竖井作为矿山重要的生产设施,其稳定性决定了矿山正常生产与人员安全。受资源量日渐枯竭影响, 为了保证矿山产能顺利过渡,对某金矿竖井保安矿柱内的高品位矿体进行了残矿回收可行性研究。针对复杂采空区 周边的残矿回收问题,融合工程经验法与相似材料试验,提出了一种保安矿柱回采评价方法。该方法通过Mathews 稳 定图对采场结构参数进行了初步设计,再利用室内相似材料试验模拟开挖过程,通过相似材料的变形与破裂对参数 取值合理性进行研究,最终提出保安矿柱内矿体回收方案与采场结构参数。以该矿主竖井保安矿柱内残矿回收为研 究背景,利用所提方法进行了回采过程模拟,在满足生产安全与岩层沉降控制标准的前提下,确定了在保安矿柱内采 场与现有采空区之间留设10 m 宽间柱的回收方案。所提方法与研究结果不仅为该矿竖井保安矿柱内的残矿回收提 供了理论支撑,还为其他同类型矿山的残矿回收提供了参考。

为解决普朗铜矿采矿区表层冰碛物原位注浆浆液渗透困难的问题,研究了水玻璃基化学注浆材料组分 对浆液可注性和固结体强度的影响,并采用管道模拟注浆对其可注性及固结体强度进行了验证。结果表明:提高水 玻璃波美度能够缩短浆液的凝胶生成时间,少量掺入偶联剂可显著提升浆液的可注性,但过多的掺量对可注性影响 不大;在改性固化剂的最佳掺量范围内,提高改性固化剂掺量,浆液的初始黏度值增加。改性固化剂掺量超过最佳值 后浆液的初始黏度有所下降,浆液可注性提高,但固结体强度降低;通过调控水玻璃波美度、改性固化剂和偶联剂之 间的掺量及比例,获得了最优的浆液可注性和冰碛物固结体强度的水玻璃基化学注浆固结材料;模拟注浆试验表明, 在0. 5~1. 0 MPa 注浆压力下,最优配比的注浆液可在4~7 min 内完成对冰碛物重塑体的渗透注浆,注浆率达到13% 以上,28 d 固结体强度最低达到2. 58 MPa,注浆液的可注性和冰碛物固结体的抗压强度均达到工程要求。

充填料浆性能是充填采矿的重要内容,胶凝材料和尾砂粒径对充填料浆性能产生显著影响。针对新型 钢渣基胶凝材料并考虑3 种粒径尾砂的充填料浆,开展了充填料浆性能的试验研究。选择尾砂均值粒径、灰砂比和料 浆浓度进行正交试验设计,开展对充填料浆泌水率、稠度和凝结时间的测试。利用SPSS 软件对试验数据进行方差分 析,分析各因素对充填料浆参数的影响。为建立料浆工作特性与影响因素之间的关系,通过构建充填料浆工作特性 的3 层前馈神经网络模型,讨论了影响因素在不同水平条件下对充填料浆工作性能的影响规律。结果表明:料浆浓度 对泌水率和稠度的影响最大,其次是灰砂比和尾砂粒径;尾砂粒径对凝结时间影响最显著,其次是灰砂比和浓度。利 用神经网络模型对充填料浆工作性能的预测误差不超过10%,满足工程实际应用要求。上述研究结果对不同粒径尾 砂以及新型胶凝材料的充填料浆设计具有一定的参考价值。

深地空间岩体赋存环境较为复杂,探明采动扰动下岩石卸荷破坏的前兆信号对深部资源安全开采具有 重要意义。针对采动扰动的岩石加卸载破坏问题,基于能量耗散理论,建立了考虑扰动损伤的岩石破坏判据。探究了 不同岩石加卸载过程及破坏时的判据指数变化规律,分析了判据指数与岩石破坏的内在联系。并基于新建立的岩石 破坏判据,讨论了不同岩性岩石的卸荷破坏判据条件。研究表明:① 岩石破坏判据通过引入损伤变量,不仅考虑了采 动扰动对岩石卸荷破坏的影响,还反映了岩石劣化过程中荷载、变形对岩石临界状态的影响。② 判据指数与损伤变 量可用于分析岩石破坏特征的差异性和应力路径对岩石力学行为的影响。③ 根据岩石卸荷破坏的扩容特征,引入能 量增长率概念,建立了适用于花岗岩卸荷破坏的能量增长率界限值,验证结果表明,该界限值预测效果良好,最大主 应力误差约5%。

实际工程中常见岩体沿着结构面发生剪切破坏,注浆结构面的剪切强度是决定岩体稳定性的关键指 标。为了研究注浆结构面的剪切力学性质,开展了三维激光扫描、水泥注浆和直接剪切等系列试验,研究了不同法向 应力、粗糙度、注浆厚度等条件下注浆结构面的变形、破坏与强度特征,建立了粗糙剪胀效应和充填黏结效应协同影 响下的注浆结构面剪切强度模型。研究表明:注浆结构面呈现明显的剪切滑移破坏特征,初始阶段的剪切刚度较高, 峰后曲线呈下凹形,破坏区域主要集中在浆液结石体;提出了充填效应、黏结效应和异质结构面岩壁强度的表征方 法,根据灌浆厚度与上下结构面围合区域的三维形貌特征表征充填效应,根据浆岩接触界面的水灰比、孔隙度和水化 度表征黏结效应,根据浆液结石体与结构面岩壁的强度特征以及注浆结构面破坏特征确定异质结构面的岩壁强度; 采用JRC-JCS 模型表征结构面的粗糙剪胀效应,在此基础上,考虑结构面岩壁与浆液结石体力学特性差异以及浆液结 石体的充填黏结效应,建立了注浆结构面剪切强度模型。研究成果可为大型岩体工程变形控制与稳定性分析提供理 论支持。

