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2020-07-16
Series No. 528  
June 2020  
METAL MINE  
总第 528 期  
2020 年第 6 期  
某矿山硫化矿堆自燃过程温度场时效分析  
张建华 叶永喜  
1  
武汉理工大学资源与环境学院,湖北 武汉 430070)  
针对某铜矿山硫化矿石的堆放,解决其硫化矿堆自燃的安全问题。考虑堆积体内部硫化矿石自身的氧  
化生成热、绝热温升 2种升温模式,利用 ANSYS建立矿山常用的靠侧壁三角形和平坦地基上梯形 2种堆积体的温度场  
模型,研究 2种堆积方式同体积下硫化矿石堆内部温度场及自燃区域随时间的变化规律。通过计算模拟,获得堆积体  
内部不同时刻温度场分布图、自燃区域分布图。研究结果表明采取防治措施应在日升温为 6 ℃以前的阶段;相同体积  
下表面积更大的矿堆形状,内部升温速度更慢、自燃时间更短。根据研究结果推荐采用梯形堆放方式,以及相关防治  
措施。  
关键词 硫化矿堆自燃 温度场 升温曲线 自燃区域  
中图分类号 TD714  
文献标志码 A  
文章编号 1001-1250(2020)-06-210-06  
DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202006033  
Time-effect Analysis of Temperature Field during Spontaneous Combustion of  
Sulfide Ore Reactor in a Mine  
2
Wang Ming Zhang Jianhua Ye Yongxi Huang Gang  
School of Resources and Environmental EngineeringWuhan University of TechnologyWuhan 430070China)  
Abstract In view of sulfide ore stacking in a copper minethe safety problem on spontaneous combustion of sulfide ore  
stack should be solved. Considering the two heating modes of oxidation heat and adiabatic temperature rise of sulfide ore in  
the depositsand with use of ANSYSthe temperature field models for two kinds of deposits are establishedthat is triangle  
near the side wall and trapezoid on flat foundationwhich are commonly used in minesto study the variation of temperature  
field and spontaneous combustion zone with time in the same volume of sulfide ore stack under two kinds of deposit modes.  
Through the calculation and simulationthe temperature field and the spontaneous combustion area distribution map at differ?  
ent time inside the deposit are obtained. The results show that the prevention and control measures should be taken before the  
daily temperature rise of 6 ℃. The shape of ore heap with larger surface area under the same volume has slower internal tem?  
perature rise and shorter spontaneous combustion time. According to the research resultsthe trapezoidal stacking mode and  
its related prevention measures are recommended.  
Keywords Spontaneous combustionTemperature fieldHeating curveSpontaneous combustion area  
硫化矿石的自燃发火问题是开采含硫矿床的矿  
山企业生产中需要预防和可能遭受的灾害问题。通  
过相关数据统计分析发现,国内具有含硫矿石自燃  
安全隐患的金属矿山在所有矿山企业中占比高达  
的巨额经济损失的同时产生众多不可忽视的安全隐  
