【摘 要】
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自燃爆炸是金属硫化矿山开采中所面临的灾害之一,往往是由于黄铁矿（Fe S2）、磁黄铁矿(Fe0.875S)等高活性硫化矿物氧化自热导致。目前,关于黄铁矿自燃机理、矿石堆自燃预测预报技术以及矿山防治研究较为全面,但关于黄铁矿粉尘爆炸的相关报道较少,且黄铁矿非纯物质,常与多种硫化物以及氧化物共生,黄铁矿与任意一种伴生物之间相互作用都可能改变爆炸性质。因此,本论文在课题组前期研究基础上,开展了黄铁矿、磁
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“磁黄铁矿促发金属矿井硫化矿尘云爆炸的动力学模型研究（51874149）,2019.01-2022.12；
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自燃爆炸是金属硫化矿山开采中所面临的灾害之一,往往是由于黄铁矿（Fe S2）、磁黄铁矿(Fe0.875S)等高活性硫化矿物氧化自热导致。目前,关于黄铁矿自燃机理、矿石堆自燃预测预报技术以及矿山防治研究较为全面,但关于黄铁矿粉尘爆炸的相关报道较少,且黄铁矿非纯物质,常与多种硫化物以及氧化物共生,黄铁矿与任意一种伴生物之间相互作用都可能改变爆炸性质。因此,本论文在课题组前期研究基础上,开展了黄铁矿、磁黄铁矿、黄-磁混合物爆炸强度实验,应用热重分析仪研究了上述反应物在热反应过程中的物理、化学性质,进一步揭示了磁黄铁矿影响黄铁矿爆炸强度参数的内在原因,并利用热力学分析软件对可能存在的化学反应过程进行了验证。研究内容如下:（1）采用X射线衍射仪（XRD）、X荧光分析仪（XRF）、扫描电镜（SEM）、激光粒度分析仪对爆炸实验与热分析实验所用矿物进行表征,分析矿物的物相组成以及含量,表征爆炸实验所用黄铁矿、磁黄铁矿、黄-磁1:1混合物的微观形貌。矿样中S元素含量大于40%,累计粒度分布为90%对应的粒径小于35μm,满足硫化矿尘爆炸要求。（2）采用20 L爆炸球对黄铁矿、磁黄铁矿、黄-磁混合物的爆炸压力进行实验,采用XRD表征黄铁矿、磁黄铁矿、黄-磁1:1混合物爆炸后产物的物相组成,利用爆炸前后物相组成建立爆炸化学反应方程式,并根据盖斯定律、卡斯特热容法分别得到了上述反应物的定容爆热VQ、理论爆温BT。结果表明当黄铁矿、磁黄铁矿中有效成分均大于90%时,混合物爆炸强度均为0.3 MPa,混合物的最大爆炸压力上升速率随磁黄铁矿含量增大呈波动不规则变化,且黄铁矿中掺杂磁黄铁矿时爆热、爆温均会降低。（3）利用热重-差热分析仪研究空气气氛下黄铁矿、磁黄铁矿、黄-磁混合物的受热反应特性,结合热分析曲线中质量损失率以及吸/放热峰推断了可能发生的化学反应;采用Malek-Achar法与Malek-（Coats-Redfern）法分别确定不同反应阶段的最概然机理函数以及热动力学参数值。结果表明Achar法能更好的描述上述反应物的热分解以及氧化动力学过程,黄-磁混合物中磁黄铁矿主要通过吸氧改变氧化薄膜厚度以及竞争热量两种途径来影响爆炸强度参数。（4）采用Factsage热力学分析软件基于最小吉布斯自由能原理模拟了黄铁矿、磁黄铁矿、黄-磁混合物的化学反应过程与平衡产物。结果表明存在4个反应过程,其最终产物均为SO2、Fe S、Fe3O4与微量S2气体,与实际爆炸产物大体一致,证实了黄铁矿、磁黄铁矿受热产物种类相同,黄-磁混合物中磁黄铁矿更多通过竞争氧气影响黄铁矿热分解化学反应速率,从而控制产物生成量。
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