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现今,矿山安全生产是我国矿业发展的最为关键的前提保证,矿山灾害中内因火灾是硫化矿床开采主要灾害之一。内因火灾一旦形成,不仅使大量宝贵资源无法得到回收,容易产生各种安全事故,而且排出大量有毒有害气体、酸性矿坑水,严重污染周围环境。同时,随着地温的增加,矿石氧化自热和自燃的危险性也随之增大。因此,必须采取措施进行内因火灾防治。
本论文是结合国家自然科学基金项目《高硫矿石细菌脱硫防灭火机制研究》(50774011)项目的部分研究内容。在微生物溶浸采矿技术的基础上,结合了高硫矿床内因火灾防治理论与技术研究,利用细菌浸矿技术进行硫化矿自燃的防灭火方法的研究。
本论文通过理论分析、现场调研取样、室内实验等手段,针对安徽铜陵新桥硫铁矿的高含硫矿石,分析硫化矿自燃机理,判定其自燃倾向性,从其自燃内因条件——矿石的氧化放热入手,利用微生物浸矿技术脱出硫化矿石表面硫含量,使其达到自燃临界值以下,可望形成一种新的防治硫化矿自燃技术,在高硫矿床开采中具有重大的应用价值。
论文完成的主要工作如下:
1.从理论分析证明了细菌脱硫的可行性。
首先从硫化矿石自燃机理和三大要素进行分析,矿石含硫量是导致硫化矿自燃的内因,提出利用微生物浸出技术将具有自燃风险矿石表面的硫氧化,使其由固相转入液相变为可溶性的离子,把矿石表面含硫量降至自燃临界值以下,来避免内因火灾的发生。
通过进行了对煤炭、黄铁矿烧渣以及高硫矿的无机硫脱硫的对比研究,分析三者在含硫物、脱硫微生物与脱硫机理、脱硫工艺几个方面的异同点,从理论上探讨证明了金属高硫矿微生物脱硫的可行性。
2.寻找、培养了硫化矿的专属脱硫菌。
从安徽铜陵新桥硫铁矿地下矿坑水中采集菌种,进行了富集、转代培养及利用安徽铜陵新桥硫铁矿的高含硫矿石进行细菌驯化,从而确定了矿山脱硫菌种——以氧化亚铁硫杆菌为主的混合菌,提高了脱硫菌的生长繁殖能力以及脱硫菌对浸矿时的复杂环境的适应性。同时,培养驯化了有色研究院提供的T.f菌,发现由矿山原菌种培养驯化的脱硫菌对矿石环境的适应性高于T.f菌。
3.进行细菌脱硫实验,优化实验条件,计算最大脱硫率。
利用均匀设计法设计并进行了脱硫菌的摇瓶浸出实验和矿山脱硫菌及T.f菌的原生矿柱浸实验,并分析了其浸矿影响因素:溶液pH值、接种量、矿浆浓度和初始Fe2+量、不同菌种及不同培育程度的细菌、布液强度及矿石粒径。通过均匀设计软件进行了回归分析,并进行了实验条件的优化。
摇瓶实验中的硫液计浸出率为38.68%~45.74%,优化后的脱硫率的预期最大值可达68.2%。柱浸实验中硫的液计浸出率、渣计浸出率和液渣计浸出率分别为15.79%~57.02%、19.45%~60.78%和18.24%~61.82%,优化后的液渣计脱硫率的预期最大值能达64.4%。
4.建立细菌脱硫防灭火判定,验证细菌脱硫防灭火目的。
对硫化矿进行氧化增重实验和自燃点测定实验,划分细菌脱硫前后的自燃倾向性等级;同时对比有效时间内的脱硫率。通过两个指标判定是否达到了金属高硫矿细菌脱硫防灭火的目的。
硫化矿经44天细菌脱硫后,5天氧化增重率由2.044%降低到了0.902%;自热点由133.4℃到没有明显自热点;自燃点由209.6℃升高到319.8℃;自燃倾向性等级由I级降到Ⅲ级。同时,在矿石安全堆放时间50天内,摇瓶实验和柱浸实验的优化预期脱硫率达68.2%和64.4%,表面含硫量从45.87%降至14.59%和16.32%,达到有效时间内的脱硫率指标。
证明细菌脱硫能够达到防灭火目的,能够避免硫化矿发生自燃危害。