[4-8]  
患及环境问题  
[7-10]  
关于硫化矿石的自燃问题  
,国内外学者从多  
种学科研究角度做了细致的探究。多种研究方法都  
2
0%,其中大部分矿山都出现过不同程度的含硫矿石  
[1-3]  
被研究人员用于硫化矿石自燃问题研究。例如统计  
[11-12]  
自燃火灾事故 。硫化矿石发生自燃火灾会导致矿  
山企业的正常生产运作系统产生中断,造成自燃区  
域内大量矿石的损失,并在氧化自燃时生成大量具  
有腐蚀性的气体。因此,自燃火灾给矿山企业造成  
学在硫化矿石自燃危险性评价  
中被广泛应用,饶  
[13]  
运章等 建立硫化矿石堆氧化自热温度的 GRNN 神  
经网络模型,以含硫量、矿石块度、升温梯度作为试  
验影响因素来研究硫化矿石堆氧化自热温升速率,  
收稿日期 2020-021-92944。  
作者简介  
·
210 ·  
明等:某矿山硫化矿堆自燃过程温度场时效分析  
2020年第6期  
14]  
2
2
2
最终预测误差为 3.51%;文虎等 将复杂的传热模式  
利用有效导热系数法简化为矿石间的导热问题,利  
用 COMSOL Multiphysics 数值软件对硫化矿石堆孔隙  
间具有不同流速的空气对硫化矿石堆温度场所产生  
?T  
?t  
? T ? T ? T  
Qˉ  
=
α
+
+
+
,
(1)  
2
2
2
(
)
?x  
?y  
?z  
ρc  
式中,ρ为矿石材料密度;c为矿石材料比热容;T为外  
λ
ρc  
界环境温度;t为时间;α=  
为有效导热系数;λ为导  
15]  
的影响规律进行数值仿真;潘伟等 运用 ANSYS、  
MATLAB数值软件分别对硫化矿石堆自热过程、采场  
硫化矿石堆风流场分布情况及 SO2、O2 浓度随时间的  
变化趋势进行了模拟研究并建立了硫化矿石堆的二  
维多孔介质模型。  
ˉ
热系数;Q为单位时间单位体积矿石释放出的热量。  
在式(1)中 Qˉ只考虑硫化矿石自身氧化时所释放  
的热量,即  
?θ (t  
) = ρcθ  
0 ?f  
(
?t  
t
),  
Qˉ = ρc  
是硫化矿石堆积体的中心区域绝热温升负  
(2)  
?
t
上述研究对影响硫化矿石自燃的各种因素已经  
做出较多论述,但实际矿山生产过程中硫化矿石的  
自燃问题最有效的解决方法,是在矿石到达自燃点  
之前升温较小阶段采取防治措施。故针对矿山实际  
状况,研究硫化矿堆温度场随时间的变化,对于相似  
矿山的生产安全工作具有指导意义。本研究根据矿  
山实际生产状况建立 2种最为常见的硫化矿堆模型,  
利用 ANSYS 对其内部温度场的状况以及自燃区域进  
行模拟,研究矿堆升温曲线以及自燃区域动态变化,  
探明堆积过程变化规律。  
式中,θ  
(
t
)
指数函数方程;θ0 为硫化矿石最终绝热升温时温度。  
将式(2)代入式(1)中,可得在仅考虑矿石材料氧化  
热的等效热传导方程,即:  
2
2
2
?
T
? T ? T ? T  
2
+ θ0 ?f (  
?t  
t
) .  
t =  
α
+
+
(3)  
2
2
(
)
?
?x  
?y  
?z  
在此基础上则将硫化矿石堆积体温度场计算分  
析问题转变为在设定的初始条件及边界条件下对函  
数(3)求值的硫化矿石堆积体温度场计算分析问题 。  
由设定的边界条件,利用有限元数值分析法将式  
1
工程概况  
3)所在求解区域内进行离散化处理,最终得出该热  
缅甸莱比塘铜矿是一座位于缅甸联邦西北部实  
2
传导问题的有限元求解方程。  
皆省南部的大型露天矿,矿区面积约 32.73 km 。矿  
山年计划采剥量 7 000 t,台阶高度为 15 m,坡面角  
?
T
[
K
]
{
T
}
+
[
C
]
=
]
{
F
}
,
(4)  
(5)  
{
}
?
τ
7
0°,钻孔直径为 250 mm。在 L45-2088 炮区施工时,  
T
[
C
]
=
D
ρc  
[
N
] [  
N
dΩ,  
炮孔附近矿堆陆续出现冒烟现象,导致炸药自燃,炮  
区装填重铵油炸药的炮孔共计 41 个,发生炸药自燃  
的共计 20个。发生炸药自燃的区域属于含黄铁矿区  
域;发生炸药自燃炮孔与其他含黄铁矿区域炮孔对  
Ω
T
T
[
K
]
=
[
B
] [  
][  
B
]
dΩ +  
β
[
N
] [  
N
]
dΓ,  
Ω
Γ
6)  
T
T
T
2
+
ˉ
比发现该区域硫化矿石 Fe 、S离子含量相差不大,但  
其 pH 值相对更低,最小值为 2.89。初步判定炸药自  
燃原因为该爆破区域内矿堆的黄铁矿矿石接触空  
气、水发生预氧化或氧化反应释放出一定的热量,导  
致附近装药炮孔内的温度上升。当装入重铵油炸药  
时,热量积累,导致炸药自燃、炮孔冒烟。由此可见  
该矿山硫化矿石堆其自燃倾向性很大,模拟研究其  
矿堆堆积时温度场变化规律对矿山生产有重要的意  
义。  
{
F} = ∫  
Q
[
N
]
dΩ -Γq  
q
[
N
]
dΓ + βTα  
[
N
]
dΓ,  
q
Ω
Γ
(8)  
(9)  
ù
7)  
?
