胶结充填体是充填采矿法中支撑采场围岩、控制地压活动和保障采场稳定的关键承载结构,其损伤演 化规律与本构模型直接关系到深部采场稳定性评价和充填体参数设计。随着矿山开采向深部延伸,充填体长期处于 高地应力、高地温、渗流及爆破扰动等复杂环境中,传统以强度参数为核心的评价方法已难以满足工程需求。立足深 部金属矿山安全高效开采和绿色充填发展需求,围绕胶结充填体损伤表征、损伤演化及本构建模问题,系统综述了胶 结充填体损伤演化与本构模型研究进展。首先,梳理了弹性模量退化、统计分布理论、能量耗散、声发射参数及物理探 测等损伤变量定义方法;其次,从单轴压缩、常规三轴、真三轴及温度—渗流—化学等特殊环境出发,总结了静态荷载 下损伤演化规律,并从应变率效应、动静组合加载和循环冲击等方面分析了动态损伤积累特征;在此基础上,评述了 静态损伤本构模型、蠕变本构模型、动态损伤本构模型及充填体—围岩组合体本构模型的研究现状。结果表明:① 胶 结充填体损伤变量已由单一宏观力学参数表征逐步发展为多源损伤表征,但不同指标之间的定量联系仍需完善; ② 静态荷载下充填体损伤演化受应力路径、材料配比及服役环境共同影响,表现出明显的阶段性和路径相关性; ③ 动态荷载下充填体损伤主要表现为应变率效应、动静组合响应和循环冲击累积效应,但室内试验与现场扰动条件 仍存在差距;④ 现有本构模型已能描述多类力学行为,但模型参数物理意义、适用边界和工程推广性仍有待加强。 “十五五”乃至更长一段时期,该领域研究应聚焦于:① 建立多源损伤指标的定量关联与多尺度损伤变量表征体系; ② 深化热—水—力—化学多场耦合损伤机制,发展广义多场耦合本构模型;③ 发展真三轴动静组合加载和循环冲击 试验方法,建立室内试验与现场扰动条件的定量对应关系;④ 建立本构模型参数的可预测标定体系,提升模型的物理 意义明确性与工程适用性;⑤ 推动数据驱动与物理机制融合的智能损伤识别和稳定性预警技术发展。

炮孔堵塞技术在提升岩石爆破能量利用率与保障工程施工质量方面发挥着关键作用。立足国家能源 安全、绿色低碳发展和地下工程安全精准爆破需求,结合近20 a来国内外岩石爆破领域典型技术成果以及团队研究 积累,系统梳理了炮孔堵塞理论与技术的发展脉络,并围绕堵塞机理、堵塞长度理论模型与设计方法、堵塞材料性能 表征与评价、堵塞施工技术与装备发展4个方面,综述了岩石爆破炮孔堵塞理论与技术的研究进展。研究结果表明: ① 现有研究已从经验型堵塞逐步发展至基于力学与能量分析的机理研究阶段;② 堵塞长度设计研究不断深化,但多 数理论模型与试验成果在复杂现场条件下的适应性仍有待验证;③ 堵塞材料研究不断取得进展,但在材料性能的普 适性、工况定向适配性以及统一评价体系构建方面仍有待完善;④ 堵塞技术正由传统人工捣实方式向机械化、智能化 装备方向发展,为实现爆破过程的精细化与标准化提供了技术基础。同时,当前研究仍存在堵塞机理认识和堵塞长 度模型对复杂工程条件适应性不足,材料性能适用性与统一评价体系不足,施工装备数智化和在线监测能力不足,理 论研究与材料研发、工艺装备及工程应用协同转化机制不完善等问题。面向“十五五”乃至更长一段时期,该领域应 重点围绕堵塞机理与工程条件耦合的堵塞长度模型、新型堵塞材料及系统评价体系、堵塞施工与质量监测一体化数 智装备、产—学—研—用协同转化机制等方向,推动炮孔堵塞技术向安全、精细、绿色与智能化方向发展。

随着金属矿产资源开发向深部转移成为必然趋势,采选充一体化工艺已成为应对深部复杂地质环境与 实现集约化开采的核心发展方向。然而,基于传统钻爆法的一体化工艺普遍存在工序间断、块度失控、分选精度低与 系统协同难等瓶颈。研究提出了基于非爆机械化采掘的采选充一体化新工艺,以机械化连续采掘、精准块度控制、地 下高效选别与废石原位充填为核心,通过源头工艺革新与模块化系统集成,构建“采—选—充—采”闭环运行模式,旨 在显著提升开采效率与资源回收率,并从源头降低能耗与环境风险。通过系统阐述该工艺的总体架构、关键技术及 适配不同矿体地质条件的个性化解决方案思路,以期为深部复杂矿床安全、绿色、高效开发提供理论和技术参考。

矿山企业在面对大宗商品市场动态需求波动时,存在静态采矿生产计划难以匹配多变市场需求,导致 资源配置效率低与经营风险高的问题。提出一种基于“预测—生成—评估”一体化框架的月计划调整优化方法。首 先,构建隐马尔可夫模型(HMM)挖掘期货交易数据的时序特征,辨识市场需求的潜隐状态(高/中/低);其次,建立动 态需求与风险偏好耦合的计划生成模型,引入不同等级的高斯扰动模拟决策者的风险偏好(进取/中立/保守),并结 合矿山工艺约束生成差异化的备选计划集;最后,构建DEA-AHP综合评估体系,量化客观生产效率并融入不同市场 状态下的管理策略权重,实现最优方案筛选。基于某矿山企业实际采矿生产数据的仿真测试显示,该方法生成的优 化计划在全部9种测试场景下综合效用评分均优于原计划,平均提升幅度约0.94%,有效解决了生产决策与动态需求 脱节的难题,为动态市场环境下的科学决策提供了理论支持。

