自燃钼镍矿矿渣内部温度分布特征及拟合研究.pdf
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1、Series No.566August 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第566 期2023 年第 8 期收稿日期 2023-04-24基金项目 贵州省地矿局地质科研项目(编号:黔地矿科201904 号,202220 号);遵义市地质环境治理恢复工程项目(编号:GZBS-2022-03)。作者简介 江攀和(1994),男,工程师,注册岩土工程师。通信作者 梁劲松(1982),男,高级工程师。自燃钼镍矿矿渣内部温度分布特征及拟合研究江攀和 陈 磊 张明思 唐 广 魏泽权 梁劲松(贵州省地矿局一 0 二地质大队,贵州 遵义 563000)摘 要 利用 K 型高温热电偶测试了自燃钼
2、镍矿矿渣不同深度的温度,基于反距离权重法(IDW)和统计学方法分别绘制了不同深度温度平面分布图及竖向温度曲线,分析了水平及竖向温度分布特征,查明了高温区分布及自燃趋势性最大的区域,初步确定了火源中心;建立了竖向温度一元三次函数拟合模型,根据相关系数、方差分析及测量误差理论,确定了研究区竖向温度最优拟合模型,采用 ZK5 实测温度值进行了验证。以上研究结果为研究区自燃钼镍矿矿渣的修复治理提供了技术依据。关键词 自燃 钼镍矿矿渣 温度分布 拟合 中图分类号TD75+.1,X753 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-08-291-06DOI 10.19614/ki.jsks.20
3、2308038Study on Temperature Distribution Characteristics and Fitting of Molybdenum-nickel Slag in Spontaneous CombustionJIANG Panhe CHEN Lei ZHANG Mingsi TANG Guang WEI Zequan LIANG Jinsong(102 Geological Brigade,Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources,Zunyi 563000,China)Abstract The tempera
4、ture of spontaneous combustion molybdenum-nickel slag at different depths was measured by K-type high temperature thermocouple.Based on IDW and statistical methods,the plane and vertical temperature curves of tem-perature at different depths were drawn respectively.The horizontal and vertical temper
5、ature distribution characteristics were analyzed,and the high temperature distribution and the largest spontaneous combustion trend area were identified.Based on the correlation coefficient,analysis of variance and measurement error theory,the optimal fitting model of vertical temperature in the stu
6、dy area was established,and verified by the measured temperature of ZK5.The above results provide a technical basis for the remediation of moly nickel slag in the study area.Keywords spontaneous combustion,molybdenum-nickel slag,temperature distribution,fit 镍钼矿属黑色岩系多金属共生矿,成分较复杂,含有多种金属及非金属元素1-3,主要分布在
7、贵州遵义、湘西北、江西都昌、云南和浙江富阳等地。钼镍矿矿层主要产于寒武系下统牛蹄塘组底部黑色炭质泥页岩中,具有明显的硫化金属矿特征,矿体及附近常发育伴生黄铁矿,这种矿藏由于有机碳含量高而被称为“石煤”4-10。钼镍矿开采方式主要为井下开采,由于矿层薄,采掘比大,导致开采过程中钼镍矿矿渣较多,矿渣的发热量有 4 606.58 kJ,是标煤发热量的 15.73%,热值较高;以往不规范的开采,导致大量的钼镍矿矿渣露天堆积于斜坡或冲沟中,受到风吹雨淋,含有黄铁矿的钼镍矿矿渣极易发生氧化放热反应,使矿渣内部温度升高最终导致矿渣自燃,自燃的钼镍矿矿渣将会释放大量 H2S、SO2、CO 等有毒气体,威胁矿渣
