Mechanism analysis of explosion reaction process of metal sulfide ore dust
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摘要: 金属硫化矿山存在粉尘爆炸的危险, 而爆炸反应过程机理尚需明确。通过热重分析试验, 了解金属硫化矿尘热反应过程；通过Factsage软件数值模拟, 半定量计算了热解产物, 验证了金属硫化矿尘热重分析结果的准确性；通过X射线粉末衍射仪表征, 分析了金属硫化矿尘在20 L球形爆炸容器中反应前后的物相。基于上述热重分析结果、物相分析结果, 及颗粒的气相、表面非均相燃烧理论, 重点建立了缩核—挥发分（shrinking core-diffusion limited volatiles explosion model, 简称SC-DLVC model）爆炸反应过程机理模型。归纳了当前粉尘爆炸动力学控制方程式及理论模型, 得到适用于金属硫化矿尘爆炸反应过程机理模型的方程式, 并提出今后修正方向。研究结果可为研究金属硫化矿尘爆炸的计算流体力学提供理论依据, 也可为预防金属硫化矿山粉尘爆炸提供理论支撑。Abstract: The mechanism of explosion reaction process needs to be clarified due to the danger of dust explosion in metal sulfide mines. The thermal reaction process of metal sulfide ore dust was understood through the numerical simulation of Factsage software. The pyrolysis products are calculated semi-quantitatively. The accuracy of thermogravimetric analysis results of metal sulfide ore dust is verified. The phases of metal sulfide ore dust before and after reaction in a 20 L spherical explosion container were analyzed by X-ray powder diffractometer. On the basis of the thermogravimetric analysis, phase analysis and the theory of heterogeneous combustion of particles in gas phase and surface, the mechanism model of shrinking core-diffusion limited volatiles explosion model (SC-DLVC model for short) explosion reaction process was established. The control equations and theoretical models of dust explosion dynamics at present are summarized, and the equations suitable for the mechanism model of dust explosion reaction process of metal sulfide ore are obtained, and the future correction direction is put forward. The research results can provide theoretical basis for studying computational fluid dynamics of dust explosion in metal sulfide mines, and also provide theoretical support for preventing dust explosion in metal sulfide mines.
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Keywords:
- metal sulfide ore dust /
- explosion /
- mechanism /
- thermogravimetric analysis
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随着浅部矿产资源的逐步枯竭，地下深部开采越来越受到广泛的关注[1-4]. 由于矿体埋藏深度大，井下围岩处于高应力状态，在开采扰动作用下，应力重新分布，并在开挖区表面集中，当应力集中到一定程度后，围岩就会以各种形式发生破坏，最终造成井下安全事故的发生. 岩爆是深部硬岩矿山井下围岩破坏较为常见的一种形式[4-12]，岩爆的发生不仅会对井下的人员、设备、材料造成威胁，还会促使井巷初期支护结构的失效，导致地下采场结构的破坏. 因此，科学研究深井矿山中岩爆发生机理及其防治措施具有十分重要的意义. 关于岩爆的研究经历了很长的一段时间，也取得大量的研究成果. 杨莹春和诸静[13]提出运用可拓学的综合评价方法预测岩爆强度等级；Frid等[14]发现，在井下巷道顶板冒落之前，围岩微震信号的主频会由高频向低频发展；宫凤强和李夕兵[15]提出用距离判别分析方法预测岩爆及其烈度分级；徐林生和王兰生[7, 16]根据二郎山公路隧道在施工中岩爆发生的特点，总结出岩爆发生时的基本规律；王迎超等[17]首次将人工智能中的正态云模型引入到岩爆烈度的分级预测中，弥补了以往分级方法不能综合考虑指标模糊性和随机性的缺陷. 这些研究成果给实际矿山的岩爆预测预报和防治提供了新的思路和途径.
通过总结国内外学者在岩爆研究成果的基础上，对岩爆的发生机理及常用岩爆判据进行了归纳总结，发现当前的岩爆判据大体上围绕着3个方面进行研究分析，即岩体的物理力学性质、受力状态以及储能情况. 指出利用单一的判别指标进行岩爆预测存在的不足，岩爆预测应综合考虑多种判别指标.最后介绍实际矿山中几种常用的岩爆预测预报方法和防治技术，对岩爆矿山具有一定的指导作用.
1 岩爆机理及其预测指标
1.1 岩爆发生的机理
岩爆，又称为冲击地压[6, 18]，表现为深部硬脆性岩体在高应力条件下，岩体内存储的弹性变形能一部分用于克服自身黏聚力和内摩擦力的作用，使岩体发生脆性劈裂与剪切破坏，另一部分用于给破碎后的岩体提供动能，使岩块向临空面崩落或弹射出来，造成井下人员伤亡以及设备、材料的损坏[7, 18-20].
