金属矿山

赵　涛, 谢艳文, 王　涛, 邢　坤

2025, 54(2): 1.

摘要 ( 105 )

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为了研究巷道群受重复采动影响围岩的变形破坏规律及稳定控制问题,综合运用现场测试、数值模拟、理论分析等方法,研究重复采动对巷道群围岩塑性区空间分布特征、应力场、变形场的影响规律,揭示多次采动对巷道群失稳破坏机制,提出巷道群稳定性控制技术。结果表明:随着工作面回采数量的增加,巷道群卸载拱范围逐渐增大,巷道表现为典型的非对称破坏特征;钻孔窥视与数值模拟得出的松动圈范围基本一致;确定了锚杆支护时顶锚杆长度应不小于1. 3 m,帮锚杆长度应不小于2. 1 m。据此提出了“注浆—补强”支护方案,确定了注浆施工参数与补强锚索的长度与间距,补强支护后巷道顶板移近量减少了61. 5%,巷道底板移近量减少了62. 5%,两帮移近量减少了 62. 2%。顶板离层观测结果验证了支护方案的可靠性。

煤岩斜巷穿层掘进长短锚索协同支护及围岩控制机理研究

尹　博, 王　睿, 张连昆, 杨俊峰, 李先峰, 杨瑞宙

2025, 54(2): 13.

摘要 ( 70 )

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为解决浅埋多煤层斜巷穿层掘进过程中软硬复合顶板变形大、易离层、支护难等问题,以淖尔壕煤矿 2-3 煤辅运斜巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法,通过对比分析无支护和现有支护条件下巷道围岩塑性区及软硬复合顶板易离层区特征,发现现有支护参数下仍不能有效预防局部冒顶发生,为此提出了长短锚索协同支护优化设计方案。结果表明:煤岩斜巷穿层掘进中,当距离软硬复合顶板较近时,巷道受剪切破坏与张拉破坏共同作用,导致围岩塑性区探入顶板离层区内,极易引发冒顶。另外,按照等长锚索布置时,虽可提高支护效果,但塑性破坏区范围未完全处于锚杆、锚索的锚固范围内,仍存有冒顶事故发生可能。根据斜巷掘进层位与局部冒顶易发区的复合顶板特征将现有支护的等长锚索布置方式变为长、短锚索相间布置后,顶板下沉量进一步减小至40 mm,塑性区范围处于锚杆、锚索支护范围内。长短锚索协同支护优势在于长锚索锚固端若处不稳定岩层,则以短锚索补强,确保始终存在锚固与稳定岩层中的锚索。从而有效控制围岩,防止冒顶事故的发生。结合现场监测分析结果,巷道围岩变形明显减小,稳定性升高,可以有效地提高巷道的稳定性和安全性。研究结果将为巷道围岩稳定性分析及巷道穿层支护设计提供参考依据。

预制缺陷黑钨矿石超声波加载应变演化特性和破坏规律试验研究

蔡改贫, 王炜锋, 郝书灏

2025, 54(2): 24.

摘要 ( 43 )

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为研究超声波加载下预制缺陷矿石的应变演化特性和破坏规律,根据振动力学、断裂力学理论得到超声载荷作用下矿石单位质量微元受力的影响因素,建立静载与超声振动复合载荷下的矿石内部裂纹起裂准则。选用黑钨矿石加工制备含缺陷长方体试样,使用超声波加载试验系统进行试验研究,借助动态数据采集装置与数字图像相关法(2D-DIC)记录并分析试样的变形及破坏过程。结果表明:① 预制缺陷使矿样应变产生衰减现象,衰减程度受缺陷类型影响。② 超声波加载下矿样局部应变演化分为微裂纹闭合、稳态变形、破碎时的宏观裂纹扩展或未破碎时的静态回弹3 个阶段;在微裂纹闭合阶段,矿石应变幅值大幅波动,内部裂隙逐渐闭合;在稳态变形阶段,矿石应变幅值整体平稳增加;在宏观裂纹扩展阶段,压缩应变降低,拉伸应变上升;在静态回弹阶段,矿石应变幅值未归至平衡零点,矿石出现塑性变形。③ 预制裂纹试样全场应变及破坏过程分应变增速较低、显著波动、瞬间骤增3 个阶段,后受端部效应影响产生反翼裂纹。研究结果可为超声破碎技术的工程应用提供理论参考。

含水率对三轴多级加卸载下页岩力学及声发射特性的影响

张　遂, 严　强, 曹洋兵, 蔡福明, 沈红钱

2025, 54(2): 33.

摘要 ( 34 )

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页岩是黔东深部锰矿等金属矿体的重要围岩。由于矿体开采导致的复杂应力与地下水重分布条件,矿体顶板页岩失稳灾害频繁发生。研究含水率和加卸载路径影响下页岩力学及声发射特性具有重要意义。开展不同围压与含水率下页岩试样的三轴多级加卸载试验,结合声发射监测,研究了页岩力学及声发射特性,并探究了含水率对页岩强度的影响机理。结果表明:相同含水率与围压下,页岩单调加载下三轴压缩强度大于多级加卸载循环条件; 在三轴多级加卸载下,页岩三轴抗压强度随含水率的增加而显著降低;随着含水率和围压的增加,页岩破坏模式由拉伸破坏主导型向剪切破坏主导型转变;含水率越高,页岩的主穿透裂缝越多,声发射b 值越大,Felicity 比值越低;含水率增加时,矿物溶解和液桥结合力降低等因素综合导致页岩抗压强度降低。研究结论可为黔东深部锰矿等矿体顶板页岩力学参数的确定与声发射破坏前兆的甄别提供支撑。

循环冲击荷载下含裂隙岩石能量耗散与损伤特性

张　杰, 孙　杨, 洪　伟, 李守奎

2025, 54(2): 41.