é
ù
ú
ú
ê
ê
?
x
ê
ú
ú
ú
ú
ê
?
ê
ê
[
B
]
=
[
N
]
,
ê?y ú  
ê
ú
ê
ú
ê
ú
?
ê
ú
ê
ú
??z ?  
[
D
]
= λI,  
2
岩石热传导理论  
式中,  
[
N
]
=
[
Ni,Nj,···,N  
]
为单元型函数。  
r
研究主体为多孔散体介质的硫化矿石堆,且矿  
式(4)中对任意时间τ均成立设:  
石堆自身含有内热源。矿石堆内部热源为硫化矿石  
自身发生氧化时所生成的热量。在硫化矿石堆放的  
环境下,其内部与周围堆积岩体及环境之间矿石材  
é
?T  
?T  
?τ  
ΔTn = Tn + 1 - Tn = Δτn êê?  
(
1 - s)( ?  
+ s(  
ú.  
)
)
ú
τ
n
n + 1  
?
[16]  
料氧化热的等效热传导方程满足  
(10)  
·
211 ·  
总第528期  
可得:  
2020年第6期  
温度类型,设初始地基及硫化矿石堆温度设定为  
7 ℃,矿石自燃点为 442 ℃;对 2 种模型进行网格划  
2
1
([  
K
]
+ sΔτ  
n [  
C
]
{
Tn + 1  
}
+
)
分时,基岩及硫化矿石梯形堆积体均采用四边形网  
格进行划分,三角形堆积体则采用三角形网格划分,  
2种模型网格划分如图 2所示。利用有限元法对模型  
进行计算求解,进行 2 次计算。将第 1 次计算求解时  
间步长设置为 86 400 s。第 2 次计算调整 ANSYS 计  
算分析时间步长为 7 200 s;仅对不同堆积形式数值  
模型中的硫化矿石堆部分的温度场重新进行数值计  
算。利用第 1次数值计算结果,将三角形硫化矿石堆  
积体从矿石堆积 300 h时开始计算至矿石堆积 480 h;  
梯形硫化矿石堆积体从矿石堆积 350 h 时开始计算  
至500 h。  
1
- s [  
1
1 -s s {  
K
]
-
n [  
C
]){Tn  
}
=
Fn  
}
+
{
Fn + 1  
}
,
11)  
(
s
sΔτ  
式中,  
{
Tn  
}
{
Fn  
}
{
Fn + 1  
}
均为已知量,  
{
Tn + 1  
}
为未知  
量,所以,式(11)为关于  
{
Tn + 1  
}
{
的线性方程组,求解  
可得出各节点在 τ=τn+1时的温度  
Tn + 1  
}
3
模型建立  
3
. 1 建立矿堆模型  
. 1. 1 硫化松散矿堆模型理论化假设  
对研究矿山的硫化矿堆,进行现场调研收集相  
3
关资料。分析相关数据,为了模拟的可实现性,在  
现场实际数据的基础上,对建立的模型做如下假  
设:所建立的硫化矿石堆模型的含水率为零;硫  
化矿石的密度及比热容为某一固定常量;硫化矿  
石材料均匀连续;在对模型进行温度场分析处理  
时,考虑堆积体内部硫化矿石自身的氧化生成热、绝  
热温升2种升温模式。  
3
. 1. 2 建立模型  
硫化矿石在采场中的堆积型式较为简单,一般  
状况下采用靠侧壁三角形和平坦地基上梯形 2 种堆  
积型式,在保证 2种堆积形式其体积相同的前提下进  
行比较分析。2种堆积形式几何模型如图 1所示。  
3
. 2 定义材料参数  
研究成果表明硫化矿石的氧化生热过程受到多  
种因素的影响,包括矿石中铁离子含量、温度、含水  
量以及空气中氧含量等的影响,复杂的变量使得学  
者无法根据现有成果对某一类矿石给出合适的温升  
曲线。故需对现场矿石进行勘察,将所有的样品参  
数进行处理。在进行模型的建立时,忽略堆积形状  