针对固废材料资源化利用的低成本充填问题,以脱硫石膏、钢渣、矿渣等多元固废为研究对象,开展多 元全固废基胶凝材料配比优化研究。基于混料设计理论,设计16组配比方案,制备7 d、28 d龄期的多元固废基尾砂 胶结充填体,通过动静态力学试验,探究其力学响应规律及满足动静态强度要求的最优配比。结果表明:① 充填体动 静态抗压强度呈显著正相关,同配比下动态强度均高于静态强度,且28 d龄期充填体的动静态强度普遍高于7 d龄 期。② 基于响应面法构建的强度预测模型准确性良好,结合多元固废因素分析,发现矿渣含量主导静荷载下充填体 强度,脱硫石膏含量对动荷载下强度影响最为显著。③ 灰砂比与料浆浓度固定时,充填体强度由多元固废协同作用 决定,在“低—中量脱硫石膏+适中钢渣+高矿渣”的平衡配比下,多元固废基尾砂胶结充填体强度较高。研究成果可 为固废基胶凝材料的配比设计提供理论指导。

锯齿形节理是岩体力学研究中重要的理想化模型,其抗剪强度精准预测对岩体工程意义重大。本研究 融合群智能优化技术与可解释数据驱动方法,以50组直剪试验数据为基础,选取4项关键参数为输入、抗剪强度为输 出,构建4种机器学习基础模型与2种群智能优化组合模型,通过6项指标量化评价模型性能,并结合TreeSHAP方法 解析输入参数特征重要度。研究发现,群智能优化组合模型预测性能显著优于传统机器学习模型,其中CSA-XGBoost 为最优模型,可实现精准预测;节理面法向应力与节理倾角为核心影响参数,累计特征重要度超58%。本研究为锯齿 形节理岩体抗剪强度定量评估提供了高效技术路线,也为同类岩体力学参数智能预测提供参考,后续可补充样本与 工程验证提升模型泛化能力。

多物理场信息融合是岩体失稳预警的研究热点。以红外温度突变比率(ITMR)、声发射突变率(AEMR) 为量化指标,对岩石破坏过程不同阶段的声发射和红外温变特征进行了试验研究。结果表明:试件加载过程中的切 线模量呈现出“快速上升—平稳升降—快速下降”的阶段性特征,利用平稳升降阶段极大值确定的起裂强度为83.39 MPa,约为峰值强度的53%;切线模量变化速率随着应变的增加,呈现出“快速下降—平稳下降—快速下降”的阶段性 特征,其中平稳下降和快速下降之间存在明显的拐点,根据拐点确定的损伤强度为139.67 MPa,约为峰值强度的 89%;以起裂强度、损伤强度为界,试件变形过程可被划分为压密—弹性阶段Ⅰ、裂纹萌生与稳定扩展阶段Ⅱ、裂纹不 稳定扩展破坏阶段Ⅲ。AEMR、ITMR异常存在明显的互补关系;在阶段Ⅰ,AEMR、ITMR变化较为稳定,均表现为小范 围内平稳波动;在阶段Ⅱ,AEMR表现为剧烈的大幅度异常跳变频繁出现,可作为岩石破坏的前期前兆,而ITMR变化 平稳;在阶段Ⅲ,AEMR先有大幅度跳动异常,随后达到平静期,而ITMR大幅跳变异常较为明显,该异常可以作为岩石 失稳的后期前兆。研究结果对岩土工程失稳的红外和声发射联合预警具有促进意义。

深部煤矿开采长期面临高应力、强腐蚀和高地温耦合作用环境,注浆锚索服役性能衰减显著,亟需建立 能够表征其锈蚀强度劣化过程的分析方法。以赵楼煤矿为工程背景,采用理论推导与数值模拟相结合的方法系统分 析了注浆锚索锈蚀影响因素,构建了考虑氯离子浓度与温度效应的锈蚀速率模型,并进一步建立了注浆锚索锈蚀强 度劣化时变模型。研究表明:注浆锚索锈蚀强度劣化受腐蚀介质扩散、温度变化及材料—界面协同退化共同控制,表 现为锚索承载能力与界面粘结性能随服役时间持续衰减。注浆锚索锈蚀程度随着服役时间增加不断加剧,服役5 a 时锈蚀率达到12.83%,极限承载力损失率达到12.53%。数值模拟结果表明,锈蚀条件下巷道围岩变形与应力重分 布更为明显,顶板中心点沉降最大差值为5%,顶板中心线应力最大差值为10.6%,锈蚀效应对深部巷道支护体系长 期稳定性具有不可忽视的影响。开展注浆锚索锈蚀强度劣化机理及其时变响应研究,对于提升深井巷道支护设计的 科学性和保障工程长期安全具有重要意义。