岩爆发生与岩体的内外因素有关[21]，具体可以分为5类，分别是岩体本身的物理力学性质、地应力、地质构造、地下水以及采矿工艺.岩体本身的物理力学性质是岩爆发生的内在因素，完整性好且性脆坚硬的岩体在相同条件下较一般岩体更易发生岩爆. 地应力是岩爆发生的外在诱发因素，在井下高应力条件下，岩体受压发生弹性和塑性变形，积累的变形能给岩爆的发生创造了必要条件. 由于各种构造运动的作用，开采中经常会遇到褶皱或是断层等，在这些构造带附近常容易发生岩爆. 地下水是一个很重要的因素，地下水具有软化岩体，降低其强度的作用，因此，一般发生岩爆的地方岩体都比较干燥. 采矿施工工艺的好坏对岩爆的发生有很大的影响，采场的结构特征、矿块的回采顺序以及施工时的爆破方法都会诱至岩爆的发生. 因此，对于矿井岩爆的研究，应在掌握岩爆发生机理的基础上，综合考虑岩爆发生的内外因素.
1.2 岩爆预测指标
目前，国内外学者在研究岩爆发生机理的基础上，提出多种岩爆判据，主要有E.Hoek判据、Wet判据、Wcf判据、T判据、K判据以及陶振宇判据等[7, 8, 13, 16, 19-23]. 通过对这些岩爆判据的研究分析，发现它们大体上都是围绕着岩体的物理力学性质、受力状态以及储能情况等3个方面进行研究分析的.
1）以岩体的物理力学性质进行岩爆的研究分析.K判据也即岩石脆性指数判据. 在实际工程中，岩石脆性的大小常用岩石的单轴抗压强度σc和单轴抗拉强度σt的比值σc/σt来度量，并认为这一比值越大，岩性越脆，在相同外部环境条件下也更容易发生岩爆，反之则塑性越大，更不容易发生岩爆.脆性指数K的岩爆判别标准为：
$$\left\{ {\matrix{ {K > 18} & {\left( 有强岩爆倾向 \right)} \cr {10 \le K \le 18} & {\left( 有弱岩爆倾向 \right)} \cr {K ＜ 10} & {\left( 无岩爆倾向 \right)} \cr } } \right.$$ (1) K判据能够很好地体现出岩石本身的物理力学性质对岩爆发生的影响，但缺乏对外界环境因素的考虑，特别是围岩应力状态对岩爆发生的影响，也没有体现出岩体发生岩爆时的能量来源.
2）以岩体的受力状态进行岩爆的研究分析.由于岩体所受的外部应力是引发岩爆的重要因素，因此，在E.Hoek判据、T判据和陶振宇判据中，都较为充分考虑外部应力状态对岩爆的影响. E.Hoek判据是将隧洞断面的最大切向应力σmax与岩石单轴抗压强度σc之比σmax /σc作为判断岩爆发生的指标，它既考虑了外界应力σmax的作用，又考虑了岩体自身性质σc的作用. 其岩爆判别标准为：
$${{{\sigma _{\max }}} \over {{\sigma _c}}}\left\{ {\matrix{ {0.34} & {\left( 少量片帮，Ⅰ级 \right)} \cr {0.42} & {\left( 严重片帮，Ⅱ级 \right)} \cr {0.56} & {\left( 需重型支护，Ⅲ级 \right)} \cr { > 0.07} & {\left( 严重岩爆，Ⅳ级 \right)} \cr } } \right.$$ (2) T判据是由Turchaninov提出的，它将硐室最大切向应力σmax和轴向应力σL两者之和与岩石的单轴抗压强度σc的之比（σmax＋σL）/σc作为岩爆发生的判据，考虑了3个因素的作用. 其判别标准为：
$$\left\{ {\matrix{ {} & {\left( 无岩爆 \right)} \cr {0.3 ＜ } & {\left( 可能有岩爆 \right)} \cr {0.5 ＜ } & {\left( 肯定有岩爆 \right)} \cr {} & {\left( 有严重岩爆 \right)} \cr } } \right.$$ (3) 陶振宇判据是在前人基础上，结合工程实践经验得出的. 它考虑了岩石的单轴抗压强度σc和岩体最大主应力σ1 2个因素的影响，并提出以σc/σ1作为判断岩爆发生的指标，判别标准为：
$${{{\sigma _c}} \over {{\sigma _1}}}\left\{ {\matrix{ { > 14.5} & {\left( 无岩爆发生，Ⅰ \right)} \cr {14.5 \sim 5.5} & {\left( 低岩爆活动，Ⅱ级 \right)} \cr {5.5 \sim 2.5} & {\left( 中等岩爆活动，Ⅲ级 \right)} \cr { ＜ 2.5} & {\left( 高岩爆岩爆，Ⅳ级 \right)} \cr } } \right.$$ (4) 从以上3个判据可以看出，国内外学者在岩体的受力与岩爆的发生关系上，主要考虑硐室岩体最大切向应力σmax、岩石单轴抗压强度σc、轴向应力σL以及岩石最大主应力σ1的作用，且最大切向应力σmax和岩石单轴抗压强度σc是学者们考虑最多的2个应力. 可知，以岩体的受力状态进行岩爆的研究分析，能够很好地考虑外界应力对岩体发生岩爆的影响，其不足之处在于没有考虑岩体本身的物理力学性质和岩体储能情况的作用.