带来的一些模型参数的细微差别,使梯形矿堆和三  
角形矿堆模型材料参数保持一致,构建该矿山常用  
形状的硫化矿石堆数值模型时,选用最常见的黄铁  
矿石矿堆的堆积参数。模型的含水率为零,比热容  
在进行数值仿真分析时将基于 2 种硫化矿石堆  
积体的横截面建立二维模型对硫化矿石堆进行瞬态  
热分析。其中,2 种模型中与基岩接触边界均设置为  
及密度等参数为固定常数。  
3
最终取矿石密度 ρ  
3
为 2 700 kg/m ;基岩密度 ρ  
0
1
3
2 700 kg/m ;矿石堆密度ρK 为2 310 kg/m ;矿石比热容  
·
212 ·  
明等:某矿山硫化矿堆自燃过程温度场时效分析  
2020年第6期  
c0 为2.222 J(/ kg·K)基岩比热容 c1 为0.7 J(/ kg·K);基  
岩有效导热系数 λh 为4.0 W(/ m·K);基岩表面传热系  
2
β1 5.85 W(/ m·K);矿石堆孔隙率 n 32%;有效  
导热系数λh=0.001 3 T+0.037 3。内源热强度  
ì
8*07.95  
.03 , T* 125  
8
?
38.96 -  
8
1
+
(
T
97.26  
)
?
qv = í  
; (12)  
?
T* - 384.84  
, T* > 125  
)
?
-
2.93  
(
?
其中,T* 的单位为℃。  
其中,矿石堆内热源强度是一个关于温度的函  
数方程表达式;将该函数用 LM 算法拟合成一个关于  
[17]  
时间的函数 ,硫化矿石内热源强度是一个关于时  
间的分段函数,分为自热低温氧化、快速氧化、持续  
散热3个阶段。其函数关系如图 3所示。  
小,生成热较少,温度变化平稳而缓慢,堆积体内部  
温度场分布无显著变化。2 种堆积体的变化过程分  
别为:三角形堆积体堆积前 8 d 内,日均升温量为  
6
℃左右,到第 8 d后温度变化速率开始增加,此时温  
度场分布如图 5(a);梯形堆积体堆积前 10 d 内,日  
均升温量为 2.5 ℃左右,到第 10 d 后温度变化速率开  
始增加,此时温度场分布如图 5(b)。  
(2)堆积第 8 d至第 20 d,矿石氧化热量在内部不  
断聚集提升温度,氧化速率迅速提升,放热速率不断  
增大,最终到达矿石自燃点,发生自燃,随后温度降  
至自燃点下方。2 种堆积体的变化过程分别为:三  
角形堆积体从第 8 d开始,内部升温幅度变大,第 13 d  
时达到自燃点,到第 16 d时内部温度开始下降,当矿  
石堆积体到第 18 d 其内部最高温度开始低于硫化矿  
石自燃点,期间硫化矿堆内部最高温度为 578 ℃,此  
时堆积体内部温度场分布如图 5(c);梯形堆积体  
从第 10 d 开始,内部升温幅度变大,第 15 d 时达到硫  
化矿石的自燃点,到第 18 d 时内部温度开始下降,当  
矿石堆积体到第 19 d 其内部最高温度开始低于硫化  
矿石自燃点,硫矿堆积体内部最高温度达到 563℃,  
此时堆积体内部温度场分布如图 5(d)。  
在硫化矿石氧化自热低温氧化阶段,矿石氧化  
热生成速率低,此时内热源强度处于一个相对平稳  
阶段;在经过低温氧化阶段后矿石堆积聚了一定的  
热量,硫化矿石堆开始进入快速氧化阶段,该阶段硫  
化矿石氧化速率迅速提升,其自热幅度大大增加,当  
达到矿石自燃点时,硫化矿石便会发生自燃,其内热  
源强度显著升高;在硫化矿石经过持续数天或更长  
时间的燃烧后,硫化矿石堆基本全部被氧化,此时矿  
堆放热速率迅速下降,其内热源强度同样迅速降低。  