为研究围压参数对岩石蠕变特性的影响,开展了多种围压条件下的岩石蠕变试验。结合硬化函数与损 伤变量,构建了硬化—损伤耦合围岩三维蠕变模型,并基于屈服准则和塑性势函数实现了一维关系向三维应力状态 的拓展。结合试验结果完成参数反演后,对模型进行了验证。结果表明:该模型得到的蠕变曲线与试验曲线总体吻合 良好,仅在加速蠕变阶段存在局部差异,但两者相关系数均大于0.90,说明该模型能够较好地描述岩石蠕变全过程。 与西原模型相比,所建立的硬化—损伤耦合围岩三维蠕变模型不仅能够表征蠕变过程中硬化效应与损伤效应的协同 演化,而且对减速蠕变、稳态蠕变及加速蠕变阶段的变化规律具有更强的刻画能力,可为围岩长期稳定性分析及岩土 工程设计提供理论参考。

在工作面采动影响下,地质构造区域易诱发冲击地压,对矿山开采造成较大安全隐患。针对某矿深部 围岩在高应力、高渗透压及复杂地质条件下变形加剧和支护失效问题,为明确深部围岩变形破坏机制并支撑支护方 案优化,采用三轴循环加卸载试验分析不同围压条件下的岩石强度、变形能力及能量演化特征;进行FLAC3D数值模 拟,揭示不同倾角节理条件下的应力波传播规律、应力集中分布及围岩破坏形态;结合现场应力监测获取采动扰动下 的巷道围岩应力变化和变形响应特征,并用于验证数值模拟结果和支撑支护参数取值。研究表明:在深部高应力环 境下,围岩的节理倾角显著影响应力波传播及岩体破坏形式。随着节理倾角增大,岩体的拉伸破坏范围扩大,剪切破 坏面积逐渐增加,围岩稳定性显著降低。高应力条件下,围岩的能量演化特征表现为弹性能占比在低应力状态下略 有提高,而耗散能占比在高应力状态下显著增加,表明围岩在高应力环境下更易发生塑性变形和能量耗散。在此基 础上提出了锚网喷联合支护方案,该方案通过树脂锚固增强锚杆与围岩之间的黏结作用,利用金属网约束破碎围岩, 并通过喷浆层形成连续封闭的防护结构,从而提升巷道围岩整体性和自稳能力。研究结果表明,该支护方案较传统U 形钢拱架支护材料费用更低,且可有效减少底板隆起、控制顶板裂隙发育和两帮收敛变形,巷道断面完整性和围岩稳 定性得到明显改善,为深部矿山巷道围岩变形防控提供了理论依据和技术支持。

攀枝花—西昌(攀西)地区钒钛磁铁矿资源开发利用面临低品位、复杂共生矿石的选矿难题。本文在系 统梳理已有技术创新成果的基础上,重点提炼了矿物赋存特性与开发技术的适配规律,整合选别优化、装备研发、药 剂创制及伴生元素回收等多个环节的技术成果,构建了全流程技术分析框架。结果表明:选铁环节通过高压辊磨预 抛尾(抛尾率约40%,能耗降低35%左右)、阶段磨矿选别及磁选—浮选联合提纯,实现铁精矿提质降耗;选钛环节依 托重选—磁选—浮选联合流程,结合新型捕收剂与智能装备,使-0.038 mm微细粒钛铁矿回收率从20%左右提升至 35%左右,钛精矿品位达46%以上;伴生元素通过浮选—冶金联合工艺实现协同提取,钒随铁精矿冶炼回收,铬、钴、镍 从选铁尾矿中富集,钠化焙烧—直接还原耦合工艺对钒、铁、钛的回收提供了新思路。本文系统总结了现有全流程开 发技术成果,明确了设备、药剂与工艺的适配逻辑及矿物赋存与开发技术的匹配规律,为后续技术优化提供了参考。 未来需向智能化与绿色化方向深化,推动资源高效清洁开发,以保障国家战略资源安全。

随着易处理金矿的逐渐枯竭,矿业界不得不面对难处理金矿的处理,其中兼具硫化物包裹与碳质“劫 金”效应的双难处理金矿(Double Refractory Gold Ores,DRGOs)已成为当前黄金冶炼的瓶颈。焙烧、加压氧化等传统 预处理方法虽能有效破坏硫化物结构并释放被包裹的金,但存在能耗与成本高、污染严重等问题,难以契合当代矿业 绿色低碳发展的需求。生物氧化作为一种环境友好型预处理技术,正逐步成为处理难选金矿尤其是双难处理金矿的 重要发展方向与研究热点。本文系统综述了生物氧化预处理金矿的作用机制与制约因素,重点阐述了硫化物生物氧 化的直接-间接协同机制、碳质物降解路径、钝化层形成规律与消除策略、微生物在高砷高酸环境下的应激防御机制, 并探讨了多组学技术在微生物功能网络与代谢调控解析中的应用。通过对上述研究进展的梳理与整合,本文揭示了 嗜酸微生物Fe/S能量代谢、砷抗性调控及自养-异养菌群协同代谢的核心机制,提出了协同处理“劫金”与“钝化”双 重难题的联合工艺发展方向,并指出多组学技术从数据描述向功能预测与精准调控跨越的未来趋势,旨在为双难处 理金矿的高效、可持续利用提供理论与技术支撑。