8、堆周边民众的生命健康安全11-12。杜永吉等13以 280 煤矸石山为例,研究得出自燃煤矸石山温度水平分布无规律性,垂直方向由表及里先升高后降低;陈兵等14基于一元二次函数和指数函数的曲线拟合,建立了温度拟合模型,揭示出自燃煤矸石山内部温度的变化趋势;杜玉玺等15基于一元三次函数曲线拟合,建立了煤矸石山深部温度拟合最优模型,实现了自燃煤矸石山的火源定位及温度分布可视化;杨娜等16实测了煤矸石山不同深度的温度,建立了浅深层温度间的一元二次拟合模型,发现高温区主要分布在靠近边坡的一侧,表面 6.0 m 处192自燃倾向性最高;杨娜17对荫营煤矿自燃煤矸石成分进行了测试分析,煤矸石含有 Si、Al、
9、Fe、Ca、Mg、S等氧化物和 C,主要成分是氧化钙、二氧化硅以及氧化铁。由于我国目前对钼镍矿矿渣内部自燃温度场的相关研究较少,经采集研究区不同自燃状态的矿渣样化验分析,其矿物成分及元素含量与煤矸石主成分相近,同时含有提供自燃初期热量的黄铁矿。本文将借鉴煤矸石温度场研究相关内容,通过实测钼镍矿矿渣地表及内部温度,分析内部温度分布特征,基于最小二乘法建立竖向温度拟合模型,划定自燃趋势性较大的区域及初步确定火源位置,为后续钼镍矿矿渣自燃的防治提供技术依据。1 研究区背景研究区位于遵义市汇川区某钼镍金属矿矿渣堆北侧矿渣区域,该矿渣堆 2007 年开始堆填,2011 年停止堆填,纵向长约 150 m,
10、横向宽约 60 m,总面积为7 420 m2,其中平台面积为 3 597 m2,斜坡面积 3 823 m2,斜坡平均坡度约 26。由于地形条件限制,钼镍矿矿渣自然堆放于冲沟中,平台区轻度压实,斜坡区未经压实,这种堆积方式使得斜坡区矿渣堆受氧面积增大,容易发生自燃。2010 年在研究区发现钼镍矿矿渣存在自燃现象,矿渣堆表面出现臭鸡蛋气味的黑烟,2019 年底对该矿渣堆采取了覆盖法及注浆法处理,自燃基本得到控制,目前斜坡区及靠近斜坡的平台区域矿渣已完成自燃,但平台区内部矿渣温度仍在升高,依然存在自燃的可能性。2 现场温度数据采集方法及结果为真实准确地测量和预测钼镍矿矿渣内部温度,在矿渣平台区、斜坡
11、区及其交界处共布设了 10 个钻孔,钻孔位置分布见图 1。温度测量仪器主要使用 K型高温热电偶,由铠装线连接温度传感器及就地温度显示仪,测量温度范围为-101 000。各孔深度有所不同,温度测量间隔均为 1 m,本次实验有 ZK1 至ZK10 共 10 个测温点,首先测量每个测温点表层温度(0.1 m,矿渣表层平均覆土厚度约 0.5 m),为保证孔内温度数据测量的准确性,采用干钻法机械成孔,每钻进一米,间隔 30 min(降低干钻法钻头摩擦升温的影响),然后将温度传感器置入孔内测温点,停留约30 s 待温度数值稳定后读数,温度测量结果见表 1。已完全自燃矿渣岩芯呈暗红色或紫红色,自燃初期矿渣岩
12、芯呈黑色。图 1 钻孔位置分布Fig.1 Distribution of boreholes表 1 钼镍矿矿渣温度测量数据Table 1 Temperature measurement data of molybdenum-nickel slag钻孔编号不同钻孔测温深度下测点温度/0.1 m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 m10 m11 m12 m13 m14 mZK1133841475457565762636876ZK21959110141168186194220208ZK3203349646584ZK420435570687383120110ZK519435155687
13、8ZK61829488287ZK71719495361758687ZK8162136464853556164697175797370ZK9184258596159605859ZK102225272838404044485370725351 注:表示该孔矿渣处于自燃初期;表示该孔矿渣已完全自燃。3 温度分布特征3.1 水平方向温度分布特征温度是衡量钼镍矿矿渣自燃的重要指标,为了研究温度水平分布规律及划定自燃趋势性较大的区域,选择了测温点较多的 0.18.0 m 深度范围内的温度数据,经统计分析,0.18.0 m 温度数据变异系数分292总第 566 期 金 属 矿 山 2023 年第 8 期别为
14、 13.66%、34.84%、42.41%、47.43%、50.47%、54.54%、63.40%、66.75%、66.22%,一般变异系数小于 15%称为弱变异,15%36%为中等变异,大于36%为强变异18,反距离权重法(IDW)对较强变异性的数据插值效果最佳19。本文对钼镍矿矿渣每一层深度的散点温度利用 ArcGis10.2 空间分析中的反距离权重法(IDW)进行插值分析,得到了每一层钼镍矿矿渣的温度平面分布图(图 2),该图可以直观地显示出水平层的温度分布特征及温度变化趋势。由图 2 可知,整体而言,温度变化趋势趋于一致,图 2 自燃钼镍矿矿渣各深度温度平面分布Fig.2 Temper
