碳酸钙与碳酸氢钠对含硫铁矿粉尘爆炸的抑制机制及性能增强研究

本研究针对含硫铁矿粉尘爆炸的安全隐患，通过自主研发的综合热分析方法，系统探究了CaCO3和NaHCO3的抑制效果与作用机制。发现NaHCO3在≤20%质量分数时存在"抑制增强爆炸参数(SEEP)"现象，揭示了两种碳酸盐分别通过热吸收/化学作用(NaHCO3)与热绝缘(CaCO3)的协同抑制路径，为矿山安全防护提供了理论依据与技术支撑。

　　

在富含铜、金等战略资源的高硫矿山中，黄铁矿(FeS₂)和磁黄铁矿(Fe_1-xS)等含硫铁矿既是引发矿井火灾的元凶，更是导致硫化物矿尘爆炸的主要诱因。这类事故在全球范围内已造成大量人员伤亡和财产损失，而传统的水雾、惰性气体等抑制技术存在加速氧化、设备腐蚀或成本高昂等缺陷。面对这一重大安全生产挑战，研究人员将目光投向了更具成本效益的固体粉末抑制剂。

中国国家自然科学基金资助项目团队通过自主设计的综合热分析方法，结合20 L球形爆炸装置和同步热分析系统，对CaCO₃和NaHCO₃抑制含硫铁矿粉尘爆炸的效果与机制展开系统研究。论文发表在《Powder Technology》的研究揭示了碳酸盐类抑制剂在矿山安全领域的新应用前景。

关键技术方法包括：采用200目和500目标准筛制备含硫铁矿粉尘样本；使用20 L球形爆炸装置测定最大爆炸压力(P_max)和压力上升速率(dP/dt)_max；通过同步热分析系统在空气气氛下以10°C/min升温速率分析热力学行为；结合电箱炉进行辅助验证实验。

【材料表征】
实验采用商业纯度的黄铁矿和磁黄铁矿，XRD分析确认其主要成分为FeS₂和Fe_0.9S，激光粒度分析显示D50分别为28.4μm和23.7μm。

【爆炸强度影响】
当含硫铁矿粉尘浓度为500 g/m³时达到最大爆炸压力(P_max)0.72 MPa，而压力上升速率(dP/dt)_max在750 g/m³时出现峰值8.97 MPa/s，确立后续实验基准浓度。

【抑制效果】
CaCO₃在30%添加量时使P_max降低53.8%，主要通过700°C以上的高温分解吸热；NaHCO₃在相同添加量下实现61.2%的P_max降幅，但在≤20%时出现反常的SEEP现象（压力升高9.5%）。

【作用机制】
CaCO₃依赖物理性的热绝缘和吸热效应；NaHCO₃则通过三重机制：100-200°C分解产生H₂O和CO₂稀释氧气，钠原子(Na·)化学淬灭自由基，以及生成Na₂SO₄等稳定化合物。

这项研究首次系统比较了两种碳酸盐对含硫铁矿粉尘爆炸的抑制性能差异，特别是发现并解释了NaHCO₃的SEEP现象。研究建立的综合热分析方法为粉尘爆炸抑制研究提供了新范式，而CaCO₃的经济性和NaHCO₃的多重抑制机制，为矿山安全生产提供了兼具成本效益和技术可行性的解决方案。该成果不仅适用于硫化矿山，对铝粉、煤尘等其他工业粉尘爆炸防治也有重要参考价值。