硫化矿石自然发火是一个复杂的非稳态物理化学反应过程,从宏观上可以将其整个自燃过程依次划分为矿石破碎、低温氧化、聚热升温和着火等四个阶段。硫化矿床经不同形式的机械力破碎不能简单地视为机械物理行为,而是一种复杂的物理化学作用过程。多种形式的机械力共同作用在矿体上,不仅使矿石破碎、块度变小、比表面积增大,而且还可能破坏硫化矿石的晶格完整性,导致晶粒尺寸减小和晶格畸变,并在矿物内部产生大量缺陷,从而大大提高了硫化矿石的化学反应活性。因此,有必要深入研究机械力诱导硫化矿石氧化自燃的一般性规律,进一步揭示硫化矿石自燃的发生机理。本论文借助X-射线衍射分析仪、红外光谱仪、同步热分析仪、电镜扫描仪等现代表征技术,系统揭示了机械力作用下硫化矿石物理化学性质的演变规律,主要研究内容如下:(1)分析了硫化矿石在经历不同机械力强度(100r/min、200r/min、300r/min、350r/min 和 400r/min)、球磨时间(20min、40min、60min、80min、120min)、料球比(1:3、1:5、1:8、1:10和1:12)等条件下微观形貌、晶格缺陷、晶块尺寸、化学组成和反应动力学特性等参数的变化规律。研究发现:硫化矿石在活化80分钟后的晶格畸变为0.049%,而相同球磨条件下活化20分钟的晶格畸变仅为0.028%;不同机械活化强度后的晶块尺寸的变化顺序为1000nm(0)>691nm(100r/min)>596nm(200r/min)>321nm(300r/min)>224nm(400r/min);不同料球比条件下,硫化矿的晶格畸变顺序为0.1516%(未活化)<0.02254%(1:3)<0.02254%(1:5)<0.03172%(1:10)<0.03543%(1:12)。(2)系统研究了机械力作用下硫化矿石的氧化增重特性与球磨时间、料球比、机械强度的关系。结果表明,机械力作用下硫化矿石的氧化增重率与球磨时间、料球比、机械强度存在一定的相关性。不同机械力强度下,矿样的氧化增重率幅度由大到小分别为:450r/min>400r/min>350r/min>300r/min>200r/min>100r/min;其中在450r/min的机械力作用条件下,矿样的氧化增重率达到了4.98%;当转速为100r/min时,矿样的增重率最低,只有1.18%;在料球比为1:3的球磨条件下,矿样恒温箱内氧化15日时的增重量为0.3992g,球料比为1:12时的增重量为0.8112g,矿样的氧化增重效果显著;球磨时间越长,其氧化增重效果越明显。(3)利用红外光谱分析技术表征了不同机械强度、料球比、活化时间下硫化矿石的基团变化规律。结果表明,矿样活化后基团种类及含量发生了显著变化在424.2cm-1处出现新的峰,而在400.1cm-1 527.5cm-1、669.4cm-1等多处的峰消失;继续增大活化强度、球磨时间、料球比,矿样则在797.4cm-1 1383.5cm-1等位置出现了新的峰,表明硫化矿石经历机械力活化后,其内部的某些基团发生了断裂而产生新的基团,主要原因可能破坏了[S2]2-、[S03]2-等结构而生成了硫单质及硫的衍生物。(4)运用热分析技术表征了矿样在经历不同功率(100～450r/min)、不同料球比(1:3～1:12)、不同球磨时间(20-120min)条件下活化后的热分解动力学特性。结果发现:硫化矿石在530～640 ℃温度区间的氧化热解过程符合一维扩散反应动力学机制;硫化矿石的表观活化能随着球磨功率、料球比、球磨时间的增加而降低,呈现出较好的一致性;其中矿样在未活化、200、350r/min活化条件下的表观活化能依次为258.93、181.34、150.97 kJ/mol,对应的指前因子分别为2.35×1018、1.45×1013和1.60×1011;矿样在料球比为1:3、1:5活化条件下的活化能依次为 240.57、150.97kJ/mol,指前因子分别为 1.58X1017、1.60X1011;矿样在球磨时间为40min、120min活化条件下的活化能依次为150.97、140.79kJ/mol,指前因子分别1.58×1017、1.42×1010。硫化矿石的表观活化能降低与活化矿样的晶格畸变率增大及晶块尺寸减小存在一定的相关性,容易引发氧化自燃灾害。