结构面的剪切特性和滑移特征与滑移型岩爆以及诱发地震等动力灾害密切相关。实验室中的周期性 粘滑现象与工程实际中的周期性地震和滑移型岩爆具有相似的发生过程,认为粘滑时产生的应力降和释放的极大能 量是产生滑移型岩爆的主要原因,所以粘滑特征的研究有助于揭示工程中滑移型岩爆、诱发地震等动力灾害的诱发 机理,但断层或结构面在实际采矿过程中会经历不同的剪切历史。为研究结构面在经历不同剪切历史后的剪切滑移 特征,对锯切花岗岩结构面开展了不同应力路径(1→3→5 MPa 和5→3→1 MPa)和速率路径(0. 1→0. 3→0. 6 mm/ min 和0. 6→0. 3→0. 1 mm/ min)下的直剪试验。结果表明:① 高应力下的剪切应力、应力降幅值以及滑移速率均 大于相应低应力下的数值,但在不同应力路径中呈现出不同的变化规律;② 在变速率加载过程中,剪切应力差异性很 小,但应力降幅值和滑移速率存在速率依赖性(加载速率大,应力降幅值和滑移速率均减小)并受速率路径控制。上 述分析有助于进一步揭示天然地震、诱发地震、断层滑移型岩爆等与断层或结构面不稳定剪切破坏有关的动态地质 灾害的发生机理。

岩石的动力学特性及其损伤演化规律是保证岩体工程高效作业和安全防护的基础性问题。为研究不 同应变率下的闪长岩动态力学性能和损伤演化规律,利用分离式霍普金森杆(SHPB)试验系统对闪长岩开展了4 种 冲击气压下的动态压缩试验,分析了不同应变率下闪长岩的动力学特性、破碎形态和破碎块度分布规律;基于Weibull 统计函数和统一强度理论,建立了闪长岩动态损伤本构模型,并利用Weibull 分布参数m、F0 和应变率的相关关系对 建立的损伤本构模型进行了合理修正。结果表明:闪长岩动力学特性具有显著的率相关性,动态强度增长因子(DIF) 和应变率的立方根(ε· 1/ 3)呈线性正相关,软化因子(K)和ε· 1/ 3 呈线性负相关;破碎体形态主要为类圆锥状、细粒状和 粉末状,并且破碎程度随应变率(ε· )增大逐渐加深,碎块中细粒状和粉末状的质量占比随ε· 增大逐渐加大;平均破碎 粒径和能量利用率随ε· 增加线性减小,能耗密度随ε· 增加呈多项式函数递增;修正后的动态损伤本构模型与试验曲 线具有较好的一致性,能较准确地描述冲击作用下的闪长岩应力—应变曲线变化规律。

在干热岩高效稳定安全开采过程中,冷水等低温采热工作液与高温岩体之间直接接触所产生的热应力 会造成岩石孔隙结构发生改变,进而导致井壁围岩变形失稳,影响地热资源安全高效开发。为探究不同冷却方式对 花岗岩孔隙结构及裂纹演化规律的影响,采用核磁共振技术测试花岗岩在不同冷却方式作用后的孔隙结构,并进行 了巴西劈裂试验和声发射实时监测,分析不同冷却方式下花岗岩孔径分布、声发射能量及RA—AF 值演化规律。结果 表明:① 高温会破坏岩石孔隙结构,促进孔隙数量和尺寸进一步增大,遇水冷却相较于自然冷却条件下更易使岩石产 生更多热裂纹,增加岩石孔隙度。② 高温会显著影响声发射活动频度与幅度,遇水冷却会显著降低岩石的热破裂损 伤阈值温度,使岩石内部损伤进一步加剧。温度和遇水冷却会显著增加花岗岩声发射裂纹震源数量,但对花岗岩拉 张裂纹与剪切裂纹占比没有产生明显影响。③ 高温作用和遇水冷却对岩石内部造成的冷热冲击是造成岩石内部损 伤的重要因素。研究结果可为干热岩稳定开采提供数据借鉴与理论支持。

为了融合高压辊磨机“层压粉碎”和塔磨机“局部层压研磨”的优势,以某磁铁矿石辊压产品的弱磁选精 矿塔磨工艺为研究对象,以高压辊磨机与塔磨机的总比能耗为判据,以高压辊磨机与塔磨机直连工艺的衔接粒度为 支点,开展了系统的试验研究。结果表明,在高压辊磨机给矿粒度为-12 mm、投影压力为4. 5 MPa 时,-3、-1 mm 闭 路辊压产品弱磁选抛尾产率分别为46. 99%、41. 94%;采用塔磨机将-3、-1 mm 弱磁选精矿磨矿至-0. 074 mm 占60% 情况下,HPGR+TM 比能耗分别为5. 20 kWh/ t 和4. 39 kWh/ t,衔接粒度为-1 mm 比衔接粒度为-3 mm 总比能耗下降 15. 58%,因此,该磁铁矿石适宜的HPGR+TM 衔接粒度为-1 mm;将HPGR+TM 碎磨流程与一段球磨机流程进行对 比,在HPGR+TM 流程衔接粒度为-1 mm 时,比能耗降幅可达55. 07%。