为提高白云鄂博铁、稀土、萤石等多金属非金属矿产资源的综合利用率,采用X射线衍射分析、化学成 分分析、扫描电镜(SEM)、矿物自动分析仪(MLA)等检测方法,对白云鄂博堆存多年的中贫氧化矿进行了工艺矿物学 研究。结果表明,原矿TFe品位为28.74%,REO品位为5.45%;主要有用矿物为磁/赤铁矿、独居石、氟碳铈矿及萤 石,主要脉石矿物为闪石和白云石;矿石中的铁主要以赤铁矿及磁铁矿的形式存在;铁主要分布在较粗粒级中,稀土 则主要分布在较细粒级中;主要矿物的单体解离度较低,且不同矿物之间嵌布关系十分紧密,因此采用普通选矿工艺 难以实现铁、稀土、萤石等矿物的高效回收。

内蒙古某高砷钨锡多金属矿铜、铅、锌含量分别为0.25%、0.31%、1.10%,砷含量高达1.54%,砷的载体 矿物毒砂与金属硫化矿嵌布关系紧密,分离难度大。为避免硫化矿对后续钨锡分选的不利影响,并实现伴生铜、铅、锌 的综合回收,在工艺矿物学研究的基础上,开展了先浮选脱除硫化矿并分离回收工艺研究。结果表明,采用铜铅锌砷 混合浮选—砷与铜铅锌分离—铜与铅锌分离工艺流程,在弱酸性条件下混合浮选铜铅锌砷硫化矿,经脱药处理后以 石灰+腐殖酸钠+漂白粉组合抑制剂在低碱度下高效抑制毒砂,实现铜铅锌与砷的有效分离;除砷后的铜铅锌混合精 矿采用硫酸锌+亚硫酸钠+CMC抑制铅锌,使铜与铅锌分离。闭路试验获得铜品位17.78%、铜回收率63.51%、含砷 0.77%的铜精矿,铅品位15.22%、铅回收率67.65%、锌品位41.04%、锌回收率71.94%、含砷0.81%的铅锌混合精矿, 砷品位22.15%、砷回收率91.11%的砷精矿,脱硫尾矿(选钨锡原料)铜、铅、锌、砷含量分别降至0.03%、0.04%、 0.09%和0.14%,钨品位0.17%、锡品位0.21%、钨回收率96.97%、锡回收率85.67%,为后续选钨锡创造了良好的 条件。

针对某选厂高泥细粒锡矿因矿泥干扰严重、微细粒锡石难以有效回收问题,本研究采用离心选矿机对 细粒锡石进行预富集,有效脱除泥质脉石,减轻其对后续浮选的影响。离心精矿采用以双羟肟酸类为主的新型组合 捕收剂HC-51,经1粗3精3扫浮选流程处理,最终获得锡品位16.40%、回收率为75.73%的锡精矿,有效解决了高泥 化、低品位微细锡泥产品的处理问题,不仅获得了较高品位精矿产品,而且入浮矿浆量大幅减少,浮选药剂成本显著 降低,技术经济优势凸显。该研究为高泥微细粒锡石的高效回收提供了可行的技术路径,对低品位锡资源的二次利 用具有重要的实践价值与应用前景。

为综合回收甘肃某锌窑渣中的Cu、Ag等有价金属,开展了浮选试验研究。针对该锌窑渣碳含量高、恶 化铜银浮选的问题,首先进行了脱碳浮选条件试验;在此基础上,系统考察了活化剂、捕收剂及起泡剂用量对铜银浮 选效果的影响,并确定了最佳浮选工艺条件;最终确定的浮选工艺流程为预先脱碳、1粗3精2扫浮选流程。试验结 果表明,锌窑渣中Cu、Ag、C含量分别为1.38%、107.09 g/t和16.90%,Cu、Ag具有较高的回收价值,但碳含量过高会 严重干扰铜银的浮选回收。在磨矿细度-0.074 mm占80%、脱碳捕收剂煤油用量2 000 g/t、起泡剂2#油用量400 g/t 的条件下,碳脱除率达90.04%;最佳铜银粗选条件为活化剂硫化钠用量600 g/t,捕收剂丁铵黑药+丁基黄药用量为 200+100 g/t,起泡剂2#油用量300 g/t。在最优条件下进行闭路浮选,获得Cu、Ag品位分别为13.36%和1 162.70 g/t 的铜银混合精矿,Cu、Ag回收率分别达66.62%和75.58%,实现了锌窑渣中铜、银资源的高效综合回收。

针对选矿废水中正丁基黄药(SBX)难以被有效氧化降解的问题,本研究提出采用紫外光强化臭氧微泡 (O3 (MB)/UV)体系氧化降解SBX,系统考察其降解行为与机理。通过自由基淬灭实验鉴定活性物种,采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析中间产物,基于密度泛函理论(DFT)计算预测反应活性位点,进而揭示降解路径。结果表 明:O3 (MB)/UV体系对SBX的降解效果显著优于单独臭氧微泡或单独紫外光,在臭氧投加量4 mg/min、紫外光强25 W条件下,反应4 min内SBX去除率达99.9%以上,COD转化率为71%,明显高于H2 O2 /UV(25 W)体系的42%。 DFT计算显示,SBX的最高占据分子轨道(HOMO)主要分布在羰基(C􀰗O)和硫代羰基(C􀰗S)附近,其中硫原子的 福井函数f-值较高,是亲电反应的主要活性位点。机理分析表明,SBX的高效氧化依赖于臭氧的强氧化性主导硫代 羰基断裂,引发自由基链式反应;同时UV激发O3 生成羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(·O 2 ),协同促进SBX的深 度矿化。本研究明晰了O3 (MB)/UV体系降解SBX的路径与机理,为矿山复杂废水的高效、无二次污染处理提供了 新的技术路径。

