НАУКИ О ЗЕМЛЕ                                                                                              ISSN

ISSN 

1561-4212. 

«ВЕСТНИК 

ВКГТУ

» 

№ 

4, 

2011.                                                                    

НАУКИ О ЗЕМЛЕ 

 

15

способствует уменьшению активности.  

Другая  особенность  -  субпластовые  рудные  залежи  смешанных  свинцово-цинковых и 

цинковых  руд  с  характерной  тонкодисперсной  слоистой  текстурой  и  обилием  глобуляр-

ных форм сульфидов (рис. 1).  

Цинково-пиритные  руды  как  наиболее    типичный  продукт  I  этапа  рудообразования  в 

восстановительной  подзоне  коры  выветривания  в  процессе  вскрытия  горными  работами 

интенсивно окисляются. В основе окисления сульфидных минералов лежит электрохими-

ческая реакция вида: 

FeS

2

 + H

+

 - 2 e  



 Fe

2+

 + S

0

  + HS



.                                      (1) 

 

При вскрытии новых поверхностей на анодных участках пирита минерал растворяется 

с  образованием  иона  железа  и  элементарной серы в зависимости от содержания металла 

по реакциям: 

- на катодных участках 

FeS

2

 - 2 e  



 Fe

2+

 + 2S

0

;                                                   (2) 

- в инертной среде 

FeS

2

 + 2H

+

 + 2 e  



 Fe

2



 + 2HS.                                           (3) 

 

 

 

 

Рисунок  1  -  Текстуры  и  структуры  труднообогатимых  свинцово-цинковых  руд.  Барит-поли-

металлическое  месторождение  Жайрем:  светлое  –  глобули  пирита,  темно  серое  –  микросгустки 

сфалерита  в  углисто-глинисто-кремнистой  основе.  Внешние  зоны  сложены  галенитом  и  сфалери-

том, ядро - пиритом 

 

Для  изучения  механизма  окислительных  процессов  и  установления  закономерности 

самовозгорания руд проведены комплексные физико-химические и термографические ис-

следования  руд  Жайремского  полиметаллического  месторождения  по  методике,  разрабо-

танной  авторами  2.  Исследования  проводились  на  30  пробах  сульфидных,  смешанных 

свинцово-цинковых и цинковых рудах карьера № 2, спецотвала № 11 и склада № 8.  

Цель - установление условной скорости окисления и температуры воспламенения в ре-

гулируемых  условиях  эксперимента.  Температура  начала  воспламенения  проб  руды  оп-

ределена  дифференциально-термическим  анализом  путем  прососа  окислителя  (воздуха) 

через  слой  исследуемого  рудного  материала.  Расход  воздуха  240  мл/мс  при  разряжении 

НАУКИ О ЗЕМЛЕ                                                                                              ISSN 

1561-4212. 

«ВЕСТНИК ВКГТУ» № 4, 2011.

 

16

над системой 40 мм вод. ст., для чего в кварцевый реактор помещался тигель с пористым 

дном  и  с  исследуемым  материалом  в  количестве  2  г.  В  образец  через  расходомер  снизу 

подавался воздух. Для предотвращения просыпания материала на дно тигеля укладывал-

ся  слой  из  алундовых  крошек  в  количестве  0,5  г.  При  строгом  регулировании  расхода 

воздуха и отсоса газов при разрежении над системой 40 мм. вод. ст. проба нагревалась со 

скоростью 12 

0

С/мин, а термические эффекты регистрировались на пирометре Курнакова 

ПК-59.  Датчиками  температуры  служили  платиновые  термопары  типа              ТПП-0555. 

Ошибка  анализа  при  определении  температуры  составила  3

0

.  Крупность  исследуемого 

материала 650 мкм. 

По  характеру  горения  пробы  можно  разделить  на  3  группы:  1  -  пробы  №  3,  6,  8,  9     

(табл.  1),  в  которых  при  окислении  на  воздухе  количество  выделяемого  тепла  не  доста-

точно  для  разогрева  всей  пробы  и  поэтому  окисление  должно  затухать;  2  -  пробы             

№  1,  4,  7,  10,  в  которых  окисление  сопровождается  незначительным  подъемом  темпера-

туры и возможен саморазогрев, приводящий к самовозгоранию; 3 - пробы № 2 и 5 с вы-

делением  значительного  количества  тепла  и  реальной возможностью самопроизвольного 

горения  материала  после  воспламенения. Незначительные тепловые эффекты, наблюдае-

мые при низких температурах (157

0

, 161

0

 и 162 

0

С), вероятно относятся к окислению эле-

ментарной серы, присутствующей в пробе. 