内蒙古某锡铜锌多金属矿在摇床重选选锡过程中的脱硫作业产生的高硫产品含铜0. 56%、含锌 1. 55%、含银218. 96 g/ t、含锡0. 86%、含硫20. 58%,其中有价铜矿物主要为黝铜矿和黄铜矿,锌矿物主要为闪锌矿, 锡矿物主要为锡石和黝锡矿,银主要赋存于黝铜矿中。为了提高资源的利用率,对现场高硫产品进行了铜银锌锡回 收试验。结果表明,试样经活性炭脱药后,使用GYS-Y1 抑硫,在粗磨情况下采用优先浮铜银工艺,获得了铜品位 10. 89%,银品位3 867. 51 g/ t,铜回收率77. 40%,银回收率70. 30%的铜银精矿;选铜尾矿采用活化浮锌工艺,粗选使 用GYS-Y1 抑硫,精选使用石灰强化抑硫,获得了锌品位40. 68%,银品位452. 33 g/ t,锌回收率67. 71%,银回收率 5. 33%的锌精矿;对选锌主体尾矿进行浮硫,获得了硫品位32. 53%,硫回收率72. 75%的硫精矿,浮硫尾矿采用摇床重 选回收锡,获得了锡品位11. 47%,锡回收率19. 62%的锡精矿,较好地实现了现场高硫产品中铜、银、锌、锡的高效回收。

针对制备高纯氢氟酸用萤石中微量硫化矿杂质脱除难的问题,研究提出了过硫酸盐氧化深度脱除微量 硫化矿的方法,并以过硫酸氢钾(PMS)为氧化剂,磁黄铁矿为典型硫化矿,开展了浸出试验。结果表明:过硫酸盐氧 化可高效浸出磁黄铁矿,当PMS 浓度为4. 5 mmol/ L 时,反应11 h 的磁黄铁矿浸出率达84. 37%;PMS 对萤石中掺入的 少量磁黄铁矿同样有效,反应11 h 的浸出率仍达70. 54%。XRD、XPS 和EPR 等测试分析表明,PMS 活化产生的 SO-4 ·、·OH 及·O-2 共同参与磁黄铁矿的氧化反应,·OH 起主导作用;磁黄铁矿的主要浸出过程为S2- 被活性自由 基氧化为硫单质和硫酸根离子,而铁以离子形式溶出。该研究成果对生产实践具有指导意义。

我国西北某低品位金矿石Au 品位为2. 21 g/ t,因黏土矿物绢云母等含量较高,导致现场浮选金精矿Au 品位仅20 g/ t 左右,Au 回收率仅80%左右,生产指标不理想。为解决生产中存在的问题,提高生产指标,采用新型矿 泥分散剂植酸钠开展了系统的选矿试验,并对植酸钠分散矿泥的机理进行了分析。结果表明,采用1 粗3 精3 扫、中 矿顺序返回流程处理矿石,获得了Au 品位30. 80 g/ t、Au 回收率85. 65%的金精矿,该指标显著高于生产指标,充分体 现了植酸钠对矿泥的高效分散性。作用机理分析表明,绢云母细泥吸附在毒砂等矿物表面是造成现场分选指标不理 想的根本原因;当矿浆中添加植酸钠后,绢云母对毒砂的罩盖行为得到了很好的消除;植酸钠会选择性吸附在绢云母 表面,而基本不与毒砂表面发生吸附是植酸钠分散效果理想的根本原因。该研究结果对类似资源的开发具有指导 意义。

针对氰化浸金毒性大、浸出速率慢的难题,课题组自主开发了新型无氰提金药剂GLMC-101。为了验证 其有效性,以河南某冶炼厂浸铜渣为对象进行了单因素浸金试验,并通过红外光谱分析、XRD 物相分析和动力学拟合 进行了浸出作用机理研究。结果表明,在GLMC-101 用量30 kg/ t、温度55 ℃、矿浆pH=1、液固比4∶1 mL/ g、搅拌速度 500 r/ min 的条件下,30 min 的金浸出率达99. 33%,实现了金的高效浸出;红外光谱和XRD 物相分析表明,在浸金过 程中,赤铁矿和石英没有发生物相转变,石膏在酸性环境中被溶解;未反应收缩核模型对GLMC-101 浸金反应的动力 学拟合结果表明,该体系金的浸出过程主要受界面化学反应控制,表观浸出活化能Ea = 72. 2 kJ/ mol。新型提金剂 GLMC-101 具有浸出速率快、浸出操作简单的特点,对同类型金矿的绿色高效开发具有重要借鉴意义。

为解决油茶果实生产加工中所产生的副产物———油茶果壳的堆积和焚烧污染问题,并协同解决稀土元 素钕的高效、低成本回收问题。以废弃油茶果壳为原料,磷酸为改性剂,采用一步热解法制备了磷酸改性油茶果壳生 物炭(PBC),通过SEM-EDS、FTIR、BET、Zeta 电位、XPS 等表征方法探讨了油茶果壳生物炭改性前后的形貌特征及吸 附机理,同时进行了Nd3+的静态吸附试验。结果表明:改性后的油茶果壳生物炭比表面积明显增大,孔隙结构更加复 杂,且表面引入了含磷官能团;PBC 对Nd3+的吸附过程在6 h 左右达到吸附平衡,理论最大吸附量为20. 717 mg/ g;吸 附过程符合准二级动力学模型和Langmuir 等温线模型且属于吸热反应;PBC 在pH= 6 的条件下吸附量达到最大;共 存阳离子(NH+4 、Na+ 、K+ 、Ca2+ 、Zn2+ )对PBC 吸附Nd3+的影响不大,吸附量可维持在最大吸附量的70%以上;5 次吸附- 解吸试验表明,PBC 的吸附性能可保留最初吸附量的60%以上。PBC 对Nd3+ 的吸附机理主要包括孔隙填充、表面络 合、静电吸引、π—金属离子相互作用。研究表明,磷酸改性油茶果壳生物炭是一种制作简单、绿色环保、性能优良的 吸附材料,可用于绿色高效回收稀土钕。