3）以岩体的储能情况进行岩爆的研究分析. 岩体发生岩爆的能量来源于自身存储的弹性变形能，其能量一部分用于破碎岩体，另一部分用于给破碎后的岩体提供动能. 反映岩体存储能量的指标有弹性变形能指数WET和冲击能量指数WCF，因此有学者提出用这2个指标进行岩爆的研究分析，并得出相应的判别标准. 弹性变形能指数WET是指将岩石加载至其强度的80 ％～90 ％时，岩体内存储的弹性变形能Ee与塑性变形能Ep的比值Ee/Ep，其岩爆判别标准为：
$$\left\{ {\matrix{ {{W_{ET}} > 15} & {\left( 有强岩爆倾向 \right)} \cr {{W_{ET}} = 10 \sim 15} & {\left( 有中等岩爆倾向 \right)} \cr {{W_{ET}} ＜ 10} & {\left( 有弱岩爆倾向 \right)} \cr } } \right.$$ (5) 冲击能量指数WCF与WET相类似，不同之处在于WCF的求解是基于全应力-应变峰前、峰后曲线所围面积确定的，通过分析全应力—应变曲线峰值前所围面积E1与峰值后所围面积E2的关系来评价岩爆的冲击能量，并定义E1/E2为岩爆的冲击能量指数WCF，得到岩爆的判别标准为：
$$\left\{ {\matrix{ {{W_{CF}} > 3} & {\left( 有强岩爆倾向 \right)} \cr {{W_{CF}} = 2 \sim 3} & {\left( 有中等岩爆倾向 \right)} \cr {{W_{CF}} ＜ 2} & {\left( 有弱岩爆倾向 \right)} \cr } } \right.$$ (6) 弹性变形能指数WET和冲击能量指数WCF能够很好地解释岩爆能量的来源，但缺乏对岩石物理力学性质和外界应力的考虑，单一的利用岩体的储能情况进行岩爆的研究分析无法得到准确的结论，且对于冲击能量指数WCF而言，由于发生岩爆的岩体其岩性一般均较脆，室内实验下较难以获得该类岩石的峰后曲线，所以在实际应用中还有待改进.
通过以上的研究分析可知，目前对岩爆的研究主要围绕着岩体的物理力学性质、受力状态以及储能情况等3个方面展开. 由于岩爆的复杂性，各判别指标均能在一定程度上反映岩爆的发生情况，但都具有一定的局限性，无法全面的反映岩爆的真实情况[24]. 因此，在未来的岩爆研究中，综合考虑多种指标进行岩爆的研究分析将会是一种现实可行的方法.
2 岩爆的预测预报
由于深井矿山岩爆的发生，已严重威胁到井下人员设备材料的安全和施工进度，因此预防岩爆的发生变的越来越重要. 目前，在实际矿山中常用的岩爆预测预报方法多种多样，运用效果较好且具有研究前景的有声发射法[25-30]、微震监测法[2, 3, 8, 21]、电磁辐射法[8, 31]和钻杆扭矩法[8, 32]等.
1）声发射法. 在岩爆发生前，岩体内的微裂隙会发生不稳定的扩展，并伴随有声波能量的释放，产生声发射现象. 因此，在井下可先利用声发射仪探测可能发生岩爆的位置，再通过追踪岩体内声发射的频率及其发生和发展规律，以达到预测岩爆的目的. 声发射法是一种进行岩爆监测的科学、有效方法. 但是，目前对声发射的理论研究还不成熟，特别是在噪音的分离上难以达到令人满意的效果，且声发射法接收的信号频率较高，而弹性波在岩体内随着距离的增加衰减严重，有时不可避免地会因为信号衰减过低而无法被接收器检测到. 因此，声发射法不适用于大范围岩体的工程监测.