摘要 ( 56 )

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为探究裂隙岩石在循环冲击荷载下的能量耗散与损伤特性,采用水刀切割技术预制不同倾角裂隙的花岗岩试样,利用分离式SHPB 试验装置开展循环冲击试验。在循环冲击过程中,采用核磁共振设备进行孔隙度及T2 图谱测定,从细观结构层面揭示岩样的损伤演化过程;结合能量耗散与损伤变量的理论计算,定量分析含裂隙岩石的损伤破坏特征。研究发现:裂隙岩石在循环冲击过程中,其累积损伤增长速率逐渐增大,变化曲线呈下凹型,岩样破坏时损伤增量显著增大;岩样耗散能占比和能时密度均随裂隙倾角的增大呈“倒U 型”变化趋势,与累积损伤值随裂隙倾角变化趋势一致。预制裂隙倾角与应力加载方向为30° ~60°的岩石内部孔隙发育较为活跃,裂隙倾角为45°的岩样在相同冲击应力下的裂纹萌生数量较多,抗冲击能力最弱;岩石破裂时,中、大型孔隙发育最为显著。

落锤作用下磁铁矿石冲击破碎特征的能比效应

甘德清, 于泽皞, 刘志义, 孙海宽

2025, 54(2): 48.

摘要 ( 36 )

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为了确定利于磁铁矿石破碎的加载能量,确保破碎粒度达标的同时提高有效能量占比,从而提高矿山破碎作业中的能量利用率。通过改变落锤冲击高度,探究了不同冲击能比下磁铁矿石的强度特征、破碎能量变化规律以及破碎粒度分布特点。研究表明:磁铁矿石的冲击力时程曲线分为冲击力急速提升、平稳作用、回落、回升与震荡四个阶段,平稳作用阶段持续时间最长,可达9~10 ms,试件所受冲击强度随冲击能比增加线性升高;随冲击能比增加,磁铁矿石吸能效率先增后减,再增再减,存在吸能效率较高的能比范围,矿石吸收能、吸收能密度均呈线性趋势增加,使得矿石起裂时的裂纹由单一张拉裂纹转为拉伸剪切交织裂纹,破碎方式也由拉伸破坏逐渐转向压缩剪切破坏, 磁铁矿石的破碎程度逐渐加剧;冲击能比增加降低了破碎产品的大块率,使得破碎产品粒度更加均匀,粒度分形维数线性增加,碎块平均粒径呈指数趋势减小,破碎产品细度t10 以缓—急—缓的趋势增加。研究结果对优化矿山破碎机械参数、提高磁铁矿石破碎效率具有一定的指导意义。

基于三维激光扫描技术的岩体质量快速评价方法

孙钱程, 王　泉, 徐志华, 郭　戈

2025, 54(2): 56.

摘要 ( 51 )

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岩体质量评价是开展滑坡、崩塌等地质灾害预测与评估的重要基础信息。针对传统岩体质量评价方法存在的效率低、取样难、成本高等问题,利用三维激光扫描技术提出一种以结构面信息和块体体积作为评价参数的岩体质量快速评价方法。该方法通过非接触式测量方式,快速获取岩体表面的点云数据,并提取结构面参数和块体体积;利用动态权重法计算各参数权重,结合统计的各评价参数值分析确定岩体质量等级,实现了岩体质量的快速、准确评价。研究结果表明:本方法与GSI 岩体质量评价系统的结果相吻合;这种非接触式测量方法不仅可以快速完成大范围岩体质量评价,而且测试成本低,抗干扰能力强,显著提高了评价的效率和准确性,为岩体质量评价领域提供了新的技术方法,具有重要的科学意义和应用价值。

深部易劣化硬岩巷道的岩体质量评价及支护对策研究

宋新涛, 王贻明, 王少勇, 张敏哲, 刘树龙, 杜召龙, 高杨轶

2025, 54(2): 64.

摘要 ( 30 )

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为解决深部易劣化硬岩巷道稳定性控制难题,以胶东半岛某金矿-1 480 m 深井的易劣化硬岩巷道为工程背景,对易风化和泥化的劣化硬岩巷道的破坏机理、质量分级和支护技术展开了研究。首先,通过室内试验和松动圈测试,总结了围岩劣化机理及巷道失稳原因。其次,采用改进的层析分析法和模糊综合评价法,构建了该金矿深部易劣化硬岩巷道的岩体质量评价模型。最后,提出了及时初喷和“锚网喷+锚索”的支护方法,通过数值模拟和现场试验验证了该方案的可行性。结果表明:易劣化硬岩巷道的失稳是围岩自身属性、围岩赋存环境及支护方案等多种因素共同作用的结果,所构建的岩体质量评价模型的评价结果与工程现状相符,提出的优化方案能够有效控制深部易劣化硬岩巷道的稳定性。

高温作用下砂岩孔隙结构损伤演化规律研究

周玮鸿, 杜胜蛟, 周　袁, 叶　辰, 楚亚培

2025, 54(2): 75.

摘要 ( 33 )

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为了研究不同高温环境下砂岩的孔隙结构损伤演化规律,对200、400、600、800℃热处理后砂岩开展核磁共振和波速测试,研究高温处理后砂岩的波速、孔隙结构和渗透率演化规律。试验结果表明:① 高温能够造成砂岩的孔隙结构损伤,随着温度的升高,小孔和介孔数量逐渐增加,当介孔和小孔的数量达到一定程度后,小孔和介孔向大孔转化,导致孔隙连通性增强;② 高温能够促进砂岩孔隙的发育,导致砂岩的波速随着热处理温度的增加而下降, 而孔隙度则随着温度的增加而增加;③ 600 ℃处理后,核磁成像图像中出现大量的高密度绿色质子团簇,伪彩图像的亮度显著增高,表明砂岩的孔隙结构发生改变;④ 400 ℃处理后,砂岩的孔隙连通性增强,渗透率快速增长。

大型地下矿山采场开挖矿岩稳定性相似材料— 数值模拟耦合分析方法

王子介, 崔　宇, 胡世超, 李海峰, 李　光, 梁峻瑀

2025, 54(2): 81.