为进一步明晰复合岩体中复杂的应力波传播规律和损伤分布规律,采用LS-DYNA 软件建立了相对较硬 岩石Ⅰ和相对较软岩石Ⅱ组成的复合岩体爆破模型,研究了复合岩体中爆源位置和岩体分界面与炮孔间的距离对破 岩效果的控制机制。结果表明:在复合岩体单孔爆破模型中,当应力波从岩石Ⅱ进入岩石Ⅰ时,岩石Ⅱ中岩石破碎加 剧,分界面距离炮孔中心50 cm 时,岩石Ⅱ内出现明显的破碎三角区;当应力波从岩石Ⅰ进入岩石Ⅱ时,从岩石Ⅰ越过 分界面进入岩石Ⅱ的裂纹长度增加。在复合岩体双孔爆破模型中,会出现应力波在相遇并叠加后、岩石Ⅱ中的应力 波继续向岩石Ⅰ传播的现象,两炮孔间的爆生裂纹或破碎区贯通时连心线上岩体的有效应力呈“W”形分布。在复合 岩体单孔或双孔爆破模型中,复合岩体的分形维数随着分界面向岩石Ⅰ一侧的炮孔靠近而增大,岩体破裂损伤更加 严重。分析结果对于类似条件下岩体工程爆破施工具有一定的参考意义。

矿山开采过程产生的爆破振动和噪声是引起扰民和民扰的重要原因,如何有效控制此类爆破危害以保 证矿山正常开采和周边社会和谐稳定是矿山企业和科研工作者长期关注的重要课题。以周边环境复杂、爆破危害控 制要求严格的罗恩盆地露天采场为例,综合考虑采场周边环境、爆破器材类型、靠帮并段等,开展了不同装药方案、起 爆方法和防护措施的减振控噪技术试验研究与应用工作。为削弱爆破振动危害,主爆区优化确定了分台阶并段、孔 底木支撑间隔装药、前排孔长延时起爆等组合减振控制方法,靠帮区域采用了提出的分束逐段预裂爆破新技术。为 控制爆破噪声,突破常规的导爆索起爆网络方法,采取了孔内雷管起爆、孔外延时传爆技术方案,并分别对炮孔和地 表雷管进行严格堵塞和岩粉覆盖防护。经长达10 个多月的现场应用表明:研究确定的爆破技术方案和措施安全可 靠,一次爆破炸药量由以往不足100 kg 增加到900~1 000 kg,爆破振动速度降低37. 5%以上;不仅实现了矿山大规模 正常开采,爆破振动和噪声强度也均控制在采场周边保护对象的安全允许范围内,对类似矿山开采具有一定的借鉴 作用。

内蒙古巴彦乌拉矿区及外围化探揭露异常区面积大,金属元素种类多,深部找矿潜力大。由于测区内 第四系覆盖严重,黄铁矿化、铅锌矿化和闪锌矿化岩体深部主要赋存于古元古界锡林郭勒杂岩群片麻岩中,在地表和 垂向上表现出不同的物性特征,利用磁法与激电法联合勘探解译,可以弥补各自不足,更加准确地推断矿体赋存情 况,做到以面定点、以点测深,以寻求该区深部找矿突破。在测区磁法和激电扫面解译的基础上,选取重点区域激电测 深剖面进行了反演,研究表明:① 通过对测区ΔT 磁异常进行化极、上下延拓处理后,揭露的3 处磁异常与化探异常位 置一致,推断其延伸超过200 m;② 激电测深解译显示电阻率最小的黄铁矿化构造岩对应深度大于200 m,极化率最 小的铅锌矿化石英闪长岩对应深度约150 m;③ 在靶区施工验证钻孔,所在地表出露岩体中黄铁矿化发育,钻孔中所 见黑云母斜长片麻岩内黄铁矿化较强,黄铁矿化呈细脉状、薄层状,局部可见粒状毒砂矿化,埋藏最深的闪锌矿超过 400 m。上述研究反映出,利用电、磁联合解译能取得良好的找矿效果,对测区下一步找矿靶区圈定及钻孔布设具有重 要指导意义,在相似地区有一定的应用前景。

随着企业对精准盘库需求不断增加,而传统体积测量方法无法满足实际生产要求,为解决这一难题,提 出了一种基于双目立体视觉与点云配准相结合的体积测量方法,旨在提高物料堆体积测量的精度和效率。首先,利 用双目相机采集2 组具有相同高度不同角度的物料堆俯视图像,同时改进AD-Census 算法,针对传统Census 变换过 度依赖中心像素的问题,提出了一种基于高斯加权的改进Census 变换,并在代价计算中加入梯度代价,提高了视差计 算的准确性和算法的稳定性。然后,利用改进的AD-Census 算法对2 组物料堆图像进行立体匹配生成物料堆的三维 点云。再通过ICP 算法实现点云配准和融合,提高物料堆点云数据的准确性和完整性。最后,采用Delaunay 三角剖 分算法对点云进行三角剖分并计算体积。经过多次试验证明,该方法在测量物料堆体积时误差为3. 02%,较改进前 降低了1. 04 个百分点,测量时间不超过10 min,能够满足物料堆体积测量试验要求。改进后的测量方法较原始方法 在测量精度上有一定的提升,对于企业精准盘库应用有一定的参考意义。