 

Т а бли ц а   1  

Температура воспламенения проб руды 

 

№№ пп проб 

Температура воспламенения, 

0

С 

Начальная 

Повторная 

Примечание 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

9 

10 

425 

445 

410 

435 

410 

437 

405 

400 

392 

415 

500 

685 

462 

515 

- 

- 

- 

485 

450 

- 

 

 

Повторное воспламенение проб № 1-4, 8, 9 - результат загорания углерода, имеющего 

более высокую температуру воспламенения по сравнению с серой. Эксперимент подтвер-

ждает  выводы  о  том,  что  на  сульфидных  месторождениях,  склонных  к  самовозгоранию, 

при  благоприятных  условиях  в  первую  очередь  загорается  сера,  накопление  тепла  кото-

рой  приводит  к  общему  разогреву  массива  и  воспламенению  вмещающих  пород  с  высо-

ким содержанием органических веществ. 

Вторая серия опытов проводилась с добавкой известняка к пробам № 5 и 7 в количест-

ве 5, 10 и 20 % (по массе). Результаты исследований отражены в табл. 2. 

 

Т а бли ц а   2  

Температура воспламенения шихты 

ISSN 

1561-4212. 

«ВЕСТНИК 

ВКГТУ

» 

№ 

4, 

2011.                                                                    

НАУКИ О ЗЕМЛЕ 

 

17

 

Состав шихты 

Температура воспламенения, 

0

С 

Начальное горение 

Вторичное горение 

пр. № 5 + 5 % CaCO

3

 

пр. № 5 + 10 % CaCO

3

 

пр. № 5 + 20 % CaCO

3

 

пр. № 7 + 5 % CaCO

3

 

пр. № 7 + 10 % CaCO

3

 

пр. № 7 + 20 % CaCO

3

 

385 

395 

415 

392 

400 

390 

557 

- 

- 

475, 540 

- 

- 

 

Известняк  в  количестве  5  %  (по  массе)  приводит  к стадийному горению материала, а 

дальнейшее повышение содержания известняка для пробы № 5 несколько повышает тем-

пературу  воспламенения  с  385

0

  до  415 

0

С,  для  пробы  №  7  такой  закономерности  не  на-

блюдается,  но  при  20  %-ной  добавке  известняка горение фактически подавляется. Коли-

чество известняка для профилактики может быть снижено, если масса подается в жидкой 

фазе.  Кроме  того,  были  выполнены  термодинамические  расчеты  возможных  реакций 

окисления. Результаты расчетов приведены в табл. 3. 

 

 

 

Т а бли ц а   3  

Возможные реакции окисления сульфидов под воздействием 

атмосферных факторов при 25 

0

С 

 

Реакции 

Тепловой эффект 

Н, ккал/моль 

1. FeS

2 

(3/2)O

2

+H

2

O



FeSO

4

+H

2

SO

4 

2. 12FeSO

4

+6H

2

O+3O

2



4Fe

2

(SO

4

)

3

+4Fe(OH)

3

 

3. ZnS+H

2

SO

4



ZnSO

4

+H

2

S 

4. ZnS+Fe2(SO

4

)

3

+O

2

+2H

2

O



ZnSO

4

+H

2

SO

4

 

5. FeS+H

2

SO

4



FeSO

4

+H

2

S 

6. H

2

S+O

2



H

2

+SO

2

 

7. H

2

+(1/2)O

2



H

2

O 

8. ZnS+2CuFeS

2

+3O

2

+H

2

O



ZnSO

4

+Cu

2

S+ 

+Fe(OH)

2

+H

2

S 

9.FeS

2

+4O

2



CuSO

4

+FeSO

4

 

10.ZnS+CuSO

4



ZnSO

4

+CuS 

11.4FeS

2

+11O

2



2Fe

2

O

3

+8SO

2

 

12.FeS

2 

+5Fe

2

O

3



11FeO+2SO

2

 

13.FeS

2 

+16Fe

2

O

3



11Fe

3

O

4

+2SO

2

 