摘要 ( 28 )

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多盘区、大采矿结构参数充填采矿法下的地下矿山采场开挖过程中的矿岩稳定性主要采用数值模拟或者相似材料试验等单一方法进行评价。为此,本研究结合室内相似材料试验与数值模拟手段,提出了相似材料—数值模拟耦合分析方法。以西鞍山铁矿为例,采用所提方法对该矿山-340 m 中段以上的盘区开采过程进行了稳定性分析,结果表明西鞍山铁矿矿岩体稳定性良好,采场可以采用胶结充填与尾砂充填相结合的方法替代目前的全胶结充填。相似材料试验根据相似比计算得到的地表位移为90~120 mm;数值计算岩层出现的最大位移为106. 6 mm,二者较为相似。所提方法对于西鞍山铁矿采矿方法的优化和开采过程中的盘区矿岩稳定性分析评价有一定的参考意义。

微纳米气泡强化微细粒矿物浮选过程的研究现状

彭伟军, 姚　佳, 黄业豪, 宋翔宇, 于博文, 郜润博, 胡展滔

2025, 54(2): 86.

摘要 ( 56 )

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随着矿产资源的开发利用,我国矿产资源贫、细、杂的特点日渐突出,其中微细粒矿物的高效回收成为选矿领域亟待解决的难题。微纳米气泡因独特的表面和体积特征,在提升微细粒矿物浮选效率方面展现出显著优势。在综述了微细粒矿物定义、性质及其分选现状基础上,详细介绍了微纳米气泡的特性、产生原理及应用,并着重探讨了微纳米气泡在浮选过程中促进微细粒矿物浮选的作用机理。结果表明:微纳米气泡可直接粘附于疏水颗粒表面,有效增强颗粒与气泡间的碰撞频率,并降低颗粒脱离气泡的概率;微纳米气泡在复杂溶液环境和物理压力下具有超常稳定性,这为浮选过程的强化提供了保障。最后提出了未来微纳米气泡浮选技术的研究方向,研究可为微细粒矿物的高效分离回收提供理论指导和技术支持。

我国典型高岭土的杂质赋存状态及提纯方法研究进展

范家航, 姜悦纳, 刘亦菲, 刘贤杰, 刘明勇, 傅梁杰, 闵　鑫, 黄朝晖

2025, 54(2): 95.

摘要 ( 29 )

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我国高岭土资源丰富,立足典型资源类型和杂质赋存状态,从物理法、化学法、微生物法三个方面归纳、总结了近年来国内外在高岭土提纯方法上的研究进展,阐述了各方法的效果及优缺点。结果表明:物理法一般操作简便,成本较低,可除去铁、钛、石英和碳质有机质等多种杂质,但除杂效果受限;化学法对铁、钛杂质去除效果较好,但需使用化学试剂,易引发环境污染问题;微生物法可有效降低高岭土中的铁杂质含量,且不产生二次污染,具有绿色环保优势,但除杂周期较长,现阶段难以实现规模化应用。未来应结合计算材料学,深入研究高岭土主晶相和杂质多相界面的结合特征,开发多功能场耦合提纯新技术,并开展微生物法生产周期与除杂效率优化研究,以期绿色高效生产高品质的高岭土,助推我国高岭土相关产业实现转型升级。

锌精矿氧压浸出条件优化及有价元素迁移规律研究

廖银英, 王大骞, 刘鑫宇, 左蔚然

2025, 54(2): 106.

摘要 ( 36 )

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凡口铅锌矿浮选锌精矿中含有多种有价元素,其中主要元素Zn、Fe 含量分别为42. 89%、5. 25%,稀散元素Ga、Ge 含量分别为0. 03%、0. 02%。为提高该锌精矿中有价元素的综合浸出率,开展了氧压浸出条件试验,并对浸出渣进行了化学成分分析、XRD 分析和扫描电镜分析。结果表明:在木质素磺酸钠用量2%、初始酸度180 g/ L、氧分压1. 0 MPa、浸出温度150 ℃、浸出时间180 min 的条件下,Zn 浸出率为97. 64%,Ga 浸出率为95. 44%,Fe 浸出率为 78. 45%,Ge 浸出率为74. 64%,浸出效果良好;浸出渣中主要成分S 以硫单质形式存在,Zn、Fe 主要以未浸出的闪锌矿和黄铁矿的形式存在,或以微细粒氧化物沉淀形式附着于硫单质等矿物边缘;Pb 和Si 不易浸出,分别以硫酸铅和硅酸盐形式留在浸出渣中。研究为实现锌精矿中有价元素的综合回收工艺制定提供了参考。

废弃油脂制备新型浮选捕收剂及其浮选炼焦煤试验

刘　佳, 张德轲, 刘广山, 李云昌, 杨海昌

2025, 54(2): 112.

摘要 ( 27 )

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为改善稀缺炼焦煤泥的浮选效果,创新性地使用废弃油脂制备出新型浮选捕收剂DS-B,并基于煤泥样性质分析及浮选试验,系统研究了炼焦煤泥在传统浮选捕收剂柴油和DS-B 下的浮选效果,利用GC-MS 分析了捕收剂的组分,进一步揭示了药剂的作用机理。结果表明,当柴油和DS-B 用量均为100 g/ t 时,1 次单元浮选精煤灰分分别为14. 75%和14. 31%,可燃物回收率分别为76. 06%和77. 85%,DS-B 浮选效果优于柴油;在1 粗1 精工艺和捕收剂用量均为200 g/ t 情况下,均能获得灰分低于11%的精煤,但DS-B 对应的精煤产率为52. 30%,比柴油对应的精煤产率高11. 08 个百分点;DS-B 中含有大量醇、酯、酸等极性成分,这些成分作用在煤表面的含氧官能团上,使煤泥表面更加疏水;分子动力学模拟结果表明,极性成分与煤表面的含氧官能团作用形成氢键,同时疏水长链向外铺展,有效提高了煤泥表面的疏水性,从而显著改善了对煤泥的浮选效果。

绢云母与石英浮选行为及其机理研究

刘　悦, 刘淑贤, 胡晨曦, 刘佳倪, 王　玲, 聂轶苗

2025, 54(2): 119.