煤矿开采动态沉陷预测对于保证开采过程中地面建(构)筑物安全及实施边采边复具有重要作用。针 对基于常规双参时间函数(Weibull、MMF、Logistic 及Bertalanffy)进行开采动态沉陷预测时存在的预测精度偏低及模 型拟合程度不高的问题,提出了一种自适应混合寻优人工鱼群算法(Adaptive Hybrid Optimization Artificial Fish Swarm Algorithm,AHO-AFSA)实现双参时间函数参数最优值求解。该算法采用自适应视野和步长对人工鱼群算法(Artificial Fish Swarm Algorithm,AFSA)的固定视野和步长进行改进,并将相对成熟但易陷入局部极值的粒子群算法与尚未广泛 应用于地表动态沉陷预测的人工鱼群算法(AFSA)相结合,实现了利用寻优算法求取双参时间函数参数精度的提升。 同时以静态概率积分预测模型为基础,通过复化辛普森公式优化地表点静态沉降值的求解过程,并基于此构建了煤 矿开采地表动态沉陷预测理论模型。通过实测数据验证得出:利用优化求解双参的自适应混合寻优人工鱼群算法, 基于Weibull、MMF、Logistic 和Bertalanffy 4 种时间函数模型的总体相对误差精度分别提升了2. 44%、0. 35%、1. 48%和 3. 11%,总体拟合误差在10. 3%以内,算法用于反演双参时间函数参数进行动态沉陷预测具有较高精度。研究成果对 于基于寻优算法反演双参时间函数参数的煤矿开采动态沉陷精准预测具有参考价值。

矿山生产过程精细化建模和场景展示,可以实现对矿山三维空间分布的精细刻画,同时提高矿山灾害 监测预警的时效性和可视化程度。将精细化地质建模技术与矿山灾害监测预警方法相结合,搭建了兼容PC 端浏览 器和手机端APP 的三维可视化地表灾害监测预警云平台。采用Hermite 径向基隐函数、MaskR-CNN 网络和反距离加 权插值法等多源数据融合的矿山精细化建模方法,利用无人机摄影测量、InSAR 数据、钻孔岩芯等多源异构数据,实现 了地表形态、地层分布、岩体质量等信息的精细化智能表征,以及由表及里的矿山精细化模型构建。在此基础上,研发 了一种岩体质量智能计算的移动端APP 进行钻孔岩芯数据快速采集及智能识别,并采用WebGL 和云计算技术搭建 了兼容PC 端浏览器和手机端APP 的三维可视化监测预警云平台。该平台被应用到阿尔哈达铅锌矿,融合精细化模 型和虚拟现实矿山场景构建,将研究对象的空间数据信息、监测信息以及精细化建模等进行了统一管理和可视化。 研究表明:三维虚拟现实场景的多终端嵌入以及矿山灾害预警预报的高度可视化,方便矿山工作人员快速了解地表 稳定性情况,在一定程度上可为矿山安全生产提供保障。

地质雷达在矿井地质构造及灾害源探测中得到了广泛应用,常规地面耦合式地质雷达天线需要贴近探 测面进行作业,受限于复杂矿井环境,难以在工作面上进行快速连续测量,也无法满足煤岩界面随采实时探测需求。 为此,通过对矿井非接触式煤岩界面探测天线及智能升降支架系统进行研究,研发了矿井煤岩界面探测天线及智能 升降支架系统。通过优化TEM 天线辐射面和加载屏蔽装置,开发了一种适用于煤岩界面探测的1 500 MHz 空耦地质 雷达天线,相对带宽可达553 MHz,主瓣增益11. 53 dBi;设计了一种智能升降支架,可实现在矿井综采工作面随采高 及煤层倾角变化,实时自适应调节空耦天线位置姿态,满足矿井复杂环境下的应用需求。试验结果表明:所研发的矿 井煤岩界面探测天线可实现对煤岩界面的非接触式探测,在1 m 范围内探测煤岩界面位置的平均绝对误差为 1. 2 cm,平均误差百分比为8. 5%,为矿井智能化开采提供了技术支撑。

针对复杂工况下矿井开采设备齿轮减速器故障预测精度不高、实时性不强的问题,提出了一种基于并 行多尺度特征融合的矿井开采设备齿轮减速器故障预测模型。首先,利用卷积神经网络Vgg-16 提取齿轮减速器故障 数据的空间特征;然后,利用双向长短时记忆神经网络(Bi-directional Long Short-Term Memory,Bi-LSTM)提取齿轮减速 器故障数据的时序特征,并借助交叉融合注意力实现井下开采设备齿轮减速器故障数据空间特征和时序特征的深度 融合,增强故障特征表达的可靠性和鲁棒性;最后,利用Softmax 函数实现待测齿轮减速器故障的实时预测。通过在 宁夏某矿井采集的多工况条件下的开采设备齿轮减速器故障数据集上进行测试,结果表明:所提模型在单一工况场 景下可以实现94. 38%的准确率、94. 25%的精准率、94. 16%的召回率和95. 08%的F1 值,在多工况场景下可以实现 92. 73%的准确率、91. 86%的精准率、91. 04%的召回率和92. 39%的F1 值,综合性能优于经典的齿轮故障预测模型。

由于矿山道路没有路肩且道路边界线十分模糊,因此区分道路边界线之内的可行驶区域与边界线以外 的非可行驶区域成为亟待解决的问题。为提升露天矿车行驶的安全性,提出了一种基于图卷积神经网络的露天矿车 道路边界检测算法。首先利用kd-tree 算法和基于体素化的八叉树滤波算法构成的复合索引结构对点云数据进行精 简和滤波,剔除点云数据中的异常点和高噪声点;再通过基于K-means 聚类对精简后的点云数据进行图卷积神经网络 运算提取出地面点,非地面点通过聚类方法寻找邻域构成三角面,利用三角面的法向量拟合非地面即得到曲面;最后 计算拟合最优地面和非地面的交线即为所求的道路边界线。试验结果表明:提出的道路边界检测算法能很好地检测 出边界线,为矿山道路无人驾驶提供安全范围,有助于提升无人运行矿车驾驶的安全性。

