碳酸钙与碳酸氢钠对含硫铁矿粉尘爆炸的抑制特性与化学反应机制研究

本研究针对含硫铁矿粉尘爆炸的重大安全隐患，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。研究发现NaHCO3在≤20%质量分数时存在"抑制增强爆炸参数(SEEP)"现象，揭示了CaCO3通过隔热吸热、NaHCO3通过热分解产气与化学自由基捕获的多重抑制路径，为硫化矿山安全生产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内因火灾的元凶，又是导致硫化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，更对矿区生态环境造成长期破坏。传统的水雾和惰性气体抑爆技术存在加速矿石氧化、设备腐蚀、成本高昂等缺陷，亟需开发更安全高效的抑爆方案。

中国国家自然科学基金资助项目团队通过自主研发的综合热分析方法，结合20L球形爆炸装置、同步热分析系统和电箱炉等设备，系统研究了两种常见碳酸盐——碳酸钙(CaCO₃)和碳酸氢钠(NaHCO₃)对含硫铁矿粉尘爆炸的抑制效果与化学机制。研究发现NaHCO₃在低浓度(≤20%)时会出现独特的"抑制增强爆炸参数(SEEP)"现象，而CaCO₃则表现出更稳定的抑爆性能。该成果为硫化矿山粉尘爆炸防治提供了新的理论框架和技术路径，论文发表在《Powder Technology》期刊。

研究人员采用三项关键技术：通过20L球形爆炸装置测定不同浓度粉尘云的爆炸参数；利用同步热分析系统(TG-DSC)解析热分解过程；结合电箱炉实验模拟高温反应环境。实验选用200目和500目筛分的黄铁矿与磁黄铁矿混合矿样(1:1比例)，并系统测试了30%添加量下两种抑爆剂的效果。

材料表征
X射线衍射分析确认矿样主要成分为黄铁矿和磁黄铁矿，激光粒度分析显示D50为28.4μm。抑爆剂CaCO₃和NaHCO₃的纯度均达99%，比表面积分别为2.15m²/g和1.78m²/g。

爆炸强度与质量浓度关系
混合矿尘在500g/m³时达到最大爆炸压力(P_max)0.72MPa，此时压力上升速率(dP/dt)_max为32.4MPa/s，确定为后续实验的基准浓度。

抑爆剂效果分析
CaCO₃添加使P_max线性下降，30%添加量时降至0.28MPa；NaHCO₃则呈现"U型曲线"，20%添加量时P_max反常升高至0.68MPa，但30%时骤降至0.21MPa。

热分析机制
CaCO₃在700°C开始吸热分解，主要通过物理隔热发挥作用；NaHCO₃在50-200°C即分解产生H₂O和CO₂，并通过钠自由基(Na·)捕获活性氧，形成多重抑爆机制。

结论与意义
该研究首次揭示了碳酸盐类抑爆剂在含硫铁矿尘爆炸中的差异化作用规律：CaCO₃适合作为基础抑爆剂稳定发挥作用，而NaHCO₃需避免在20%临界浓度以下使用。发现的SEEP现象为抑爆剂配比优化提供了重要警示，提出的"物理-化学协同抑爆"模型为开发新型复合抑爆材料指明了方向。研究成果不仅适用于硫化矿山安全防护，对铝粉、煤尘等其他工业粉尘爆炸防治也有借鉴价值，兼具理论创新意义和工程应用前景。