摘要 ( 36 )

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为了提高绢云母和石英的浮选分离效果,对比了pH 值、捕收剂(十二胺、十四胺、N-十二烷基-1,3 丙二胺)和抑制剂(六偏磷酸钠、水玻璃、氟硅酸钠)对绢云母和石英浮选行为的影响,并通过Zeta 电位、红外光谱、吸附量测试进行了机理分析。结果表明:十二胺对绢云母和石英的捕收分离效果最强,N-十二烷基-1,3 丙二胺次之,十四胺相对较弱;在pH=3、十二胺用量2. 0×10-4 mol/ L、六偏磷酸钠用量40 mg/ L 的条件下,绢云母和石英回收率分别达到 70%、4%,二者浮选回收率的差值为66 个百分点,分离效果较好;十二胺、N-十二烷基-1,3 丙二胺、十四胺加入后,绢云母和石英的Zeta 电位差值分别达到23. 8、9. 3、8. 8 mV,吸附量最大差值分别为0. 44×10-4、0. 43×10-4、0. 38×10-4 mol/ L;绢云母和石英对十二胺的吸附均为静电物理吸附,但由于RNH+3 和(RNH+3 )2+ 2 占据绢云母表面K+的位置,导致捕收剂更易吸附在绢云母表面。

刚果( 金) 某富含碱性脉石矿物氧化铜矿石选矿工艺研究

梁治安, 唐浪峰, 陈禄政

2025, 54(2): 126.

摘要 ( 41 )

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刚果(金)某富含碱性脉石矿物的氧化铜矿石铜品位为1. 78%,主要铜矿物为孔雀石、假孔雀石和硅孔雀石,主要耗酸脉石矿物为白云石。为确定该矿石的高效、环保开发利用工艺进行了选矿试验研究。结果表明,矿石在磨矿细度-0. 074 mm 占60%的情况下,3 次硫化浮选可获得含铜7. 41%、铜回收率57. 39%的浮选精矿;直接硫酸酸浸铜浸出率为95. 37%,吨铜酸耗达13. 77 t。矿石在粒度为5. 0~0 mm、背景磁感应强度1. 7 T 的条件下三次强磁选, 强磁选精矿酸浸,吨铜酸耗为2. 03 t,铜综合回收率为71. 08%。相比之下,矿石采用粗粒强磁预选—磁选精矿酸浸工艺处理,不仅可以显著降低酸耗,而且磨矿和浸出作业处理量得到大幅度下降,环境与经济效益显著,是高碱性脉石矿物难浮氧化铜矿石资源高效开发利用的新工艺。矿石粗粒强磁选预富集能较好地富集含铜矿物的根本原因,一方面因为氧化铜矿物本身具弱磁性,铜矿物与锰铁矿物连生是另一重要原因。

基于正向—反向高压注水试验的深部矿井断层阻水性特征研究

於昌峰, 姜春露, 吴　云

2025, 54(2): 131.

摘要 ( 28 )

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针对深部矿井开采多次扰动下断层阻水性变化问题,选择永城矿区某矿巷道揭露断层,采用双孔注水法,开展了正向多次重复和反向高压注水试验。获取了注水水压、流量和监测孔水压动态曲线,计算了断层阻水强度和渗透系数参数。结果表明,多次高压注水试验中,测试断层都表现出阻水性强、渗透性差的特点,渗透系数均在 1×10-6 cm/ s 量级,属微透水。反映出正向重复注水和反向注水过程中断层测试段没有发生明显的结构性渗透破坏, 仅形成微裂隙渗流通道。随着高压注水次数的增加,断层表现出阻水强度降低、渗透性增强的趋势。反向注水时断层渗透系数最大值是正向初次注水时的3. 14 倍、第4 次重复注水时的1. 41 倍,表明此时微裂隙有一定扩展连通,断层阻水性能下降较大。对比已有断层活化突水条件,本研究中巷道掘进扰动程度较低,断层原生胶结结构破坏较轻,仍具有很高的阻水性能,在试验较高水压作用下也没有发生透水。研究结果对该矿区底板断层突水危险性评价具有重要参考价值,也可为类似条件矿区断层阻水性评估提供参考。

基于SBAS-InSAR 和CNN-GRU 模型的采动村庄地表沉降监测预计

陈　月, 王　磊, 池深深, 王　羽, 戚鑫鑫, 朱尚军

2025, 54(2): 138.

摘要 ( 29 )

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采动村庄地表沉降对居民生产生活存在潜在威胁,为实现采动村庄地表沉降监测预测一体化,采用小基线差分干涉测量(Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar,SBAS-InSAR)技术进行采动村庄地表沉降监测,获取地表形变量,分析形变规律,进而构建一种融合卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)和门控循环单元(Gated Recurrent Unit,GRU)的CNN-GRU 模型,利用时序沉降数据实现采动村庄地表沉降精准预测。以山西省某矿区村庄为例,利用60 景Sentinel-1A 影像,采用SBAS-InSAR 技术获取地表形变信息,基于CNN-GRU 模型对地表采动沉降量进行了预测。研究表明:① 研究区域内总体呈现下沉趋势,采动村庄东部下沉现象较为严重,最大下沉速率为72 mm/ a,最大地表沉降量达到183 mm;② CNN-GRU 模型均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)、平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)均在1 mm 以内,相对于GRU 和长短期记忆神经网络(Long Short- Term Memory,LSTM)模型,,CNN-GRU 模型各项指标均最优。研究反映出,所提模型有助于实现采动村庄地表沉降监测与预测的一体化,可为采动村庄灾害预防提供参考。

露天煤矿自动驾驶矿卡前障碍物检测算法研究

秦学斌, 薛宇强, 景宁波, 王　炳, 朱信龙, 张俊乐

2025, 54(2): 145.

摘要 ( 40 )

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露天煤矿矿卡行驶环境复杂,传统自动驾驶车辆障碍物检测方法在光照不均匀、遮挡等场景下存在漏检、实时性差等问题,无法满足煤矿自动驾驶矿卡行驶需求。针对以上问题,提出了一种基于16 线激光雷达与Realsense D435 深度相机融合的煤矿自动驾驶矿卡前障碍物检测算法。首先,建立雷达与相机坐标转换模型,利用深度学习方法对雷达与相机所采集的数据分别进行目标检测;其次,利用最近邻匹配算法建立目标中心点匹配模型,引入多维二叉树(K-Dimension-Tree)模型提高中心点匹配效率,融合2 种传感器的检测结果;最后,将融合结果择优输出, 作为最终目标检测结果。通过数据集KITTI 实际道路测试验证所提算法,并采用露天煤矿矿卡行驶场景数据进一步进行了方法测试。研究表明:基于激光雷达与相机融合的矿卡车前障碍物检测算法与传统障碍物检测方法相比漏检目标数减少90%,误检数减少30%,每秒传输帧数(FPS)提升到30 帧/ s;该方法在准确率、实时性方面满足实际行驶要求,有助于露天矿卡自动驾驶技术的推广应用。

基于人工智能的矿用带式输送机故障诊断模型研究

李洪亮, 王庆华

2025, 54(2): 152.