矿用车辆在露天矿山道路上运行时,行驶前方受到灰尘、煤尘等干扰,极大影响了宽体车对道路边界等 信息的感知,给智能矿山建设带来了严峻挑战。道路边界检测是宽体车安全运行的关键技术之一,获取道路边界信 息可用于辅助宽体车的感知、规划和定位。针对灰尘、煤尘影响等问题,提出了一种基于点云分割的露天矿山非结构 化道路边界检测方法。首先利用主成分分析法降维,用二次滤波优化点云数据;再通过扇环栅格化简化点云、基于法 向量的地面点分割、基于区域增长的扇环邻域平面拟合、RANSAC 算法优化地平面,对优化的平面进行水平校准,进一 步对道路边界与路面形成的高度差进行特征提取;最后根据高度差和路沿、激光雷达及其雷达投影点构成的角度提 取边界特征,采用最小二乘法拟合边界,从而提取出露天矿非结构化道路边界。在大南湖二号露天煤矿进行了道路 边界检测试验,结果表明:所提方法有效实现了矿山道路边界检测,生成的接近实际路况的道路边界满足了车辆运行 的实时性要求,为露天矿无人驾驶提供了技术支撑。

矿井人机定位是矿山安全生产和智能矿山建设的重要技术手段,为提高井下人机定位的精度和稳定 性,提出了一种基于超宽带(UWB)与改进加权质心的定位算法。该算法利用UWB 信号的高时空分辨率和抗多径干 扰能力,结合改进加权质心算法的低计算复杂度特点,实现矿井环境中的人机定位。首先通过对UWB 信号的到达时 间进行测量,得到定位节点与锚节点之间的距离;再根据距离的不确定性,采用一种基于概率分布的权重计算方法, 对每个锚节点赋予一个合理的权重;最后根据加权质心公式,计算出定位节点坐标。试验结果表明:与传统的加权质 心算法和最小二乘算法相比,该算法具有更高的定位精度和更低的定位误差,为井下人机定位提供了一种新方法,对 于提升矿井智能化水平有一定的意义。

浮选泡沫的表面视觉特征是浮选工况和相关工艺指标的指示器,传统的浮选泡沫图像分割方法存在特 征提取能力弱、边缘分割不准确、容易造成漏分割等问题。为解决这一现实问题,以便更科学、客观地实现对浮选作业 的智能化控制,研究以黄铁矿浮选泡沫为对象,提出了改进的IG-EMA-U2Net 泡沫分割算法。该算法以U2Net 为主干 网络,首先在U2Net 外部的下采样处引入EMA 注意力机制,提升网络对泡沫的关注度,减少下采样和跳跃连接造成的 空间信息损失;再将改进的InceptionV1+BN 模块替换RSU7 残差块的第一层卷积池化模块,得到IRU 模块,增强对泡 沫图像特征信息的提取能力;最后提出GRU 模块,使用GhostConv 替代RSU5、RSU4 和RSU4F 中的传统卷积,在分割 精度不变的情况下,减小算法的计算成本和参数量。研究表明,IG-EMA-U2Net 算法的Dice 系数、召回率R 和F1-score 分别达93. 98%、94. 07%和94. 00%,较常用分割算法UNet、DeepLabV3+和U2Net 的分割精度更高、分割效果更好,有 效减少了漏分割。

选用适宜的浮选质量在线监测方法可快速、准确地获取矿浆品位等浮选产品质量信息,从而对浮选状 态作出必要的、及时的调整。为了指导相关从业人员科学、准确地选择和运用现有的浮选质量在线监测方法,在系统 介绍了不同在线监测方法机理的基础上,逐一回顾了各方法在国内外的应用情况,并对各技术的特点、应用现状及优 缺点进行了比较,指出需要结合生产实际环境和精度要求选用合适的监测技术。最后对浮选质量在线监测方法的发 展趋势进行了展望。在线监测方法的研发将进一步推动自动化技术在选矿领域的应用,达到稳定生产指标,提高生 产效率的目的。

闭库尾矿库作为一种普遍存在、具有失稳风险的构筑物,缺乏安全准确的地质调查技术,从而无法有效 开展现状地质条件下的稳定性分析。为此,提出了一种闭库尾矿库现状稳定性分析方法,即引入微动调查方法勘探 闭库尾矿库地质结构,辅以岩土试验测试尾矿力学性质,在此基础上开展闭库尾矿库现状稳定性数值模拟分析,识别 闭库尾矿库的潜在危险源,并提出风险防治建议。将该方法应用到某典型闭库尾矿库中,研究表明:① 该尾矿库分布 有4 个低速异常体,推测为泥质透镜体和饱和尾矿;② 软弱地质异常体工程特性差,易诱发库体产生“U”形和圆弧形 的耦合型滑移破坏;③ 软弱地质异常体和挖掘坡面是闭库尾矿库尾砂干式回采工程中的失稳危险源。该方法能快速 实现闭库尾矿库的地质结构无损调查、稳定性现状分析、潜在危险源识别,是尾矿库闭库治理的有力工具。