为突破液氧露天矿山的应用局限,针对小断面渗水立井复杂受限工况,开展了液氧相变致裂技术的现 场应用研究。探索适用于小断面渗水立井的淤泥补偿致裂方案,设计PVC密封液氧致裂管及其配套密封性检验试 验,形成受限空间下渗流水清排及退序成孔等施工工艺;系统分析了液氧相变致裂后岩体抛掷特征、井壁成型质量及 块度分布规律。同时基于地面振动监测,研究了振动特性与安全影响。研究结果表明:优化后的液氧致裂工艺能够有 效适应小断面渗水立井环境;液氧爆破能量分布、应力传播路径及岩体结构特性的共同作用形成了井筒壁空间分异 现象;持续高压气体促进了岩体扩展与贯通,进而形成10~20 cm的碎岩小块度区间分布特征;相变过程的准静态作 用使地面近区呈现中低频、低振速的显著特征。研究为液氧相变致裂技术在复杂工况下的高效破岩提供技术参考和 理论依据。

针对锂电池与超级电容构成的纯电动宽体矿车复合能源系统,通过高效的能量管理策略方可显著抑制 锂电池工作电流,改善锂电池的循环工况特点,进而延长能源系统服役寿命,降低宽体矿车作业成本。研究设计了一 种基于Soft-Actor-Critic深度强化学习算法的能量管理策略,深度融合复合电源系统的物理信息特性开展奖励函数设 计。基于构建的纯电动宽体矿车纵向动力学模型与复合能源系统等效电路模型,对所提策略进行验证。仿真结果表 明,与基于频域分解的规则控制策略相比,所提出的智能能量管理策略能够有效降低大电流对锂电池的冲击,锂电池 峰值电流下降了12.71%。此外,超级电容的端电压也得到了有效控制,最低电压为390 V,始终处于DC/DC允许的 工作范围内,保证了系统的可靠运行,验证了所提出强化学习型能量管理策略的可行性与有效性。

尾矿库是矿山开采过程中高风险、高扰动的特殊功能单元,其生态环境质量在不同生命周期阶段呈现 显著差异。现有研究多聚焦矿区整体,缺乏对尾矿库生态环境长期演变规律的系统刻画。以湖北黄麦岭磷石膏尾矿 库为例,基于1994—2024年Landsat长时序遥感影像,结合尾矿库环境特点选取MSAVI和BSI指标替换原有的绿度 (NDVI)和干度(NDBSI)因子,并利用第一、第二主成分加权构建改进遥感生态指数(TP_RSEI)进行定量评价。研究 结果表明:TP_RSEI的平均相关度0.70优于单一指标,能有效表征研究区生态特征;时间维度上,30年间研究区 TP_RSEI均值由0.64下降至0.52,降幅为18.75%,整体呈现“先退化、后改善”的波动演变规律,其变化过程与尾矿 库“建设—运行—停用—修复”的全生命周期阶段高度耦合;空间格局上,生态环境呈现显著的“中心退化、边缘恢复” 特征,运行期高强度堆存导致生态退化,而闭库及修复工程促使生态质量逐步回升。本研究从全生命周期视角揭示 了尾矿库生态环境质量的演变规律,提出的TP_RSEI方法有效提升了遥感生态指数在尾矿库复杂场景下的适用性, 可为尾矿库生态修复成效评估、监管决策及绿色矿山建设提供科学依据与技术支撑。

地下复杂采空区群稳定性评价及其动力灾害防控是深部矿产资源安全开采面临的共性难题。针对大 规模、不规则采空区群系统失稳风险难以精准判识的技术难题,提出了一种融合改进Mathews稳定图法与FLAC3D数 值模拟的协同评价方案。首先,基于现场精细调查与岩体力学参数,采用改进Mathews稳定图法对采空区进行初步稳 定性分级。构建反映采空区群空间关联特征的三维数值模型,模拟分析采动影响下应力—位移场的演化规律及塑性 区的扩展连通机制。通过2种方法的相互验证,揭示空区群失稳的空间聚集性与非线性演化特征,圈定出失稳高风险 区。最后,基于冲击气浪动力学理论,提出“缓冲层消能+阻波墙隔离”的协同灾害防控方案,并给出了关键参数的理 论计算模型。以大红山铁矿Ⅲ-Ⅳ矿体复杂采空区群为工程背景,运用所提出的技术方法圈定出17个采空区为失稳 高风险区,并制定了预留废石垫层+构筑混凝土阻波墙的灾害防控方案。该研究形成的“风险精准识别—机制深度解 析—分级靶向防控”技术体系,为同类矿山复杂空区群治理提供了普适性的理论依据与技术路径,对保障深部资源安 全回采具有重要借鉴价值。

近年来,资源开发与土地利用变化显著改变了煤矿区地表结构与热环境。地表温度(Land Surface Tem perature,LST)作为表征地表能量平衡和生态环境变化的重要参数,已成为矿区生态监测与修复评估的重要指标。以 神东煤矿区为研究对象,基于2014—2024年Landsat 8遥感影像反演LST,结合BFAST算法,对地表温度的时空演变 特征及突变过程进行分析。结果表明:研究期内矿区LST整体呈显著上升趋势,升温区域面积明显大于降温区域; LST突变事件主要集中于2019—2021年,表现为由相对稳定向快速升温阶段的转变;LST时间序列同时具有稳定的周 期性波动和阶段性升温特征;LST变化与土地利用变化密切相关,建设用地和沙地扩张,以及草地、耕地和水域面积减 少,削弱了植被蒸腾降温效应和水体热缓冲功能,是驱动地表升温的主要因素。总体来看,神东矿区“增裸、减绿、减 水体”的土地利用演变模式与热环境恶化高度一致,土地利用变化是矿区热环境演变的核心驱动力。