摘要 ( 30 )

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为了提高矿用带式输送机故障诊断的准确率,针对传统的BP 神经网络故障诊断模型诊断精度较低、泛化能力差、对初始权值和阈值敏感、容易产生过拟合等问题,提出了一种新的智能故障诊断模型。首先,采用主成分分析法(PCA)对数据样本进行处理,以降低数据的噪声和维度;然后利用隐藏层经验公式确定BP 神经网络隐藏层神经元个数选取范围,在此基础上采用穷举算法和粒子群算法(PSO)组成嵌套粒子群算法(NPSO)对BP 神经网络隐含层神经元个数、权值和阈值进行全局寻优,最终构建了基于PCA-NPSO-BP 的智能故障诊断模型。基于实例,通过MATLAB 软件仿真测试的结果显示,PCA-NPSO-BP 故障诊断模型的诊断精度高于基于灰狼算法优化BP 神经网络和基于遗传算法优化BP 神经网络的诊断模型。

融合5G 技术的矿井智能巡检机器人通信系统研发

杨敬伟, 陈亚峰, 辛向军

2025, 54(2): 161.

摘要 ( 38 )

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为实现矿井高效率巡检,确保井下安全生产,融合5G 通信技术研发了矿井智能巡检机器人系统。通过分析矿井智能巡检机器人的工作原理和应用场景,构建了基于5G 通信技术的多模块协同系统框架,包含环境感知层、网络传输层、边缘计算层和决策应用层4 层架构,并对通信技术进行了优化,包括通信时延优化、可靠性保障机制设计、带宽资源优化及抗干扰设计等,确保系统在矿井复杂环境中稳定运行和高效巡检。为验证系统性能,设计了包含仿真测试、井下试验和对比试验的综合验证方案,采用端到端时延、数据传输速率、图像识别准确率、路径规划精度等指标进行了评价。试验结果表明:该系统在5G 信道质量动态优化方面,相比TCP 协议,信号强度提升了4 dB、信噪比提升了10 dB、数据传输率提升了66. 7%、机器人移动速度提升了87. 5%,有助于实现矿井安全状态的实时监测、智能分析和多级预警等功能。

融合混沌反向学习与分数阶微分的矿石细粒度分类算法

李　聪, 张训平, 李英强

2025, 54(2): 167.

摘要 ( 22 )

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矿石细粒度分类有助于提高矿石品位和回收率,降低能耗和环境污染。然而传统的矿石细粒度分类算法通常基于经验模型或统计学习方法,缺乏对矿石颗粒物理特性和动力学行为的深入理解,导致分类效果不理想。因而提出了一种融合混沌反向学习与分数阶微分的矿石细粒度分类算法,该算法首先利用混沌反向学习方法从矿石颗粒的运动轨迹中提取其物理特征(如形状、密度、硬度等);然后使用分数阶微分方程建立矿石颗粒的动力学模型, 描述其在分类器中的运动状态;最后根据矿石颗粒的物理特征和动力学状态进行分类。研究表明:该算法不仅能够有效顾及矿石颗粒的非线性、非平稳和多尺度特性,而且能够实现对矿石颗粒的在线、实时和自适应分类,提高了矿石细粒度分类精度和效率。

基于SCI-YOLOv8 的井下无人电机车低照度目标检测技术

雷　杨, 何　江, 秦丽杰, 何文轩, 纪雅溟, 柳小波

2025, 54(2): 172.

摘要 ( 33 )

PDF (4049KB) ( 28 )

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在井下电机车无人驾驶障碍物检测任务中,由于光照不均、粉尘等因素的影响,电机车障碍物图像目标检测系统会出现提取目标特征困难、目标识别精度降低等问题,易导致障碍物误检和漏检。针对上述问题,提出一种基于SCI-YOLOv8 的低照度目标检测算法,将SCINet 自校正照明网络与YOLOv8 目标检测算法相融合,使YOLOv8 算法更有利于低光照目标检测。并将LSKA 注意力机制嵌入到YOLOv8 网络中Head 部分C2f 的末端,降低计算和内存成本的同时,保持了高效的图像处理能力。实验结果表明,本研究所提出的算法在公共低光数据集Exdark 目标检测中,mAP@ 50 为57. 7%,mAP@ 50 ∶95 为35. 4%。相较于原始YOLOv8 目标检测算法mAP@ 50 提高了1 个百分点, mAP@ 50∶95 提高了1. 4 个百分点。在井下低光数据集LLP 目标检测中,SCI-YOLOv8 模型的mAP@ 50 达到97. 3%, mAP@ 50∶95 为68. 2%,相较于原始模型分别提高了3. 4 个百分点和8. 6 个百分点。本研究所提出的SCI-YOLOv8 算法在低光场景的目标检测中具有优越性,能满足井下低光场景的目标检测任务要求,为井下电机车安全、高效、智能运行提供了技术支撑。

煤岩瓦斯动力灾害事故统计及发生规律分析

刘业娇, 高　富, 段泽宇, 崔梦圆, 周爱桃

2025, 54(2): 180.

摘要 ( 32 )

PDF (1761KB) ( 22 )

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为了深入分析中国煤矿瓦斯动力灾害事故特征及发生规律,采用数据统计及图表分析法,以2009— 2023 年中国110 起煤岩瓦斯动力灾害事故为数据基础,从事故类型、事故等级、地区分布与时间分布4 个维度进行梳理分析。结果表明:中国煤矿瓦斯动力灾害事故类型以煤与瓦斯突出为主,事故等级以较大事故为主,地区分布呈现北多南少、西南地区偏多的规律,发生时间主要集中在3 月份及10—12 月份;煤岩瓦斯复合动力灾害事故主要集中在开采深度500 m 以下,多发生在中国中部及东部地区。从预防煤与瓦斯突出、加强应急救援能力、减少地区特征影响及加强事故多发月份管理4 个方面提出安全防治措施。此次事故统计分析对煤炭企业煤岩瓦斯动力灾害安全防治及后续相关研究有着指导作用。

双层采空区垮落带破碎岩注浆充填浆液扩散特性研究

勾奇庆, 冯皓龙, 李文杰, 梁　斌

2025, 54(2): 189.