尾矿坝安全稳定运行是有色冶金企业安全管理的重大关注点,而尾矿坝浸润线的观测和控制是保证尾 矿坝稳定的关键。当尾矿库水位上升时,尾矿坝干滩变短,坝内浸润线随之升高,坝体稳定性降低。当尾矿坝浸润线 上升到某个临界状态时,坝体稳定会达到某个临界点,当浸润线上升超出该临界状态时,尾矿坝会面临溃坝危险。因 此,快速降低尾矿坝浸润线,是保证大坝安全稳定的迫切需要。从5 个方面详细分析了尾矿坝中浸润线上升原因,认 为浸润线抬高的本质是尾矿坝体内的排渗能力减弱,易导致尾矿坝下游坡面上出现管涌、流土等渗透破坏风险。在 此基础上,提出了轻型井+电渗井和普通降水井组合形成的阶状急降浸润线法(即面积法),并结合具体案例分析了方 案实施要点和可靠性。研究表明:所提方法适用于在紧急情况下难以采用常规思路(坝体岩土工程勘察—坝体稳定 分析—提出抢险方案)处理的坝体出险,可为尾矿库进一步实现安全治理赢得时间,为后续坝体加固创造安全的施工 空间,对于高浸润线尾矿坝快速降低浸润线进行大坝抢险具有较好的参考意义。

为了研究高溜井卸矿过程中粉尘的产生和分布及其影响因素,提出合理有效的粉尘控制措施,根据相 似原理,建立了多中段高溜井的相似试验模型,通过改变卸矿试验过程的参数条件,监测粉尘浓度的分布特性,并对 其主要影响因素进行了灰色关联分析。结果表明:卸矿时底部中段粉尘浓度及粉尘沉降时间都远大于上部中段;卸 矿流量越大及卸矿高度越高,粉尘平均浓度越高;粉尘浓度随矿石粒径及溜井阻力系数增大而减小;矿石含水率增加 卸矿口粉尘浓度显著下降,含水率超过3. 5%时,粉尘浓度下降趋势较缓;卸矿口粉尘浓度与矿石含水率、卸矿高度关 联度最高,其次是溜井阻力系数、卸矿流量和矿石粒径大小。试验结果与现场测试数据相吻合,为有针对性地提出高 溜井粉尘控制措施提供了理论基础。

矿山露天开采会引发一系列环境问题,对矿区环境的动态监测是建设绿色矿山的重要部分。针对矿区 生态环境特点,利用遥感技术提取矿区生态环境质量特征的主要生态环境因子,以迁安某矿区为研究对象,基于 2000—2022 年5 期Landsat 影像,集成绿度、湿度、干度、热度4 个指标分量,采用主成分分析方法,构建了改进遥感生 态指数(Correction Remote Sensing Ecological Index,CRSEI)反映矿区生态环境质量状况,进行矿区生态环境质量动态 监测。结果表明:CRSEI 与指标分量的平均相关度高于分量之间的平均相关度,对矿区生态环境质量具有良好的表征 效果。研究区生态环境质量经历了向差等级的转变,生态环境质量较差区域主要集中分布在工矿用地及城镇建设用 地,呈交错分布特征,目前整体恢复到中等状态。5 期CRSEI 均值分别为0. 53、0. 39、0. 46、0. 47 和0. 66,2008 年以后, 呈增长变化趋势,修复效果显著,矿区生态环境质量在逐渐改善,环境水平空间差异性由2000 年高低差异分布变为 2022 年中等均衡分布。动态监测结果显示,研究区22 a 间生态变好区域占比(41. 43%) 大于生态变差区域 (33. 29%),矿区生态修复措施取得良好效果,应加大修复力度,实现生态环境可持续发展。

印染废水水质复杂,其中甲基橙(Methyl Orange,MO)为典型的污染组分,具有色度深、毒性强、对光和热 敏感度低等特点,因而成为环保科研工作者研究的重要对象。单独臭氧(O3 )氧化存在气液相传质效率低,容易受羟 基自由基含量等的制约,微纳米气泡技术正好可以弥补此缺陷。基于此,研究采用臭氧微纳米气泡(O3-MNBs)氧化体 系降解偶氮染料MO,考察了模拟废水初始pH 值、MO 初始浓度和O3 通入量对体系降解MO 的影响。结果表明,臭氧 微纳米气泡高级氧化体系较单独O3 和单独微纳米气泡对MO 的降解效果有明显提升,降解过程符合准一级动力学模 型,且R2≥0. 9;在MO 初始浓度25 mg/ L、pH= 4. 6、O3 流量为1 L/ min 的最佳条件下,反应6 min 的MO 降解率达 99%;自由基猝灭试验表明,羟基自由基(·OH)为O3-MNBs 体系主要的作用基团,有利于有机物的矿化,这主要是由 于微纳米气泡自身破裂产生自由基,同时在界面处促进了羟基自由基与甲基橙的接触。

为了了解河北某铅锌尾矿库周边土壤中主要重金属元素的危险性,并给环境污染防治提供科学依据, 分析了土壤重金属元素Zn、Pb、Cu、和Cr 的空间分布特征,采用单因子污染指数法、地累积污染指数法、潜在生态风险 指数法进行了污染程度分析,并进行了人体健康风险评价。结果表明,尾矿库周边土壤中Zn、Pb、Cu 和Cr 的含量分 别是河北省土壤环境背景值的0. 91~1. 71 倍、1. 69~8. 25 倍、0. 53~0. 83 倍和0. 32~0. 44 倍,Zn 和Pb 已出现较高累 积,空间上具有明显异质性;尾矿库周边土壤重金属元素含量呈现以尾矿库为中心向外辐射的趋势,尾矿库近距离采样 点重金属含量一般高于远距离采样点;土壤中Pb 污染最严重,风险水平较高,Zn 为轻度到中度污染;存在潜在致癌风 险,经口摄入是重金属元素的主要暴露方式,儿童致癌风险高于成人。研究区金属硫化矿尾矿重金属污染需特别关注。