层状边坡在我国山区分布广泛,并易受地震等动力作用影响从而诱发滑坡灾害,严重威胁工程建设及 人民生命财产安全。为研究地震作用下层状岩质边坡的动力响应特征,以福建某典型层状边坡为研究对象,分别建 立了顺层与反倾边坡的三维有限元数值模型,并通过输入当地地震动波形探究了层状边坡动力响应特征。通过分析 边坡不同空间位置的峰值加速度(PGA)及加速度放大系数,系统揭示了地形及岩体结构等因素对边坡动力放大效应 的影响规律。研究结果表明:软弱结构面对边坡内部地震波传播路径及动力响应具有控制作用,可导致坡体局部区 域发生明显的加速度放大或衰减,进而影响整体动力响应特征。层状边坡动力响应特征具有典型的趋表放大与高程 放大效应,软弱结构面使放大效应呈现明显的非线性变化趋势。相同条件下,顺层边坡的动力响应显著强于反倾边 坡,二者的PGA分别为3.84 m/s2与3.2 m/s2,顺层边坡的放大系数约为反倾边坡的1.2倍。此外,地震波在2类边 坡内部的传播均存在明显的空间不均匀性,传播差异性进一步导致顺层与反倾边坡可能产生不同的失稳模式。

实现露天矿山重点区域、关键环节重大安全风险的识别监测是当前国家矿山安全监管的重要目标。围 绕露天矿山尾矿坝体、排土场边坡安全识别监测的实际需求,以山西岚县—娄烦铁矿区作为研究区,利用共计35景 Sentinel-1A SAR数据组成的92个小基线干涉对,基于融合分布式散射体的DS-InSAR技术,验证了该技术应用于区域 性露天矿山地表形变监测的有效性、适用性,并对该区域内尾矿坝体、排土场边坡地表形变特征进行分析研究。监测 结果表明:DS-InSAR技术有效识别到研究区内3座尾矿坝体、3处排土场边坡地表形变,考虑到这些尾矿坝、排土场 处于运行阶段,地表形变以固结下沉和自密实作用变形为主;同SBAS-InSAR技术相比,DS-InSAR技术经相位优化重 构后目标点相干性明显提升,相干点数量增长至6.5倍,且地表形变相关系数为0.81,为尾矿坝体、排土场边坡地表 形变隐患识别及其稳定性评估、地表形变机理研究提供技术和数据支撑。研究表明,袁家村铁矿与尖山铁矿迫切需 要加强对尾矿坝体、排土场边坡地表形变的常态化监测工作。

实现地表沉陷的精准动态预测,是保障“三下”采煤影响区内地面建(构)筑物安全的关键。概率积分法 与动态时间函数结合的动态沉陷预计算法的预计精度往往难以满足维修治理的需求,开采沉陷的复杂性导致的动态 时间函数参数变化是产生这一现象的主要原因。为此,提出一种“机理约束下数据驱动”的高精度动态预测方法。以 概率积分法作为沉陷计算的物理框架,采用Knothe时间函数描述地表点沉陷随时间的发展过程。利用多期实测沉陷 数据,通过Levenberg-Marquardt算法反演每一观测期的最优时间参数,获取参数的动态演化序列;并采用新陈代谢灰 色模型预测未来时段参数值,实现参数与预测值的同步动态更新,进而实现地表的高精度动态沉陷预测。案例验证 表明:与固定动态时间函数参数方法相比,动态更新时序函数参数将动态预测的相对误差从25.1%降低至5%以内, 显著提升了动态预测精度;另一案例中各时段均方根误差较固定动态时间函数参数方法降幅普遍达50%。本研究为 开采沉陷动态预测提供了新的技术思路,对指导工程实践具有重要意义。

为提高滑坡位移预测精度,提出一种融合双指数平滑(DES)与粒子群优化极限学习机(PSO-ELM)的组 合预测模型。该模型基于时间序列分解理论,利用DES预测由地质条件控制的趋势项位移,采用ELM学习由降雨量 等外界因素引发的周期项位移,并通过显著性检验论证了随机项的可忽略性。以重庆某典型滑坡的GNSS监测数据 为案例进行验证。结果表明:所提DES-ELM模型在GB07监测点总位移预测中的平均绝对误差、均方根误差与平均 绝对百分误差分别为1.982 0 mm、2.679 4 mm与1.372 3%,决定系数达0.909 1,预测精度显著优于多项式—门控循 环单元(GRU)等对比模型。进一步地,引入粒子群算法(PSO)优化ELM超参数后,周期项预测的平均绝对误差与均 方根误差进一步降低了76.33%与76.70%,有效缓解了原ELM模型的相位滞后现象,提升了模型的稳定性和拟合优 度。本研究为滑坡位移的高精度预测提供了一种有效且可靠的解决方案。