摘要 ( 29 )

PDF (3732KB) ( 32 )

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为研究水泥粉煤灰浆液在双层采空区垮落带的扩散特性,以郑洛高速ZLGSTJ-2 标段米河煤矿双层采空区治理为研究背景,基于宾汉姆流体的黏度时变性,将垮落带破碎岩视为含有裂隙的多孔介质,采用有限元软件 COMSOL Multiphysics 构建耦合地质信息的三维双层采空区多孔注浆模型,分别对帷幕孔与注浆孔的浆液扩散状态进行分析,并研究不同注浆时间、浆液密度和裂隙渗透率对浆液扩散距离的影响,以此对注浆工艺进行完善。结果表明: 帷幕孔与注浆孔的浆液扩散分布均呈倒漏斗形状,主要有沿垮落带裂隙和地层孔隙的渗流扩散以及在空腔中的自由扩散,且注浆孔注浆相互影响较小;注浆扩散距离与注浆时间呈正相关,尤其前24 h 较为显著;浆液密度则与扩散距离呈负相关,密度1 670 kg/ m3 较1 170 kg/ m3 时浆液扩散距离减少了8. 95%;裂隙渗透率与浆液扩散距离呈正相关, 当裂隙渗透率分别为3. 50×10-9 m2 和3. 50×10-4 m2 时,后者比前者的浆液扩散距离增大约49. 72%,变化幅度较大; 采用完善后的注浆充填工艺后,经检测得知注浆效果良好,为后续施工提供了安全保障。

桩间裂缝对深基坑截渗体系渗控效应的影响

刘　武, 尚金行, 严周为, 张　康, 陈世威, 袁文俊

2025, 54(2): 198.

摘要 ( 30 )

PDF (2496KB) ( 23 )

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针对深基坑工程防渗墙与双排桩组合的复杂新型截渗结构,采用三维渗流分析方法,研究双排桩咬合部位出现裂缝对深基坑截渗体系渗控效应的影响,考虑桩间裂缝影响下优化防渗墙布置。结果表明:防渗墙与双排桩可有效控制基坑渗漏,渗控效应会受桩间裂缝开裂程度以及防渗墙布置深度与渗透性的影响。基坑渗流量及防渗墙折减水头值随裂缝开裂程度增大而增加,防渗墙渗透性质量要求随裂缝开裂程度增大而提高。裂缝区域渗透系数小于2. 45×10-4 cm/ s,仅双排桩即可满足基坑防渗要求;随着裂缝区域渗透系数增大,双排桩截渗能力迅速减弱,防渗墙渗透系数小于1×10-6 cm/ s,并将透水性强的覆盖层截断时,截渗体系渗控效应明显,若继续提升防渗墙质量和布置深度则效果不显著。当裂缝区域渗透系数达到2. 8×10-3 cm/ s,双排桩止水失效,防渗墙承担全部削减水头任务。

基于时空图卷积网络的矿区人员健康状态识别算法

王惠伟, 周超逸, 张兰峰, 孙延钊, 刘　娜

2025, 54(2): 206.

摘要 ( 24 )

PDF (1392KB) ( 24 )

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随着矿区工作环境的复杂化和危险性增加,实现矿区人员健康状态准确监测和识别很有必要。然而, 传统的健康状态识别方法通常依赖于手工提取的特征信息,忽略了矿区人员的时空关系和动态变化。为此,提出了一种基于时空图卷积网络的矿区人员健康状态识别算法。该算法首先利用时空图卷积网络对矿区人员的骨架数据进行特征提取,同时考虑了人员之间的拓扑结构和时间序列的变化;然后采用长短期记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)对提取的特征进行序列建模;最后通过全连接层进行健康状态分类。在实际矿区人员健康状态数据集上进行了试验,结果表明:所提算法在健康状态识别的准确率和F1 值等指标上均优于支持向量机(Support Vector Machine, SVM)、长短期记忆网络(LSTM)、图卷积网络(Graph Convolutional Network,GCN)、动态卷积网络(Dynamic Graph Convolutional Network,DGCN)等算法,证明了该算法的有效性和可行性。

矿井水pH 对微胶充填体强度及尾矿重金属浸出特性的影响

焦华喆, 王　琪, 杨小林, 许军强, 王　辉, 陈　勋, 徐　平, 李公成, 申宏栋

2025, 54(2): 211.

摘要 ( 28 )

PDF (3528KB) ( 23 )

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为探明矿井水酸碱度及水泥掺量对重金属离子浸出行为与胶结充填体强度的影响,通过重金属赋存形态分析及重金属长期静态浸出试验方法,结合重金属污染指数法评估水泥耗量变化对地下水污染的风险;并针对不同浸泡时间下低耗水泥充填体的单轴抗压强度进行测试。结果表明:某金矿中Zn、Cu、Pb、Ni 重金属总量为2 478. 96 mg/ kg,其中Pb 和Ni 生物可利用态占比超过50%。在矿井水pH=7 条件下浸泡120 d,灰砂比为1 ∶30 的充填体重金属浸出量显著增加,Zn、Cu、Pb、Ni 的浸出量分别是灰砂比为1∶10 时的6. 40 倍、5. 05 倍、5. 15 倍和7. 64 倍;重金属污染潜力指数普遍超过污染临界值。低耗水泥充填体对重金属离子的固化能力从传统“强固化”转为“弱固化”。在 120 d 浸泡条件下,不同灰砂比(1∶10、1∶15、1∶20)的充填体抗压强度分别降至1. 12、0. 87、0. 41 MPa,随着水泥耗量减少,水化产物减少,充填体强度下降,抵抗侵蚀能力减弱,强度下降趋势随时间加剧。

综掘工作面的风幕控尘与喷雾降尘技术应用与研究方法

张传玖, 于海明, 乔　欣, 程卫民

2025, 54(2): 219.