研究矿区排土场不同灌木林土壤养分的变化特征,定量评价不同固沙灌木林土壤质量,对排土场合理 选择固沙树种和指导生态修复具有重要的现实意义。选取种植沙棘、拧条、巨菌草、欧李、蛋白桑、文冠果6 种灌木的 固沙地与裸地(BS)进行对照,通过分析土壤化学性质并结合主成分分析与土壤质量指数法,定量评估了不同灌木对 土壤质量的改良效应。结果表明:6 种灌木林土壤的有机质含量均高于对照组,对土壤养分的影响呈现出各自特点。 巨菌草土壤的pH 值、全磷以及速效磷含量均达到最高水平;拧条土壤在全氮和速效钾含量上表现突出;欧李土壤在 碱解氮和全盐量方面表现最优;沙棘土壤的全钾含量最高。相关性分析揭示,土壤化学性质之间存在显著的正相关 性。基于土壤综合质量指数的评估结果,拧条、欧李和巨菌草在土壤质量恢复方面展现出了卓越的性能,表现显著优 于其他灌木。这对满来梁矿区排土场土壤质量的恢复具有重要指导意义,表明这3 种灌木林是恢复该区域土壤质量 的最佳选择。通过土壤综合质量指数计算结果可知,土壤质量评价综合得分从大到小排序为拧条、欧李、巨菌草、沙 棘、文冠果、蛋白桑、BS,拧条、欧李和巨菌草最有利于矿区排土场土壤质量恢复。

为厘清不同配比条件下微硅粉基激发剂的激发效果和控制机理,以河道沉积粉煤灰和磷尾矿为原料、 新型微硅粉为激发剂制备地质聚合物注浆材料试件,并采用X 射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱和能谱/ 扫描电镜等 手段对地质聚合物注浆材料的物理力学性能、元素矿物组成和微观组构进行了系统分析。结果表明,利用微硅粉基 激发剂制备的地质聚合物注浆材料试件胶结紧密、结石率高、抗压强度高,具有良好的工作性能。微区分析表明,微硅 粉基激发剂促进了粉煤灰/ 磷尾矿中的低聚合度硅铝质反应单体的溶出,促进了Ca2+ 在地聚物胶体中的富集,微硅粉 的微集料效应还优化了地聚物注浆材料的收缩性和宏观力学性能,对地质聚合物反应起到显著的激发和促进作用。

为减轻钢渣对环境造成的负担,并提高其利用价值,将钢渣碾磨成细粉作为胶凝材料替代等量水泥,同 时复掺硅灰,形成钢渣微粉-硅灰-水泥三元胶凝材料,对该材料胶砂体系的水化机理进行了研究。结果表明:钢渣微 粉能有效抑制水泥基材料的早期水化放热,降低水化热速率峰值和放热总量,但早期强度出现下降。复掺硅灰后,可 以利用其填充效应弥补早期强度损失,且硅灰的二次水化反应能明显改善砂浆的中后期强度。为进一步增强三元复 合体系的早期强度,可以适当降低水胶比。当水胶比降至0. 38 时,早期放热速率峰值出现抬升,不利于材料的温升控 制,但总体放热量保持稳定。水泥基材料复掺钢渣微粉和硅灰不仅可以改善其早期水化放热量,还具有优异的中后 期强度值,且每立方米的碳排放量相较于纯水泥砂浆减少了17. 1%~24. 5%,节约能源12. 4%~19. 7%,实现了废弃钢 渣的二次清洁开发利用。

为探究沙漠沙钢渣混凝土(DSSC)在冻融环境下的耐久性,用沙漠沙替代30%的细砂并用钢渣粉替代 10%的水泥制作DSSC,同时设置普通混凝土(OPC)作为对照组,进行快速冻融试验,分析DSSC 与OPC 在不同冻融循 环次数下的外观形貌变化、质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度变化规律,并通过微观试验分析DSSC 内部及孔 隙的变化,结合相对动弹性模量试验数据,采用傅里叶函数简化形式建立了不同掺合物混凝土的冻融损伤模型。结 果表明:在冻融循环环境下,DSSC 较OPC 表面剥落现象更严重;两者质量损失率均呈现先减少后增大的趋势,相对动 弹性模量和抗压强度均逐渐减小。微观试验揭示,随着冻融循环次数的增加,DSSC 内部结构逐渐劣化,孔隙增大、裂 缝增多并贯通,强度显著降低。基于傅里叶函数简化形式建立的冻融损伤模型准确性较高,适用于不同掺合物的混 凝土,能够有效反映其冻融损伤规律。

为了解不同加载速率下矿井煤矸石充填体的安全可靠性,开展了不同灰砂比、不同粉煤灰掺量下,充填 料浆的流动性、充填体试样不同加载速率下的单轴抗压强度及压缩过程中的变形破坏特征研究。结果表明:① 粉煤 灰(FA)能够有效改善料浆的流动性能,在试验掺量下,充填料浆的坍落度、扩展度、初凝时间、终凝时间、泌水率的最 大变动量为+28. 56%、+39. 08%、+58. 50%、+63. 08%、-52. 73%。② 在FA 掺量30%、灰砂比1 ∶4、加载速率为1. 0 mm/ min 情况下,充填体试样的单轴抗压强度最大。③ 随着加载速率和FA 掺量的增加,充填体试样应力-应变曲线 在间隙压密阶段呈现加速完成趋势、线弹变形阶段斜率增大、裂隙破坏阶段峰值强度增强等现象。④ FA 掺量从10% 增加到30%,充填体试样的主要破坏形式由单一拉伸、剪切等向复杂的拉剪破坏转化,且破坏性有所增强;加载速率 从0. 5 mm/ min 增至2. 0 mm/ min,充填体试样受破坏程度也明显增强。