传统的岩体数据测量方法在对复杂地形的边坡岩体进行测量时,会造成测量精度低和安全性低的问 题。融合多视角无人机测量(Unmanned Aerial Vehicle Surveying,UAVS)、主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)以及边坡质量分级(Chinese Slope Mass Rating,CSMR)方法,提出了一种新型边坡稳定性分析方法(UAVS-PCA CSMR)。该方法首先通过UAVS获取边坡岩体的各项数据并进行建模,再利用PCA算法对模型中岩体结构特征进行 识别,最后通过CSMR方法并结合岩体结构特征识别结果对某边坡岩体稳定性进行了分析。结果表明:对不同区域内 的边坡岩体数据进行测量时,精度优于90%,边坡结构面倾角的识别误差仅±3°;采用该方法对岩体稳定性分析时,边 坡岩体的gCSMR 为85.4,反映出该边坡稳定性较强,分析结果与现场实际较为吻合。研究反映出,测量建模—结构识 别—稳定性分析的研究思路对于边坡稳定性研究有一定的参考意义。

高光谱技术具备稀土矿区土壤重金属元素反演潜力,但稀土元素(La、Ce)与重金属(Cu、Pb)在土壤组 分中存在复杂的竞争性吸附,导致光谱响应特征出现叠加与遮蔽,限制了反演精度。针对这一问题,以我国赣南地区 典型稀土矿区为研究区,采集153个土壤样本,在深入挖掘稀土元素与重金属之间光谱竞争关系的基础上,利用Lot ka-Volterra模型定量表征元素间的竞争强度,并据此提出一种融合土壤重金属间光谱竞争性机制的多目标高光谱波 段选择方法,实现对重金属元素光谱特征波段的有效筛选与比值构建。同时,进一步引入地形因子(如高程、坡度、曲 率等)与采矿因子(样点至沉淀池距离),采用XGBoost模型建立高光谱定量反演模型。结果表明,Cu-La-Ce与Pb之 间存在显著竞争性吸附作用(p<0.01),基于竞争关系构建的特征指数与土壤重金属含量的相关性最大值显著提升 (Cu:0.32→0.70,Pb:0.33→0.49)。在引入地形与采矿因子后,模型精度进一步提高,全变量模型验证集R2达0.89 (Cu)和0.78(Pb),较仅使用波段比特征的子模型分别提升14.3%和6.5%。本研究为稀土矿区重金属污染的高光谱 监测提供了新思路。

磷石膏渗滤液中高浓度游离氟离子的有效去除是磷化工行业面临的关键环境挑战。为实现“以废治 废”目标,本研究以磷石膏、磷尾矿及高炉矿渣为主要原料,通过碱激发与H2 O2 化学发泡工艺,制备了多孔地质聚合 物(多孔地聚物),并系统探究了其对氟离子的吸附行为与机理。试验结果表明,优化的多孔地聚物在pH=4、氟离子 初始浓度50 mg/L、温度25 ℃条件下,对氟离子的去除率达66.7%。吸附动力学符合准二级动力学模型,表明化学吸 附主导吸附过程;吸附等温线更符合Freundlich模型,揭示了氟离子在非均质表面的多层吸附特征。机理研究表明, 吸附是物理截留、离子交换与化学沉淀协同作用的结果,其中地聚物中溶出的Ca2+与F-反应,生成CaF2 沉淀是氟离 子得以稳定固定的主导机制。本研究为磷石膏与磷尾矿的高附加值资源化利用提供了新途径,所开发的多孔地聚物 在含氟废水治理领域展现出良好的应用潜力。

针对煤层开采中钻孔封孔质量差、速度衰减快的问题,结合应力—渗流耦合理论与钻孔封孔技术,利用 纳米氧化物和表面活性剂对无机硅酸盐材料进行改性,研发了一种无机纳米柔性封孔材料。以长平矿3#煤层为例开 展工业性试验,将无机纳米柔性封孔材料应用于瓦斯抽采工艺中,并结合“三堵两注”封孔工艺对已有工艺进行了优 化。结果表明:纳米扩散膨胀剂试验组平均瓦斯抽采浓度整体优于普通封孔水泥对照组,试验组平均瓦斯抽采纯量 为0.13 m3 /min,而对照组平均瓦斯抽采纯量为0.06 m3 /min;二次补浆后2个代表钻孔平均抽采浓度分别提升了 21.3%、69.0%。研究反映出,所研发的无机纳米柔性封孔材料与封孔工艺可有效改善钻孔密封质量,对于降低矿山 开采风险也具有重要意义。

为解决铁尾矿综合利用率低、胶凝活性不足的问题,明确机械活化对铁尾矿颗粒特性及胶凝活性的影 响机制,以河北省4种典型铁尾矿(A、B、C、D型)为研究对象,采用行星球磨机进行不同时间(0~4.0 h)的机械活化 处理,结合激光粒度分析、XRD、SEM及胶砂强度测试等方法,系统探究机械活化对铁尾矿颗粒粒径、微观形貌、物相 组成及胶凝活性的影响规律,并通过Rosin-Rammler(R-R)模型拟合分析颗粒分布均匀性。结果表明:机械活化初期 以颗粒破碎、细化为主导,4种铁尾矿均存在粒径细化与团聚相互竞争的最优区间,最佳粒径分布对应的活化时间均 位于1.5~2.5 h;R-R模型拟合效果良好(相关系数COD均大于0.96),特征粒径De 和均匀性常数n均随活化时间呈 现“快速减小—趋于波动”趋势,机械活化易导致中间粒径颗粒缺失、分布均匀性降低;机械活化可促使铁尾矿主要物 相向非晶态转型,XRD图谱中出现非晶态“弥散包”,A型、D型铁尾矿(含石英、辉石等高硬度矿物)最优物相改性时 间为2.0 h,B型、C型铁尾矿为1.5 h;机械活化0.5 h后,4种铁尾矿活性指数均满足GB/T 2847—2005标准要求 (≥65%),颗粒细化与晶体非晶化的协同作用显著提升其火山灰活性,其中B型铁尾矿最高活性指数达84.6%,A型 铁尾矿(高硅型)最低,为74.2%。综合活化效果与工艺经济性,建议4种铁尾矿机械活化时间控制在1.5~2.5 h,活 化1 h后引入分级研磨工艺并添加助磨剂可优化活化效果。研究成果可为铁尾矿高附加值资源化利用提供数据支撑 与理论指导。