摘要 ( 28 )

PDF (3682KB) ( 32 )

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针对煤矿巷道综掘工作面粉尘污染严重的问题,探讨了现阶段分别以风幕控尘与喷雾降尘为核心的两大类降尘方式的发展现状及实际应用技术,从理论分析、数值模拟、实验测试、现场应用等多种维度进行研究。总结了风幕控尘实验研究、现场实测与模拟仿真的研究方法和喷嘴雾化数值等常用的研究方法。分析了基于欧拉—拉格朗日法的风幕控尘理论和喷雾降尘三相耦合仿真理论。提出了动态掘进过程中风幕控尘稳定性差、粉尘颗粒运移轨迹的计算准确度较低、喷雾相关降尘理论指导性不强等亟待解决的关键性问题,并针对现阶段综掘面风幕控尘与喷雾降尘方法提出相关发展建议。

TMT-15 改性天然矿物对土壤中的汞钝化效果研究

刘洪艳, 李瑞娟, 李　鹏, 张乙飞, 路　峰

2025, 54(2): 227.

摘要 ( 30 )

PDF (1468KB) ( 23 )

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为解决天然矿物修复汞污染土壤效果不佳的问题,采用重金属螯合剂TMT-15 对不同的天然矿物(硅藻土、海泡石、沸石、膨润土)进行改性,通过淹水土培试验,研究不同TMT-15 比例、不同钝化剂添加量和不同钝化时间下,改性天然矿物材料对土壤中汞的钝化效果影响。试验结果表明:施用硅藻土、海泡石、沸石、膨润土均能提高土壤 pH 值,同时降低有效态汞的含量,其中硅藻土钝化效果最佳,在添加量0. 8%、钝化时间7 d 时,有效态汞钝化率达到 47. 45%;天然矿物经TMT-15 改性后对土壤有效态汞的钝化作用显著提升,其中使用TMT-15 改性硅藻土钝化效果最佳,在TMT-15 与硅藻土改性比例0. 20 mL∶1 g、添加量0. 8%、钝化时间7 d 时,有效态汞的钝化率为96. 11%,汞浸出浓度为0. 098 mg/ L,达到了《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085. 3—2007)规定的汞限值(小于0. 10 mg/ L) 要求。XRD 分析结果表明,硅藻土经TMT-15 改性后出现了新的特征峰,但层间距不变,说明TMT-15 成功覆盖在硅藻土表面。因此,TMT-15 改性天然矿物可显著降低土壤有效态汞的含量和浸出浓度,可应用于土壤汞的原位钝化修复。

氧化石墨烯基水凝胶对丁基黄药的吸附性能及作用机理研究

张鹏羽, 刘　登, 何成浩, 李洪强, 陈　骞

2025, 54(2): 233.

摘要 ( 29 )

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氧化石墨烯因独特的层状结构和富氧官能团而在污水处理方面展现出广阔的应用前景。研究在制备铅离子改性氧化石墨烯基水凝胶(Lead (Pb2+ )-modified graphene oxide hydrogel,PGP)基础上,探究了其对含丁基黄药选矿废水的吸附效果。试验结果表明:在PGP 投加量0. 4 g/ L、丁基黄药浓度100 mg/ L、溶液pH=10、温度25 ℃的条件下,PGP 对丁基黄药的最大吸附量为170. 0 mg/ g,去除率为68. 0%;PGP 对丁基黄药的吸附行为符合拟二级吸附动力学模型和Langmuir 等温吸附模型,PGP 主要通过表面活性位点与丁基黄药生成Pb(C4H9OCS2)2),实现单分子层化学吸附。

脱硫灰-电石渣复掺对矿渣基胶凝材料水化作用的影响

顾晓薇, 李夏青, 赵昀奇, 刘剑平, 胡智航, 胡子扬

2025, 54(2): 240.

摘要 ( 31 )

PDF (4176KB) ( 29 )

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固废激发剂协同水化后可以为胶凝体系提供碱性环境,促进固体废物的资源化利用。利用脱硫灰与电石渣复掺激发矿渣的火山灰活性,制备了一种全固废胶凝材料,并通过XRD、TG、FTIR 和SEM 等手段研究了复掺激发剂的掺量和比例对矿渣基胶凝材料净浆试件抗压强度、水化作用和微观结构的影响。结果表明,在激发剂掺量 20%、电石渣与脱硫灰质量比1∶4 的条件下,净浆试件的28 d 抗压强度可达45. 8 MPa。微观分析表明,固废激发剂促进了矿渣中玻璃态的溶解,促进了硅、氧等网络结构的解聚,提高了矿渣的活性;净浆试件的主要水化产物为C-S-H 和AFt;抗压强度最高的G8CD4 的C-S-H 最多,净浆试件的微观结构最致密;脱硫灰的掺量对净浆试件水化产物的类型存在较大影响,当脱硫灰掺量较小时,其所含的SO3 与C-S-H 反应生成的少量AFt 填充了孔隙,使水化产物结构更为密实,而过量脱硫灰的掺入使得大量针状AFt 在C-S-H 凝胶周围形成密集裂隙,导致微观结构劣化。研究结果可为电石渣与脱硫灰复合固废激发剂体系的应用提供参考。

面向长效主动捕尘的界面立构复合化聚乳酸纳米纤维研究

吕英华, 宋欣译, 唐梦珂, 王存民, 李欣雨, 徐煜坤, 郭　震, 陈　曦, 朱金佗, 徐　欢

2025, 54(2): 247.

