金属硫化矿在开采过程中,出矿口楣线处易形成矿尘云与火源交汇点,一旦满足条件极易发生矿尘爆炸。通过以往事故调查及研究发现,发生爆炸的金属硫化矿尘都为硫铁型矿尘,成分以黄铁矿及磁黄铁矿为主,且磁黄铁矿有促发爆炸趋势。依据金属硫化矿尘云爆炸三个步骤:热分解→氧化燃烧→爆炸为主线/思路,以黄铁矿尘、磁黄铁矿矿尘及黄铁矿-磁黄铁矿混合矿尘(简称混合矿尘)为研究对象,采用X射线衍射、扫描电镜、质谱等表征手段,通过固相和气相产物辨识,结合表面结构分析与表观活化能计算结果,揭示了磁黄铁矿促发金属硫化矿尘云爆炸化学反应过程及动力学机理,目的是为预防和控制金属硫化矿山灾害性事故提供数值及理论参考。具体研究内容及结论如下:(1)在氮气环境中开展了磁黄铁矿促发金属硫化矿尘热分解研究,结果表明:热分解过程中磁黄铁矿表观活化能更低,反应活性更强,其吸附在黄铁矿颗粒表面,增加混合矿比表面积,进而提高了混合矿热分解反应概率;磁黄铁矿展现催化剂作用,随着磁黄铁矿含量增加,黄铁矿尘热解反应峰值温度降低,失重率下降,反应进程加快。黄铁矿尘热分解反应符合缩核模型与含挥发分的颗粒反应模型,磁黄铁矿矿尘符合三维扩散,球形对称含挥发分的颗粒反应模型;混合矿尘同时符合上述两种矿物反应模型。(2)在空气环境中开展了磁黄铁矿促发金属硫化矿尘氧化燃烧研究,结果表明:黄铁矿尘为一步直接氧化反应,生成赤铁矿Fe₂O₃,磁黄铁矿矿尘及混合矿尘氧化燃烧包含热分解过程。硫酸盐Fe SO₄的生成,导致磁黄铁矿矿尘及混合矿尘氧化燃烧存在增重现象。随着磁黄铁矿含量增加,促进生成Fe SO₄,导致混合矿尘增重阶段的DSC曲线峰值温度降低,质量失重率下降,加速混合矿尘中黄铁矿成分氧化燃烧反应进程。金属硫化矿尘氧化燃烧反应为气-固两相表面非均相化学反应,反应受动力学控制;主要氧化燃烧反应阶段,黄铁矿尘动力学反应机理为随机成核,符合缩核模型与含挥发分的颗粒燃烧模型;磁黄铁矿矿尘符合三维扩散-3D模型;混合矿尘受黄铁矿成分影响较大,主要符合随机成核模型,兼备三维扩散趋势。(3)模拟计算了金属硫化矿尘氮气环境热分解过程和空气环境氧化燃烧过程,结果表明:热分解数值模拟计算结果较好,产物类型及生成量与实验结果一致;氧化燃烧数值模拟计算结果最终固相、气相产物类型与实验结果一致,但是,由于金属硫化矿尘氧化燃烧实验研究比较有限、数据库仍需完善,导致气体产物生成量及中间过程产物与实验结果存在一定误差。(4)在20 L爆炸球、G–G炉中,测定了金属硫化矿尘云最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、爆炸下限浓度,最小点火温度4个爆炸特性参数;结合金属硫化矿尘热分解、氧化燃烧研究成果,揭示了磁黄铁矿促发金属硫化矿尘云爆炸机理。结果表明:磁黄铁矿具有较强的吸附氧能力,更容易被氧化,添加至矿山采集的原生黄铁矿,可以提高氧气与黄铁矿颗粒发生化学反应概率,进而降低黄铁矿粉尘云最小点火温度和粉尘云爆炸下限浓度。黄铁矿尘云爆炸受矿物组分影响较大,常见伴生成分菱铁矿、高岭石等会降低反应爆炸温度,而磁黄铁矿可以提高爆炸温度;爆炸产物受温度影响,全部为磁铁矿Fe₃O₄和SO₂气体。此外,金属硫化矿尘爆炸动力学机理符合矿尘颗粒随机成核的缩核反应模型,爆炸过程受化学反应及气体挥发扩散共同控制。(5)参照煤尘、铝尘等爆炸数值模型,建立了磁黄铁矿促发金属硫化矿尘云爆炸过程数学模型,该模型包括瞬态对流换热、热辐射、熔化、颗粒受力及表面反应,气体析出和气相反应等详细的物理/化学反应过程。采用欧拉-拉格朗日法模拟气相与颗粒耦合作用及燃烧,应用Fluent软件进行了仿真计算。结果表明:该模型可有效描述磁黄铁矿促发金属硫化矿尘云爆炸过程,反应爆炸温度与理论计算结果一致,可以通过仿真计算解决金属硫化矿尘云爆炸过程中温度变化、粉尘扩散和生成物变化等问题。