14.Fe

2

(S

 

O

4

)

3

+3H

2

O



2Fe(OH)

3

+3H

2

SO

4

 

- 303,7 

- 219,7 

+ 3,3 

- 66,98 

- 8,6 

- 66,14 

- 57,8 

 

- 193,10 

- 362,50 

- 13,10 

- 790,68 

+ 186,78 

+ 105,38 

- 163,3 

 

Как видно из данной таблицы, реакции идут с выделением тепла, причем наибольший 

тепловой эффект дает окисление пирита. Слабый отвод тепла постепенно приводит к ра-

зогреву руды и возгоранию ее в больших массах. При возгорании сероводорода возможен 

переход к взрывному характеру горения. И такое действие может дополнительно разрых-

НАУКИ О ЗЕМЛЕ                                                                                              ISSN 

1561-4212. 

«ВЕСТНИК ВКГТУ» № 4, 2011.

 

18

лять  породу  хотя  бы  в  микрообъемах.  Тепловой  эффект,  сопровождающий  окисление 

сульфидов,  оказывается  значительным  и  достаточным,  чтобы  вызвать  воспламенение, 

прежде  всего,  пирита.  Пирит  по  сравнению  с  сульфидами  цинка  и  свинца  имеет  мини-

мальную  температуру  воспламенения.  Как  следует  из  опытов,  температура  воспламене-

ния  пирита  зависит  от  крупности  зерен  минерала.  Это  особенно  сказывается  на  мелких 

фракциях,  что  свидетельствует  о  значительном  повышении  активности  поверхности  пи-

рита  при  тонком  измельчении.  Температура  воспламенения  пирита  в  зернах  менее        

0,05  мм  соответствует  290 

0

С,  хотя  выделение  сернистого  газа  наблюдается  уже  при     

220-230 

0

С. С увеличением размера зерен температура воспламенения пирита повышает-

ся. В рудах окисление сульфидов заметно интенсифицируется после разрушения массива 

взрывом, обеспечивающим дробление породы и даже отдельных кристаллов. Воздействие 

атмосферных  агентов  наиболее  активно  начинается  в  отвалах  на  поверхности.  Причем, 

воспламенению  в  первую  очередь  подвергается,  вероятно,  значительная  доля  тонкодис-

персного  глобулярного  пирита,  имеющего  наибольшую  поверхность  окисления.  После 

воспламенения пирита основными продуктами окисления являются гематит Fe

2

O

3

 и маг-

нетит  Fe

2

O

4

, которые образуют корку на поверхности сульфида и несколько сдерживают 

горение.  Однако  в  процесс  вовлекаются  все  новые  области  руды,  окисление  развивается 

автогенно и практически не затухает. 

Итак, в сульфидных рудах пирит является как бы «зажигателем». Содержание его оп-

ределяет общую температуру воспламенения того или иного участка. Особенностью про-

текания  окислительных  процессов  является:  во-первых,  многостадийность,  сопровож-

дающаяся  образованием  свободной  серной  кислоты;  во-вторых,  сульфиды  свинца  обна-

руживают  большую устойчивость к окислению, чем сульфиды цинка; в-третьих, при на-

личии  в  смеси  в  равных  количествах  сульфидов  цинка  и  сульфидов свинца последние в 

реакцию  не  вступают  до  полного  окисления  сульфидов  цинка.  Полное сгорание сульфи-

дов цинка - условие вступления в термодинамическую реакцию сульфидов свинца. Таким 

образом,  на  месторождениях,  представленных  свинцово-цинковыми  рудами,  при  высо-

ком  содержании  серы  общей,  сульфиды  цинка  выполняют  роль  спички  и  зажигают  всю 

сульфидную массу. 

