数控制在200 mm×200 mm到500 mm×500 mm之间，尽量减少粉尘矿。

2.5 减少二次破碎、严格控制大块

公司很多采场在采矿过程中都存在大块很多的现象，采场内经常需要进行二次爆破，二次爆破过程中会产生大量热量与大量污气，从而使得含较高硫铁矿的采场自燃可能性加大。对此，采场回采矿体的过程中应当将炮孔适当布置得过密一点，减少爆破过程产生大块的现象，严格控制好大块块度。

2.6 改造采场底部结构

公司现今部分含硫铁矿较高的采场采矿方法是无底柱留矿法，采场最先压下来的矿最后出，最终导致采场底部存矿接触空气少、温度升高快、自燃可能性加大，所以建议采场尽量采用有底柱采矿法，这样可以先将采场底部矿放出，使得所有矿总体存放时间缩短。

3 自燃后治理

在采场内硫铁矿自燃后主要危害因素是:有毒气体与温度过高。

3.1 有毒气体治理

采场内硫铁矿自燃后产生的有毒气体主要是SO2，所以要治理就是如何降低二氧化硫含量，可以加大风流量将毒气稀释，同时可以利用 CaO或NaOH将其中和掉，但是NaOH与二氧化硫会产生水，可能会使得硫铁矿自燃得更快，所以采用CaO进行化学治理较好，反应式是:2CaO+2SO2+O2=2CaSO4，产物比较稳定，但是对氧气的需求量大，所以在治理过程中尽量加大风流量，使得有足够的氧气供其反应，所以CaO可用于治理有毒气体，具体实物建议采用生石灰。这样可以保证安全，促进生产。虽然生石灰可以治理毒气，但是在后期出矿过程中其反应产物会产生大量粉尘，在最后出矿过程建议适当洒水同时做好防治粉尘的保护措施。

3.2 温度过高的治理

对温度的治理不能够在未进行出矿的过程中进行洒水，所以剩下的就只有加大风流速度与风流量将热量带走。但是在出矿过程中可以进行适当洒水来降低温度，在洒水后，必须撤出到安全区域，待风流将毒气带走后，采场内安全系数达到要求的情况下才能继续进行作业;在采用了生石灰治理毒气后，由于底部散热缓慢，可以在局部出矿区域适当洒水以加快散热。

4 结论

总体来说，通过以上分析研究，可以得出如下结论:

1.通过分析矿物中硫的含量与温度的监测可以有效地分析出采场安全系数;通过建立良好的通风系统与加强通风、缩短采矿周期、改造采场底部结构、控制矿石块度、控制大块可以有效减少矿石堆放时间，从而降低自燃可能性。只要将预防措施做好，其自燃可能性将大大降低。

2.通过生石灰的与二氧化硫反应，同时在加大风流与建立良好通风系统的情况下，基本上可以把毒气除去到安全含量范围内;而加大风流与建立良好通风系统，同时加上局部出矿时洒水基本上可以将温度降低到作业要求温度范围内。通过以上方法，不但保证了作业过程中施工安全，同时也促进了生产，使得采场停采时间大大缩短。所以采用以上方法来治理自燃较为合理。

以上两方面做好，将可以做到降低采场自燃可能性，自燃后将提高治理效率，减少此类采场对安全与生产的影响，从而使得回采效率提高。

［1］ 张虹，张春生.黄铁矿自燃机理及其预防［J］.铜业工程，2014，(3):53 －54.

［2］ 黄跃军.高温高硫矿床矿石自燃性及防治技术研究［J］.有色矿冶，2000，16(1):13 －15.