(3)在此之后,硫化矿石与氧气的化学反应进入  
末期,其放热速率逐渐降低,使得硫化矿石堆内部温  
度呈现下降趋势如图 5(e)、图 5(f),最终硫化矿堆放  
热反应基本完成,硫矿堆内部温度场不断与周围环  
境发生热交换,直至温度降至与周围环境温度大致  
相同。  
4
模拟结果分析  
4
. 1 堆积体内部温度场仿真模拟过程分析  
硫化矿石堆的自燃点,取决于硫化矿堆内温度  
最高点的大小,故研究矿石堆的温度场时,对矿石堆  
内温度各个时刻最高点着重进行分析。利用 ANSYS  
后处理器提取出 2 种堆积形式的硫化矿石堆数值模  
型各个时刻最高温度节点,所得 2种硫化矿石堆积体  
内部最高温度随时间变化曲线如图 4所示。  
图 4 为 60 d 内不同堆积形式硫化矿石堆内部最  
高温度随时间变化曲线,2 种堆积体的温度变化曲线  
趋势大致相同,变化规律如下:  
4
. 2 矿堆模型自燃区域变化规律。  
由温度场数值模拟结果确定硫化矿堆的自燃过  
程所经历的时间段,对该时间段内堆积模型自燃区  
域动态变化进行数值模拟,利用积分公式求出该时  
段内自燃区域的叠加面积变化曲线如图 6所示。  
由图 6 可知,三角形硫矿堆自燃开始时刻为第  
300 h,其自燃面积占模型面积比例为 0.02;在 456 h  
(1)矿石堆积的前 8 d 内,硫化矿石氧化速率较  
·
213 ·  
总第528期  
2020年第6期  
时,硫化矿石自燃面积所占模型总面积比例达到最  
大值 0.907,如图 7(a)。随后自燃区域叠加面积总占  
比稳定在该数值,硫化矿堆自燃持续时间约为 156 h。  
梯形硫矿堆在 348 h 时发生自燃,其自燃面积占模型  
面积比例为 0.055;在 448 h 时,硫化矿石自燃面积所  
占模型总面积比例达到最大值 0.812,如图 7(b)。随  
后自燃区域叠加面积总占比稳定在该数值;硫化矿  
堆自燃持续时间约为 100 h。2 种堆积体的自燃开始  
区域均在矿堆中央。  
利于延缓硫化矿堆到达自燃点的时间,降低自燃最  
高温度,减少自燃时间和自燃矿石损失量。  
1]  
. 硫化矿石自燃影响因素分析与实验研究[D. 重庆:重  
庆大学,2016.  
5
结 论  
Guo Hu. Analysis and Experimental Study on Factors Affecting  
Spontaneous Combustion of Sulfide OreD. Chongqing:Chongqing  
University2016.  
利用 ANSYS 对某铜矿硫化矿石堆进行数值模  
拟,根据该矿山的矿石种类以及其他相关参数建立  
模型计算后获得了该铜矿山硫化矿石堆积体在堆积  
时间内的温度分布云图,自燃区域面积大小及位置。  
数值模拟分析结果表明,矿山常用的 2种堆积方式的  
温度场变化规律大致相同,采取自燃防治措施的最  
佳时间在堆积前 8 d 之内;自燃发生区域在矿堆中  
心,因而对长期堆放的矿石需进行中心部位温度定  
期测定;使用梯形堆积这种表面积大的堆积方式有  
2]  
赵国彦,古德生,吴 超 . 硫化矿床内因火灾综合防治措施研究  
J.矿业研究与开发,20011:17-19.  
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·
214 ·  
明等:某矿山硫化矿堆自燃过程温度场时效分析  
2020年第6期  
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