摘要 ( 28 )

PDF (4825KB) ( 22 )

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为解决矿山粉尘等有害颗粒物对工人健康及环境的严重影响,提出了利用三同轴静电纺丝制备界面立构复合化聚乳酸(PLA)纳米纤维膜(NFMs)以提高过滤效率,将氨基化MOF(NH2-UiO-66)锚入核壳结构纤维的中间层,促进左旋聚乳酸(PLLA)及右旋聚乳酸(PDLA)形成界面立构复合化,制备了超细直径的具有高过滤效率和低空气阻力的立构复合化聚乳酸纤维。试验结果表明:NH2-UiO-66 的锚入使纤维显著细化至118 nm,表面电位提升至 17. 8 kV,介电性能增强至1. 8;PLA NFMs 的摩擦电输出性能表现出优异的静电荷可再生能力,其输出电压达54 V,输出电流达120 nA;即使在85 L/ min 的高流量下,PLA NFMs 对PM0. 3~2. 5 的过滤效率也可达99. 9%,空气阻力约60 Pa。 NH2-UiO-66 加强的界面立构复合化PLA NFMs 在实现高效低阻、PMs 长效捕集方面具有巨大潜力,可为矿山粉尘防治提供可靠的材料选择。

氟石膏-熟料-矿渣三元复合胶凝材料水化机理研究

苏岳威, 张玉露, 曲效成, 张克含, 高永涛

2025, 54(2): 256.

摘要 ( 37 )

PDF (3265KB) ( 22 )

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为解决水泥胶结尾矿砂充填性能不足、材料成本高等工程应用问题,研究旨在开发一种新型氟石膏-熟料-矿渣粉三元复合型尾砂胶结充填胶凝材料(FCSCM),有效提升充填体性能和经济性的同时,促进工业固废在金属矿山充填领域的资源化利用。通过FCSCM 胶结尾砂充填体抗压强度、FCSCM 净浆水化产物种类及形貌分析,揭示了氟石膏对FCSCM 胶结强度发展及水化产物特性的影响。试验结果表明:在矿渣粉比例一定时,随着氟石膏比例的增加,FCSCM 胶结充填体强度呈现先增加后降低的趋势;当氟石膏掺量为15%时,相比无石膏组,充填体3、28 d 强度分别提高104. 3%和63. 6%。微观分析结果表明:氟石膏的加入有利于促进矿渣中的活性Al2O3 反应,生成针棒状钙矾石(AFt),抑制Al2O3 向C-(A)-S-H 转化;针棒状AFt 与C-(A)-S-H 互相包裹搭接,形成致密的立体空间结构,促进了FCSCM 早期强度的快速发展。研究结果为氟石膏在矿渣基胶凝材料中的应用提供了理论依据,为制备新型低碳尾砂胶结充填材料提供了新的方案。

基于水化特性的钢渣膨胀抑制机理研究

袁正国, 陶智忠

2025, 54(2): 263.

摘要 ( 30 )

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为了预测钢渣水化膨胀规律并提出水化膨胀抑制措施,根据钢渣水化反应建立膨胀模型,同时分析不同掺量、不同细度的粉煤灰对钢渣的抑制作用,基于X 射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)技术探究了其抑制机理。结果表明:钢渣水化膨胀与f-CaO 和f-MgO 的含量、颗粒大小、混合料级配及相对密度均有直接关系,理论模型结果与实测值吻合程度较好。钢渣浸水膨胀增长速率随着浸水龄期的延长呈现先快后缓的趋势,粉煤灰的掺量增大抑制钢渣膨胀的效果增强,且一级灰抑制钢渣膨胀的效果优于原灰;钢渣表面空隙多,水化通道丰富,粉煤灰越细,形态效应越强,对钢渣抑制效果越好,钢渣粉煤灰体系中的水化产物主要是锚片状、纤维状的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、水化硅酸镁凝胶(M-S-H)和针棒状钙矾石(AFt),可有效填充钢渣水化通道,抑制钢渣膨胀。

耦合因素影响下尾砂湿喷混凝土强度与预测研究

贾住平, 胡亚飞, 张　博, 王　堃, 韩　斌

2025, 54(2): 270.

摘要 ( 26 )

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尾砂粒级、胶凝材料和掺和料是影响尾砂湿喷混凝土单轴抗压强度的重要因素,针对5 种尾砂、2 种胶凝材料和2 种掺合料设计63 组配合比并开展单轴抗压强度试验,获得了各因素及耦合因素对尾砂湿喷混凝土抗压强度的影响规律与机理,并利用ANFIS 建立了尾砂湿喷混凝土强度预测模型。结果表明:在单一影响因素下,尾砂粒度、粉煤灰掺量与尾砂湿喷混凝土抗压强度均呈正相关关系,而尾砂湿喷混凝土强度则随硅灰掺量增加呈先升高后降低的趋势;当胶凝材料掺量不超过570 kg/ m3 时,胶固粉对湿喷强度的提升效果较好;当胶凝材料掺量高于570 kg/ m3 时,水泥对湿喷强度的提升效果较好。水泥掺量与尾砂湿喷混凝土抗压强度间遵循Logistic 曲线规律,胶固粉则遵循Log-Normal 曲线规律;基于ANFIS 构建的尾砂湿喷混凝土强度预测模型的预测精度高于90%,平均预测精度为98. 2%,最高预测精度可达99. 8%,实现了尾砂湿喷混凝土强度的高精度预测。研究结果对尾砂湿喷混凝土的工程应用具有重要指导意义。

碱激发剂模数对镍渣-矿渣地质聚合物抗冻性能的影响

王杜彬, 孙魏巍, 赵　俊, 林　梦, 尹明干, 杨　涛

2025, 54(2): 278.

摘要 ( 28 )

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地质聚合物的制备可消纳多种工业固体废弃物。本研究以风冷镍渣和矿渣为原料,以硅酸钠溶液为碱激发剂制备镍渣-矿渣地质聚合物,分析碱激发剂模数和冻融循环对材料抗压强度的影响,通过表征物相组成、孔结构和微观结构变化研究材料的抗冻性能。结果表明:激发剂模数1. 2、1. 5 和1. 8 情况下,地质聚合物试件冻融前的抗压强度依次为106. 3、86. 1 和85. 3 MPa,增大激发剂模数导致抗压强度降低,进而影响地质聚合物硬化体的抗冻性; 激发剂模数1. 2、1. 5 和1. 8 情况下试件冻融100 轮次的强度损失率依次为7. 2%、2. 6%和30. 0%,其中1. 8 模数试件抗冻性较差;冻融后试件内部发展出了多条微裂纹,孔溶液结冰产生膨胀应力并破坏硬化体的结构完整性。同时,冻融过程导致地质聚合物硬化体内Na+浸出,孔溶液碱性下降,进而引发强度损失。

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