半干法烧结脱硫灰是钢铁行业的大宗固体废弃物,利用率低且易污染环境;河道淤泥含水率高、污染物 含量大,难以直接工程利用。为协同解决两类固废的处理难题,实现“以废治废”,本研究以脱硫灰为主要原料,复配 水泥熟料、粉煤灰、赤泥、矿渣粉及硅灰等,制备适用于河道淤泥固化的复合固化剂。通过XRF、XRD、SEM等手段分 析脱硫灰的理化特性,设计10组不同脱硫灰掺量(15%~60%)的配比,测试固化淤泥的无侧限抗压强度、承载比、自 由膨胀率、含水率、pH值及重金属含量,并结合微观分析揭示固化机理。结果表明:脱硫灰掺量为15%时综合性能最 优,28 d无侧限抗压强度达1.44 MPa,承载比为29.78%,自由膨胀率为2.45%,含水率为19.6%,各项指标均满足路 基回填要求;强度随脱硫灰掺量增加而下降;固化后淤泥中Mn、Zn、Pb、Cr等重金属含量显著降低,远低于国家标准限 值;微观分析表明,脱硫灰中的碱性组分激发胶凝材料的水化反应,生成C-S-H和C-A-S-H凝胶,通过填充孔隙、胶 结颗粒及化学结合固定重金属离子。本研究制备的固化剂为脱硫灰与淤泥的资源化利用提供了可行途径,固化土兼 具环境安全性与工程适用性。

为降低超细尾砂充填体(CUTB)对水泥的依赖,实现低成本、低碳化充填并改善其脆性破坏特征,本研 究构建了由高炉矿渣、油页岩渣、磷石膏和电石渣组成的全固废胶凝材料(ASWB)完全替代水泥,并引入废旧轮胎纤 维(RTPF)进行增强。通过单轴抗压试验、热重分析(TG)、扫描电镜与能谱分析(SEM-EDS)等手段,系统研究了全固 废CUTB的宏观力学性能、微观结构及反应机理,并基于Weibull统计损伤理论建立了考虑损伤修正系数(m)的 RTPF-CUTB损伤本构模型。结果表明:① 全固废胶凝体系对CUTB的胶结效果显著优于普通硅酸盐水泥体系,7 d和 28 d抗压强度分别提升57.69%~196.15%和94.96%~147.90%;磷石膏可有效促进早期强度发展,但其掺量(占 ASWB质量)为5%时,28 d抗压强度达到最大值2.95 MPa。② 全固废CUTB的主要水化产物为C-(A)-S-H凝胶与 钙矾石晶体,二者形成致密的“凝胶-晶体”互锁结构,为强度提升提供了微观支撑。③ RTPF对CUTB的增强效果优 于聚丙烯纤维,当掺量为0.4%时,强度提升效果最优,较未掺纤维体系提高10.17%~13.46%。所建立的损伤本构模 型能准确描述RTPF-CUTB的损伤演化过程。本研究为超细尾砂的绿色资源化回填与充填体性能优化提供了理论与 技术依据。

为探究铜矿尾砂制备免烧砖中重金属铜的释放与固化特性,以安徽省铜陵市水木冲尾砂库铜矿尾砂为 原料,制备了不同强度等级(MU10、MU20、MU30)的免烧砖。采用XRD、TGA、MIP及SEM等手段分析其物化特性,通 过Tessier连续提取法测定铜的赋存形态,并基于NEN 7375方法开展不同pH条件(3.2、5.6、6.6)下的连续浸出实 验,研究了铜离子(Cu2+)的释放行为与长期浸出规律。结果表明:① 随免烧砖强度等级提高,胶凝材料比例增加,水 化产物显著增多,孔隙率降低,微观结构趋于致密。② 铜矿尾砂中Cu全量为968.45 mg/kg,制成免烧砖后Cu的残渣 态占比由约17%提升至96%,固化效果显著;但在pH 6.6酸性条件下,残渣态降至69%,有机结合态升至31%。③ 免 烧砖试件20 d连续浸出实验表明,Cu2+浸出呈前期快速溶出(0~30 h)、后期缓慢趋于平衡的两阶段特征;浸出浓度随 pH降低而单调递增(pH 3.2时达最高0.027 mg/L),但远低于《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3— 2007)规定的限值(100 mg/L)。Cu2+释放机制以扩散控制和耗竭作用为主,二级动力学方程可较好拟合长期累计浸 出量(R2>0.91),10年预测释放量为22.81~53.13 mg/kg。研究表明,铜矿尾砂制备免烧砖可实现Cu2+的高效固化, 在中性或弱酸性环境中应用安全性较好,强酸性工况下需采取防护措施。