15、ature distribution at different depths of molybdenum nickel slag in spontaneous combustion均以 ZK2 为中心向周边发散。钼镍矿矿渣各层温度高温区域主要分布在研究区中部平台区 ZK2 及附近,研究区北侧斜坡区温度明显较低。经现场调查,研究区北侧为斜坡区,亦为迎风面,与平台区相比,有两个面(斜坡面及坡顶平面)的氧气供给,矿渣中的黄铁矿可以充分氧化放热,目前斜坡区及坡顶交界处矿渣已发生自燃,现处于自燃温度衰减末期,故温度较低;研究区中部为平台区,钼镍矿矿渣上覆黏土平均厚度约 0.5 m,具备一定的聚热条件,矿
16、渣中黄铁矿不断氧化放热,由于氧气供给不充分(氧气供给充足约是供给不充足时释放热量的 3.5 倍),致使平台区中部温度升温较缓,尚未达到碳类物质的燃点 280,目前所测最高温度为 ZK2 孔中 7.0 m 深度处的220。现目前以 ZK2 为中心,四周外扩约 10 m 范392 江攀和等:自燃钼镍矿矿渣内部温度分布特征及拟合研究 2023 年第 8 期围内钼镍矿矿渣的自燃趋势性最大。3.2 竖直方向温度分布特征为研究钼镍矿矿渣内部温度竖向分布特征,选取测量深度较大的 6 个钻孔绘制温度曲线(图 3)。由图 3 可知,在 0.16.0 m 深度范围内,大部分测点温度随着深度变化趋势大体相同,竖向温
17、度变化非线性,随着深度增加先快速升高后缓慢增高或趋于平缓。在 0.12.0 m 深度范围内温度快速升高,温度高的监测点与温度低的监测点相比,升温变化率较大,2.0 m 以后温度升温率逐渐降低。在接近矿渣与下伏基岩界面之上约 1.0 m 位置(所有钻孔均钻进至矿渣下伏炭质泥岩地层 0.51.5 m),出现了 2 种情况:一是在 2.0 m 以后,矿渣与下伏基岩界面之上约 1.0 m 位置,温度达到最高,随着深度继续增加,温度开始逐渐降低,如 ZK2、ZK4、ZK8、ZK10;二是在2.0 m 以后,随着深度增加,温度升温速率逐渐降低后温度趋于缓慢增加,如 ZK1、ZK9。图 3 自燃钼镍矿矿渣各
18、深度温度曲线Fig.3 Temperature curves at different depths of moly-bdenum nickel slag in spontaneous combustion经现场调查及勘查,ZK2、ZK4、ZK8、ZK10出现温度先增加后降低的现象,说明钼镍矿矿渣在竖直方向上具有火源中心的特征,火源中心主要集中在矿渣与下伏基岩界面之上约 1.0 m 位置,表层不利于聚热,且越接近地表受到大气温度的影响越大,深层又缺乏氧气,不利于钼镍矿矿渣中黄铁矿的氧化放热或自燃,虽 ZK8、ZK10 比 ZK2、ZK4 的火源中心位置深度大 4.05.0 m,主要原因是 ZK
19、8、ZK10 分别为平台区边界孔与边坡孔,虽然矿渣厚度较大,但是深部氧气供给与平台区内部相比较充足。ZK1、ZK9 出现温度缓慢增加的现象,可能是 ZK1、ZK9 位于平台区内部,聚热条件较好,但是供氧条件不足,导致钼镍矿矿渣中的黄铁矿一直处于初期缓慢氧化放热阶段,无明显的高温区或燃点,故整体温度差异不明显,预计温度随着深度的增加受到氧气浓度的限制而降低。研究区温度最高点位于 ZK2 地下 7.0 m 深度处,为 220;由于斜坡区及斜坡区与平台区交界处属于迎风面,氧气供给相对充足,目前该区域内钼镍矿矿渣已自燃。4 竖向温度曲线拟合4.1 拟合模型的建立为了直观地了解竖向温度的变化趋势,同时对
20、深部温度进行预测,本文在最小二乘法20的基础上,运用 EXCEL 对研究区内 9 个钻孔温度数据基于指数模型和多项式模型进行拟合(表 2),保留 ZK5 作为最优拟合模型的验证孔。模型拟合优度用相关系数 R2进行判断,R2越接近 1,说明各个测温点越靠近拟合曲线,残差越小,拟合效果越好。表 2 结果表明,一元三次函数拟合模型要明显优于指数函数拟合模型。表 2 竖向温度拟合曲线结果Table 2 Fitting curve results of vertical temperature钻孔编号一元三次函数拟合拟合模型R2指数函数拟合拟合模型R2ZK1y=0.142 7x3-2.698 9x2+1
21、7.9x+16.2160.976 8y=27.914e0.102 1x0.634 1ZK2y=0.018 5x3-3.514 4x2+51.208x+17.1620.993 8y=44.014e0.248 9x0.723 0ZK3y=0.333 3x3-3.035 7x2+19.56x+18.9290.978 8y=24.075e0.270 7x0.920 2ZK4y=0.277 8x3-3.456 7x2+21.876x+22.1820.927 0y=31.228e0.179 4x0.832 5ZK6y=-3.083 3x3+18.714x2-8.273 8x+18.7290.990 3y=
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