2）微震监测法. 微震监测技术是通过监测井下岩体的微振动信号来进行岩爆的预测预报. 在深井矿山开采过程中，由于井下高应力的存在，往往会诱发岩体的微振动，通过埋置在岩体内的传感器就可以很好的捕捉到这些信号，再经过数据处理，便可以很好地定位到震源的位置以及预测其发生、发展情况.目前，微震监测系统的定位精度已经可以达到10 m，且该技术在国外运用的较多，国内运用的要少些.
3）电磁辐射法.电磁辐射是岩体发生变形破坏时向外辐射出来的一种电磁信号，它与岩体的变形破坏密切相关. 在深井开采过程中，由于井下围岩处于高应力状态下，岩体发生挤压变形，发出电磁辐射信号，且信号的强度和脉冲次数反映岩体的应力集中程度以及岩体变形破坏的频率. 当应力集中程度越大时，电磁辐射能量也越强；单位时间脉冲次数越多，破坏频率也越大. 因此可以通过监测电磁辐射信号的变化情况来预测岩爆的风险程度.
4）钻杆扭矩法. 利用钻屑量法可以在一定程度上预测岩爆的发生，其缺点是无法准确地对岩爆的发生进行定量描述.为克服该方法的缺点，提出钻杆扭矩法来预测岩爆，它是在分析不同的围岩压力、岩体强度以及钻凿速度的基础上，通过观察钻杆扭矩力大小的变化来确定岩爆发生的区域，进而进行岩爆的预测预报.
3 岩爆的防治技术
目前，我国深井矿山在施工过程岩爆防治技术主要有撒水软化法、超前钻孔应力解除法、光面爆破法和动静组合支护法等[5, 18, 19, 21, 33-35]，各方法在岩爆的防治中都具有一定的效果.
1）撒水软化法. 撒水软化法主要利用的是水对岩体的损伤、软化作用，以此达到改善围岩的物理力学性质的目的. 通过经常在刚开挖的岩体工作面和巷道壁面上喷撒冷水，可以降低岩体强度，并使围岩发生塑性变形，以减小岩体内存储的弹性变形能. 该方法对于非坚硬岩体的岩爆防治效果较好，但对于具有高地应力的坚硬岩体而言，水的润滑作用也可能会触发井下“地震”的发生，其有效性是值得讨论的.
2）超前钻孔应力解除法. 超前钻孔应力解除法是在掘进回采之前，通过钻凿大孔径钻孔进行卸压，促使围岩应力向深部转移，降低工作面的围岩压力. 等到进行回采时，岩体内的应力已有所降低，故岩爆发生的强度及其可能性也就减小了.
3）光面爆破法. 由于在开采扰动和爆破震动的作用下，围岩体的完整性会受到极大的破坏，生成的爆破裂纹深度有时可达0.5～1.0 m. 在高地应力下，破碎的岩体极有可能崩落下来，引发岩爆的发生. 而光面爆破可以有效减少爆破裂纹的产生，改善围岩的承压能力，减少围岩的爆破损伤进而降低岩爆发生的可能性.
4）动静组合支护法. 在当前的矿井围岩支护理论中，静力学理论一直占据着主导地位，然而岩爆的发生机理不仅涉及到岩石的静力学问题，更涉及到岩石的动力学问题. 在岩爆矿山中，单一的依赖于静力学理论难以获得满意的支护效果，应综合考虑支护的动静组合作用，使支护结构在性能上不仅具备静载荷条件下的一切功用，还具有一定的让压能力，使其能够承受动载荷的冲击，从而极大地提高支护设备的生存能力.
4 结论
1）在总结国内外学者在岩爆研究成果的基础上，对岩爆的发生机理及其常用岩爆判据进行归纳总结，发现当前的岩爆判据大体上都是围绕着岩体的物理力学性质、受力状态以及储能情况等3个方面进行研究分析的，并在综合分析的基础上，指出了各单一岩爆预测指标在矿井岩爆预测中的不足，对深井矿山岩爆的预测预报应综合运用多种指标.
2）介绍了实际矿山中几种常用的岩爆预测方法及其防治技术，对指导实际矿山岩爆的预测预报及其防治具有一定的参考意义.
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图 1 金属硫化物矿尘颗粒的粒径分布
Fig 1. Diameter distribution of the metal sulfide ore dust particles
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图 3 10, 15, 20 ℃/min升温速率下C100的热重分析
Fig 3. Combustion of C100 at 10, 15, and 20 ℃/min heating rate, respectively
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图 5 金属硫化矿尘爆炸反应过程模型
Fig 5. The model of explosive reaction process of metal sulfide ore dust
表 1 金属硫化物矿样激光粒度分析结果
Table 1 Summary of laser particle size analysis results of metal sulfide ore samples
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