Другая  особенность  сульфидных  руд  -  термодинамические  реакции  идут  по  нарас-

тающей с выделением большого количества тепла лишь при незначительном содержании 

цинка  в  руде. Кроме того, переход окислительных процессов в термодинамические реак-

ции, приводящие к возгоранию массы, наблюдаются только при наличии пар «сфалерит-

пирит». Выявленные закономерности согласуются с теоретическими исследованиями, со-

гласно  которым  значения  электродных  потенциалов  сульфидных  минералов  зависят  от 

наличия  и  интенсивности  работы  микрогальванопар.  Кислород,  поступающий  из  внеш-

ней  среды  по  трещинам  массива,  являясь  активным  акцептором  электронов  и  деполято-

ром,  ускоряет  анодный  процесс.  Пирит  и  сульфид  цинка  образуют  микрогальванопару, 

работа которой интенсифицируется во влажной, насыщенной кислородом среде. Избыток 

цинка  экранирует  поверхности  пирита  и  окислительные  процессы  прекращаются  даже 

при  относительно  высоком  содержании  серы.  Это  объясняет  причину,  почему  на  место-

рождениях,  сложенных  богатыми  свинцово-цинковыми  рудами  кристаллической  струк-

туры,  не  наблюдаются  пожары,  что  хорошо  согласуется  с  общей  теорией  горения  мате-

риалов. 

Выявленная закономерность хода реакций окисления рудной массы позволяет предпо-

ложить в качестве показателя активности руд полиметаллических месторождений к само-

ISSN 

1561-4212. 

«ВЕСТНИК 

ВКГТУ

» 

№ 

4, 

2011.                                                                    

НАУКИ О ЗЕМЛЕ 

 

19

возгоранию 



-  модуль  пожароопасности  3, имеющий следующее аналитическое выра-

жение: 



 = S

об.

 / C

м

 ,                                                            (4) 

где 



 - интегральный показатель склонности руд месторождения к самовозгоранию; 

S

об.

, C

м

 - содержание общей массы серы и цинка соответственно на локальном участке 

блока самовозгорающихся руд, %. 

Данный показатель может быть использован для геолого-технологического картирова-

ния рудного поля по степени активности руд к самовозгоранию. Так, значение 



 = 15 ха-

рактеризует руды как весьма склонные к самовозгоранию; 



 = 10  15 - склонные к само-

возгоранию; 



  =  5    10  - потенциально склонные к самовозгоранию. В целом можно за-

ключить,  что  наибольшую  склонность  к  самовозгоранию  по  показателю 



  проявляют 

цинковые  руды  с  убогим  содержанием  металлов,  распространенные  в  подавляющем 

большинстве  на  флангах  месторождения.  Смешанные  свинцово-цинковые  руды,  непо-

средственно контактирующие с ними, характеризующиеся низким содержанием свинца и 

цинка, потенциально пожароопасны, если их залегание будет контролироваться граница-

ми окислительно-восстановительной подзоны коры выветривания.  

Таким образом, полученные новые результаты на основе теоретических и эксперимен-

тальных  исследований  состояния  геолого-информационного  обеспечения  технологии  до-

бычи  многосортных  руд  позволили  аргументировать  выводы,  имеющие  значение  в  тео-

рии  и  практике  разработки  полиметаллических  стратиформных  месторождений  Атасуй-

ского типа. 

На основе исследования термодинамики окисления и возгорания сульфидных руд раз-

работана  и  теоретически  обоснована  методика  выделения  пожароопасных  участков  и 

блоков в границах рудного поля. Это позволяет разработать новые концепции технологии 

их  добычи  и  хранения  на  складах  для  обогатительного  передела  по специальным техно-

логическим схемам. 

 

Список литературы 

 

1.

 

Веселовский  В.С.  Прогноз  и  профилактика  эндогенных  пожаров  /  В.С.  Веселовский, 

Л.П. Виноградова, Е.А. Орлеанская. - М.: Наука, 1975. – 160 с. 

2.

 

Изучение  физико-механических  свойств  и  трещиноватости  пород,  слагающих  горизонты 

карьеров  II  очереди  Дальнезападного  участка.  Инф.  Карта  /  ВНИИцветмет;  Руковод.  

В.Х. Кумыков - Усть-Каменогорск, 1985. – 63 с. 

3.

 

Кумыков  В.Х.  Экспериментальный  метод  определения  пожаробезопасного  времени  отра-

ботки блоков самовозгорающихся руд / В.Х. Кумыков, Т.М. Кумыкова // Проблемы раз-

работки  и  переработки  полезных  ископаемых  Жезказганского  региона: Материалы Меж-

дунар. НТК.- Жезказган, 1997. - С. 87-91. 

 

Получено 25.11.11 

 

 

 

УДК 821,512,122,09,01 

жүктеу/скачать 2,93 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: