金属矿山

卿少帅, 陈新, 马伯涛

2023, 52(06): 1-12.

摘要 ( 185 )

PDF (7336KB) ( 384 )

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为克服物理模拟试验制作大量小尺寸断续节理的困难,采用 PFC2D 软件对节理连通率固定而节理尺寸 (或节理分段数 m)与倾角 β 组合变化的断续节理岩体开展了单轴压缩数值模拟试验,分析了其宏观非线性力学响应和细观损伤力学机理。 PFC 模型的细观力学参数根据以往的多批含节理石膏试件物理模拟试验结果进行标定。研究发现:① 当节理倾角固定时,试件当量化峰值强度和弹性模量随节理尺寸(或 m)的减小而增大,且峰值强度与 Oda 组构张量的标量损伤变量呈指数关系。 ② 随着节理倾角或节理分段数的减小,试件的应力应变曲线由单峰型变为多峰型,节理系统的承载力调用提升。 ③ 试件的破坏模式可分为岩石基质剪切破坏、沿同列节理的条块状破坏和沿节理面的剪切滑移破坏 3 种类型,与后两种破坏模式相比,第一种破坏模式的试件强度较高。 ④ 节理试件的非线性力学响应与节理和岩桥的相互作用密切相关,并经历了如下 3 个阶段:弹性变形阶段,节理系统未闭合,岩桥单独承载;非弹性变形阶段,岩桥或基质出现损伤,节理系统开始闭合并承载;残余阶段,由于岩桥或基质破坏以及节理的再次张开,岩桥或基质以及节理系统的承载力都降低。 ⑤ 节理和岩桥的非线性力学响应决定了试件的弹性模量、强度、延性随节理尺寸的变化规律;一般而言,随节理尺寸(或 m)减小,节理的闭合位移与承载力调用也减少。

酸蚀作用下红砂岩的非线性蠕变损伤本构模型研究

胡斌, 陈怡昕, 张真, 李京, 魏二剑

2023, 52(06): 13-18.

摘要 ( 110 )

PDF (1360KB) ( 299 )

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为探究红砂岩在酸蚀作用下的蠕变特性,根据损伤力学理论,将红砂岩中氧化钙在单位时间内的损失量作为化学损伤的依据;通过化学动力学中的表观反应速率理论,考虑浸泡红砂岩的化学溶液初始 pH 值和浸泡时间,推导出氧化钙损失量随时间变化的表达式,从而实现化学损伤因子的定量化。针对红砂岩在蠕变过程中的应力损伤,提出了应力损伤演化方程及加速蠕变时间阈值。在传统蠕变本构模型的基础上串并联基本元件,并将化学损伤因子与应力损伤因子引入蠕变本构模型中,建立了酸蚀作用下红砂岩的非线性蠕变损伤本构模型。最后,通过分析酸性溶液浸泡后红砂岩的三轴压缩蠕变试验数据,对所建模型进行参数辨识及验证,结果表明,本文所提出的蠕变模型能较好地描述红砂岩在酸蚀作用下的蠕变特性,具有一定的合理性与可靠性。

基于体裂隙强度的岩体代表性单元体尺度确定方法

吴江伟, 吴鹏程

2023, 52(06): 19-23.

摘要 ( 71 )

PDF (2846KB) ( 280 )

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岩体由于各种结构面表现出不连续性、非均质性、各向异性等复杂特性,使得岩体尺寸效应成为岩体力学研究的重点和难点,尺寸效应研究关键在于确定岩体代表性单元体尺度。根据 3GSM 现场测量和室内试验,建立了 9 组不同尺度裂隙三维网络模型,计算体裂隙强度,发现体裂隙强度随尺寸变化出现波动,根据波动大小分为离散区 (1~ 4 m)、过渡区(4~ 8 m)和均质区(8~ 20 m)。基于三维块体离散元软件 3DEC,依据裂隙网络模型建立 9 组裂隙岩体模型,进行常规三轴压缩数值模拟研究。结果表明:裂隙岩体表现出明显尺寸效应,即随着岩体尺寸增大,各力学参数先减小后稳定,代表性单元体(REV)尺度为 8 m。最后,引入体裂隙强度反映裂隙对尺寸效应的影响,并与 REV 尺度对比,发现通过体裂隙强度表征裂隙岩体尺寸效应规律是可行的。

基于里氏硬度的岩石拉、压强度预测模型研究

管圣功, 钟杨, 曹润青, 南虎, 伍法权

2023, 52(06): 24-32.

摘要 ( 80 )

PDF (5422KB) ( 289 )

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单轴抗压强度和抗拉强度是采矿、隧道、边坡、水利、交通等工程设计领域中重要的岩石力学参数,为了降低测试的时间和成本,便于现场估计岩石拉、压强度,本研究基于里氏硬度探索新的无损间接测量岩石拉、压强度方法。通过室内试验获得岩石里氏硬度、单轴抗压强度、劈裂抗拉强度等参数,分析各参数的相关性并得出经验回归公式。试验结果表明:选用的 6 种岩石的里氏硬度与单轴抗压强度和抗拉强度呈现正相关且相关性显著,里氏硬度与单轴抗压强度间以幂函数关系显著,里氏硬度与抗拉强度间以线性函数关系显著。此外,通过里氏硬度计算岩石单轴抗压强度和抗拉强度的结果误差在 15%范围内,与文献中施密特回弹值和波速计算岩石拉、压强度 35%误差相比, 精度显著提高。里氏硬度测试仪有便捷、快速、低成本、可现场试验的优点,可作为相应地区工程间接获取岩石拉、压强度的测试方法。

缓倾斜弹性薄板顶板力学模型分析

郭延华 , 刘保锟, 杜春雪, 韩现刚, 吕岩

2023, 52(06): 33-39.

摘要 ( 71 )

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针对缓倾斜顶板稳定性分析问题,基于三维模型进一步分析在一定倾角以及受非均布荷载情况下顶板的破坏规律。根据弹性薄板小挠度理论对缓倾斜顶板建立不同边界条件下的薄板力学模型,分别对四边固支薄板、两边固支两边简支薄板以及四边简支薄板模型进行力学分析,运用伽辽金法计算各薄板力学模型的挠度公式,并求出相应弯矩以及应力解。运用 MATLAB 软件绘出工程实例的挠度曲线和弯矩曲线,分析得到顶板应力分布特征以及破断机理。结果表明,顶板形成“长边—短边—中部”的破坏机制,由整体破坏过程来看,也可看作顶板形成“ O-X”型的破断模式,可为缓倾斜顶板支护以及顶板破断机理分析提供了理论依据。

丰山铜矿机械化盘区高效采矿方法优化

石大庆, 王贻明, 张纯锋, 付琛, 张宏荣

2023, 52(06): 40-44.

摘要 ( 73 )

PDF (1618KB) ( 338 )

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丰山铜矿目前采用的点柱式上向分层充填法存在点柱损失矿量大、劳动强度大、安全条件差、生产效率低等缺点,已不再适应生产及经营需求。为降低矿石贫损,提高生产效率,结合 2022 年无轨设备及膏体充填更新改造计划,通过优化采准工程布置和回采工艺,决定将采矿方法变更为上向进路充填采矿法,将其改造为安全高效的机械化盘区开采。北缘-380 m 中段东部试验盘区原生产能力为 200 t / d,通过优化设计生产能力达到 950 t / d,回采效率显著提升,经济效益显著。

高阶段大跨度柱状采空区群低成本充填治理方案研究

杨建国, 陈俊宇, 周兴晖, 李帅, 黄淇, 杨春刚

2023, 52(06): 45-50.

摘要 ( 77 )

PDF (2250KB) ( 270 )

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遂昌金矿 1 号铅锌矿体成矿于燕山晚期,产于隐爆火山岩中,属小型隐爆岩型(硫)铅锌矿体,为一近似直立的烟囱状结构。多年来,1 号铅锌矿体一直采用分段空场法开采,产生了阶段高度达 80 m、最大暴露面积超过 2 000 m2、总体积近 11. 4 万 m3 的高阶段大跨度柱状采空区群,极易产生冒顶片帮和失稳坍塌现象,进而诱发大规模的地压灾害,引发地表沉降及塌陷危及深部未采矿体的回采作业安全。通过开采技术条件分析、资源禀赋情况调查、采空区稳定性评价及可利用旧措施工程勘察,提出了适用于 1 号铅锌矿体高阶段大跨度柱状采空区群的低成本充填治理方案,并进行了充填配比参数优化、材料消耗计算、管路线路设计、管道选型与阻力计算、封堵挡墙构筑方案设计。遂昌金矿高阶段大跨度柱状采空区群的充填治理不仅可产生明显的经济效益和环境效益,还为国内外复杂采空区群的安全治理提供了借鉴。

四方金矿崩落法转嗣后充填关键隔离层厚度研究

郭进平, 卢皎旭, 张文革, 强浩, 罗才严, 芦永利

2023, 52(06): 51-60.

摘要 ( 56 )

PDF (6110KB) ( 246 )

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为了抑制四方金矿采用崩落法采矿引发采空区垮落造成地表塌陷,减弱采矿活动对矿山生态环境的影响,针对四方金矿地表塌陷区进行灾害恢复治理,提出崩落转嗣后充填的开采模式,并对其面临的关键隔离层技术进行研究。首先对四方金矿崩落转空场嗣后充填开采过程中需留设的隔离层安全厚度问题进行岩石力学的理论计算分析研究,依据厚跨比法等 5 种理论计算法,计算不同安全系数下的隔离层厚度,建立隔离层安全厚度的理论计算模型,通过理论计算初步确定合理的隔离层安全厚度范围;之后利用 FLAC3D 建立有限元数值模型,分别对不同厚度隔离层下部采场开采过程进行模拟计算,通过分析其位移、应力、塑性区等判断隔离层厚度是否合理,从而确定采矿方法安全过渡的隔离层厚度范围,同时对以后矿山类似工程具有借鉴意义。

金属矿中深孔微差爆破起爆延时精准识别与段别优化

王瑜, 董二虎, 张旭飞, 孟祥凯

2023, 52(06): 61-70.

摘要 ( 66 )

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爆破工程仍作为金属矿山矿石回采的主要方式,在岩体中深孔回采爆破过程中,空区围岩往往属于易受震动损坏的保护对象,为了使爆破震动的累计破坏控制在围岩能够承受的震动范围内,在进行爆破参数的设计和调整过程中有必要对空区围岩产生的震动进行控制。震动响应信号 HHT 分析方法具有依据数据本身时间尺度进行分解的特征,是一种自适应性的时频域局部化分析方法;IMFi 模态函数可作为不同带宽下数字信号组成的固有分量, 利用 Hilbert-Huang 变换得到每个模态分量的构造函数矩阵,针对构造函数建立 instfreq. m 函数瞬时频率调制算法,精准计算瞬时频谱、瞬时能量谱、Hilbert 能量谱和三维时频能量谱。结合某金属矿山中深孔微差爆破震动实测数据,针对相邻两次中深孔爆破中的固定监测点进行爆破震动波形的精准识别,实现了多重判据下微差时间的精准识别和三维时频能量谱分析,给出了一种微差爆破起爆延时精准识别与段别优化方法,可为金属矿回采爆破中不同段别的识别改善、时频域能量的分布调控提供参考。

三山岛高应力腐蚀环境裂隙围岩支护技术与控制研究

照亚, 杨尚欢, 郭奇峰, 颜景暄

2023, 52(06): 71-78.

摘要 ( 71 )

PDF (2363KB) ( 308 )

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针对三山岛金矿深部开采面临的高应力腐蚀环境下围岩稳定性问题,分析了当前支护下管缝式锚杆锚固力腐蚀退化过程,提出了深部高应力腐蚀环境围岩控制的树脂锚杆支护方案,综合采用工程类比、经验公式和理论计算 3 种方法确定了树脂锚杆支护参数。同时,采用 FLAC3D 数值模拟方法,分析了管缝式锚杆支护、树脂锚杆支护和锚网穿带(树脂锚杆+锚网+穿带)支护 3 种形式下的围岩应力与变形特征。结果表明:锚网穿带支护下的围岩变形控制效果最优,树脂锚杆支护次之,管缝式锚杆最差。此外,在深部-1 005 m 水平腐蚀环境下采用锚网穿带进行支护试验,并对围岩应力、变形、支护状况进行监测,监测点 1~ 3 在监测周期内巷道最终水平收敛平均值为 23 mm 左右,巷道顶板平均下移量为 25 mm。通过监测结果可知,该支护方案对巷道围岩的稳定性起到了预期的岩层控制效果。

含断层采场顶板膨胀型浆体注浆加固效果研究

张文豪, 姚囝, 叶义成, 李鹏程

2023, 52(06): 79-84.

摘要 ( 55 )

PDF (2140KB) ( 239 )

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为研究某矿含断层采场顶板处采用膨胀型浆体注浆加固效果,开展了由膨胀型浆体和普通型浆体注浆加固相似模拟试验,对比分析了不同浆体注浆加固后含断层采场顶板沉降和围岩应力变化情况。研究结果表明:相较于普通型浆体,膨胀型浆体注浆加固含断层采场顶板能够进一步减小顶板沉降及其上下盘围岩应力增量,使加固后的含断层采场顶板稳定性更高;膨胀型浆体通过先挤后黏增加了浆—岩接触面的粘结强度和摩擦强度,提升了复合顶板整体力学强度和承载力,减小了上覆岩层自重应力向矿柱围岩中底部转移;膨胀型浆体产生的膨胀应力分别向上支撑和向下挤压断层两侧岩体,缓解了上覆岩层对上盘岩体矿柱围岩的挤压,略微增大了下盘矿柱的围岩应力。

松散尾砂充填体下小进路式充填回采顶柱工艺研究

薛田喜, 闫至开, 蒋翔, 冯帆, 王瑞星, 景泮印

2023, 52(06): 85-89.

摘要 ( 52 )

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当回采松散尾砂充填体下的顶柱时,由于井下开采技术条件复杂,顶柱回采过程中常常面临着很多安全问题,在保障采场安全的前提下尽可能地节约生产成本,是急需解决的技术难题之一。针对此问题,提出了一种小进路式充填回采顶柱的采矿方法,其核心是通过将矿块进一步划分为沿走向方向上的若干条小进路,从而减小采场进路的暴露面积,降低护顶层留设厚度。首先,对采场进路布置方式进行了详细的介绍,并阐述其技术优势;其次,以国内某铅锌矿为例,将该方法与上向分层进路式充填采矿法进行了经济、技术比较。研究表明,当采用该采矿方法回采该矿山采场顶柱时,每个采场可多获得收益 70. 14 万元,为松散尾砂充填体下的顶柱回采提供切实可行的方法。

铁矿石生物质流态化焙烧过程中物料临界流化特性研究

于天佑 , 孙永升, 唐志东, 韩跃新

2023, 52(06): 90-95.

摘要 ( 74 )

PDF (3200KB) ( 484 )

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生物质流态化焙烧是一种处理难选铁矿石的清洁高效技术。然而,由于生物质与矿石密度差异较大, 气固流化特性是生物质流态化焙烧的核心。针对生物质流态化焙烧的临界流化特性进行了研究,结果表明:颗粒临界流化风速随着秸秆颗粒粒度与矿石颗粒粒度的增大而增大,随着生物质质量分数增大而减小,而床层高度与床层面积对临界流化风速影响较小,建立了临界流化风速预测模型。研究结果对生物质流态化焙烧过程调控和新装备研发具有指导意义。

白云鄂博中贫氧化矿预富集—氢基矿相转化试验研究

郭磊, 陈宏超, 高鹏, 祝昕冉, 韩跃新

2023, 52(06): 96-100.

摘要 ( 77 )

PDF (1626KB) ( 245 )

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针对传统磁化焙烧工艺碳排放量大、能耗高、效率低等问题,东北大学提出了复杂难选铁矿石氢基矿相转化新技术,该技术以氢气或富氢气体作为还原剂,使赤铁矿转化为磁铁矿。考察了还原温度、还原时间、H₂ 浓度对白云鄂博中贫氧化矿预富集—氢基矿相转化过程的影响规律。结果表明:预富集精矿在还原温度 450 ℃ 、还原时间 20 min、H₂ 浓度 20%的还原条件下,经磁选可获得铁品位 65. 26%、回收率 89. 02%的选别指标。采用 X 射线衍射对物相转化规律分析结果表明,氢基矿相转化过程中,赤铁矿逐渐被还原为磁铁矿。采用 VSM 对产品磁性进行分析,发现反应过程中样品的磁性逐渐增强,在最佳还原时间 20 min 时样品的单位质量磁矩达到了 23. 53 A·m² / kg,比磁化系数达到了 0. 191×10^-3 m³ / kg。研究结果对采用氢基矿相转化技术开发难选铁矿资源具有借鉴意义。

半乳甘露聚糖对镜铁矿和石英可浮性的影响及机理研究

王亚琴, 张鹏鹏, 李明阳

2023, 52(06): 101-106.

摘要 ( 55 )

PDF (1761KB) ( 233 )

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镜铁矿在自然界中常与石英伴生,但镜铁矿磁性较弱,难以通过磁选对这两种矿物进行分离,浮选是实现分离的有效手段。以十二胺为捕收剂,通过单矿物浮选、Zeta 电位测试、吸附量测试及 XPS 光谱研究了半乳甘露聚糖对十二胺体系下镜铁矿与石英可浮性的影响。单矿物浮选试验结果表明,当 pH = 10、十二胺浓度为 20 mg / L、半乳甘露聚糖浓度为 48 mg / L 时,石英单矿物回收率较镜铁矿高 58. 53 个百分点,以半乳甘露聚糖为镜铁矿抑制剂可实现镜铁矿与石英的有效分离。混合矿浮选试验获得了铁品位 53. 17%、回收率 78. 4%的指标。 Zeta 电位测试结果表明, 半乳甘露聚糖可以在镜铁矿表面产生强烈吸附,使矿物表面零电点正移,但半乳甘露聚糖对石英表面 Zeta 电位影响不明显。吸附量测试结果表明半乳甘露聚糖在镜铁矿表面的吸附量高于在石英表面的吸附量。 XPS 光谱分析结果表明半乳甘露聚糖产生吸附的主要原因是镜铁矿表面铁原子与半乳甘露聚糖产生了化学吸附。研究结果表明,半乳甘露聚糖可以作为镜铁矿与石英浮选分离的抑制剂。

菱铁矿微波磁化焙烧磁选工艺及机理研究

周廷波, 魏晓彤, 孙永升, 韩跃新

2023, 52(06): 107-112.

摘要 ( 81 )

PDF (2945KB) ( 245 )

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菱铁矿是我国重要的铁矿资源,然而由于其铁品位低、矿物组成复杂,尚未得到大规模开发利用。提出采用微波磁化焙烧技术处理菱铁矿,考察了微波焙烧温度、微波焙烧时间、CO₂浓度、磨矿细度以及磁场强度对焙烧产品分选指标的影响规律,同时采用 XRD、VSM、SEM-EDS 等检测技术分析了微波磁化焙烧过程机理。结果表明:菱铁矿石微波磁化焙烧磁选适宜的工艺参数为焙烧温度 650 ℃ 、焙烧时间 10 min、CO₂浓度 20%、磨矿细度-0. 038 mm 占 85%、磁选场强 136. 19 kA / m,此时可获得铁精矿品位 61. 62%、回收率 82. 87%的技术指标;随着焙烧反应的进行,弱磁性的菱铁矿石逐渐转变为强磁性磁铁矿,焙烧后样品的磁性显著增强。在焙烧时间 10 min 时,焙烧产品最大比磁化系数为 31. 14×10-5 m³ / kg。焙烧过程中菱铁矿按照由颗粒边缘至内部的空间顺序转变为磁铁矿,且随着反应的进行,裂纹由外向内生成发育。研究结果为菱铁矿资源的高效利用提供了一种新思路。

低浓度含铟液中铟的富集提取及伴生锌铜的梯次回收

杨力衡, 林涵雨, 迟晓鹏, 林泓富, 翁威, 谭文, 衷水平

2023, 52(06): 113-119.

摘要 ( 43 )

PDF (1536KB) ( 286 )

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铟是一种稀散金属,具有重要战略价值。当前金属铟主要通过湿法工艺从矿物副产品中提取和回收。基于浸出—萃取净化—电解的工艺流程,从含铟浓度极低( <0. 05 g / L)且铜、锌、银等杂质浓度较高的回转窑挥发烟尘浸出液中富集铟。首先对浸出液萃取富集获得了铟、铜及锌的富集液,进一步通过置换还原获得了铟单质及铜锌氯化液,从而实现了浸出液中铟与铜锌的分离。之后,对锌铜氯化物溶液进行置换回收锌铜元素。在铟的萃取阶段, 考察了萃取剂种类、pH 值、相比( O / A)、温度、萃取时间对铟萃取率的影响。确定最佳萃取条件为:有机相为浓度 30%的 P204、水相 pH 值为 0. 5、相比为 1 / 3、温度为 20 ℃ 、混合时间 5 min。在铟的反萃阶段,负载有机相经过三级洗涤、三级反萃,可使铟的反萃率接近 100%。烟尘浸出液经萃取—洗涤—反萃流程后,铟回收率高达 96. 8%,所获含铟反萃液经锌单质还原可获得 98%的海绵铟,置换率高达 99%。置换后液经净化除杂、蒸发结晶制备 ZnCl2 及电积铜, 实现了锌、铜的梯级高效回收。研究结果有望为低浓度含铟液中铟的富集提取与伴生元素的梯次回收提供借鉴。

艾砂磨机磨矿工艺参数对江西某冶炼厂金精矿粒度分布特性的影响

魏鸿全, 韩跃新, 李艳军, 张小龙, 吴为荣

2023, 52(06): 120-126.

摘要 ( 60 )

PDF (2376KB) ( 306 )

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艾砂磨机在细磨作业中具有高效节能、选择性磨矿、磨矿产品粒度分布窄、无需配备分级设备等特点。为探究艾砂磨机磨矿工艺参数对磨矿产品粒度分布特征的影响规律,采用 ALC-1L 艾砂磨机对江西三和金业的浮选金精矿进行磨矿试验,采用激光粒度仪对磨矿产品进行分析,并结合罗辛-拉姆勒( R-R)方程系统分析磨矿产品的粒度体积分布率和累计产率。结果表明:在磨机转速 1 700 r / min、矿浆浓度 36%、矿浆处理量 20 L / h、介质充填率 38% 的试验条件下,磨矿产品粒度分布范围较窄,其均匀性指数 n 为 0. 966 3,颗粒特性参数 b 为 0. 049 8,45 ~ 15 μm 中间粒级含量为 35. 90%。试验结果对江西三和金业浮选金精矿的粒度分布调控具有一定指导意义。

钽铌尾矿综合利用研究进展与展望

肖志, 何桂春, 汪劲刚, 赵红宇, 石岩, 易晨, 段奕龙, 张叙军

2023, 52(06): 127-133.

摘要 ( 48 )

PDF (1625KB) ( 377 )

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钽铌尾矿高效综合利用是钽铌矿山企业向绿色、低碳、循环发展转型的重要途径之一。在对我国钽铌资源及其选矿技术进行简要概述的基础上,详细阐述了我国钽铌尾矿的综合利用方式,包括再选回收有价矿物(如钽铌、锂云母、长石、石英等)、制备绿色建材(如微晶玻璃、发泡陶瓷)以及尾矿回填等方面。同时,分析了综合利用途径中存在的优势和不足。最后,提出了加强钽铌尾矿整体深度清洁回收研究和拓展钽铌尾矿制备高值化绿色建材新途径的建议,以期实现钽铌尾矿的真正资源化、减量化、无害化利用。

四川轿顶山锰钴矿床含矿岩系岩石地球化学特征及成矿规律

徐云峰, 秦宇龙, 李名则, 熊昌利, 白宪洲, 张彤, 武文辉, 詹涵钰, 吴建亮, 王显锋

2023, 52(06): 134-144.

摘要 ( 82 )

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汉源县轿顶山锰钴矿是四川省最早发现的优质锰钴矿床,是四川省重要的锰钴资源基地。为探讨其沉积环境、物源区背景及进一步研究矿床成矿规律,进行了含矿岩系的岩石地球化学分析。结果表明:轿顶山锰钴矿床属海相化学沉积型,主要受藻礁控制,沉积环境为氧化—还原过渡环境。原始沉积物质主要成分为上地壳长英质,但沉积时有少量基性物质、古老沉积物等成分混入;物源区构造背景由被动大陆边缘过渡至大陆岛弧构造背景;轿顶山锰钴矿产于开阔台地外侧的水下隆起附近,由藻类吸附锰质等形成;晚奥陶世—早志留世,区域上发生了海底火山活动,并带出锰、钴等物质,使整个海域都富成矿物质,为锰钴矿的形成提供了物质来源基础;海底火山活动带出的 Co、 Mn、Ni 等随海流运移至藻礁区域,改变了周围水域的物理化学性质,藻类选择性地吸附 Co、Mn、Ni 等元素,导致 Co、 Mn、Ni 等物质大量沉淀,从而形成了含 Co、Ni 较高的菱锰矿。

超大型露天矿多源信息集成的WebGIS云平台构建

胡美婷, 叶会师, 杨天鸿, 李华, 荣辉, 邓文学, 刘洋

2023, 52(06): 145-154.

摘要 ( 68 )

PDF (5787KB) ( 248 )

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随着国内超大型露天矿生产安全的要求不断提高,不同类型和厂家的数字化设备被用于矿山安全监测,为提高多源监测数据的联动性、监测的准确性,亟需构建可集成矿山多源信息统一平台。以司家营研山铁矿为例, 分析了超大型露天矿的工程数据概况,构建多源信息文件数据库和时间序列数据库,统一存储管理矿山的地质数据、监测数据和采矿生产数据;基于 SuperMap WebGIS 二三维一体化技术,搭建了可集成展示露天矿“地”、“测”、“采”多源异构静、动态数据的平台框架;采用 JavaScript、CSS、Html、PHP、Ajax 等语言,二次开发可用于超大型露天矿采场快捷测量、矿山模型查看、多源监测数据查看、车辆轨迹在线查看等方面的功能,从而构建了多源信息集成 WebGIS 平台。研究结果表明:① 该平台能集成全天候、自动化、连续性更新的海量数据;② 能够实现地质数据、监测数据、生产数据一站式查询和管理;③ 能有效记录和发布基于监测数据的滑坡信息。

液压凿岩机凿岩控制系统设计研究及应用

牛振华, 任燕

2023, 52(06): 155-160.

摘要 ( 66 )

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液压凿岩机的凿岩控制系统可以使凿岩机高效作业、提高主要部件的使用寿命、降低钻具和凿岩机的损耗。本文详细分析了液压凿岩机凿岩控制功能和主要控制逻辑,设计了凿岩机液压控制系统,并说明了凿岩控制系统的原理。基于 AMESim 软件建立了液压系统模型,并进行了凿岩机控制系统的仿真。同时将该控制系统搭载在某凿岩机和某钻车上,进行了试验和应用,从应用来看该控制系统可以很好地实现凿岩机的防卡钎控制、防空打控制、高低冲切换控制等,研究应用结果为凿岩机的控制提供了参考和借鉴。

地下金属矿铲运机自主驾驶系统设计

杜富瑞, 陈国良, 朱铭, 战凯, 张元生

2023, 52(06): 161-166.

摘要 ( 61 )

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针对地下金属矿铲运机自主行驶控制问题,提出了一种适用于短距离矿石运输工作环境的铲运机自主控制方法。首先,基于对铲运机车辆结构的分析,多维度对比了不同操作方式的铲运机系统;然后,利用工业以太网、智能控制器和多线激光雷达搭建了铲运机自主驾驶系统;最后,提出了铲运机自主驾驶融合控制方法。该方法采用分段控制策略,在采场穿脉及放矿穿脉内采用“低速高稳定性”车辆控制模型,在运输大巷内采用“高速高效率”车辆控制模型。在此基础上,搭建了试验仿真平台。试验结果表明:所提出的控制方法可以保证铲运机井下工作的稳定性和矿石运输效率,可为地下金属矿铲运机自主驾驶提供有益参考。

基于内部流场特性的旋流器内溢流管长度优化

张彩娥, 张铭宇, 史济泓, 潘程尧, 陆帅帅

2023, 52(06): 167-172.

摘要 ( 40 )

PDF (2529KB) ( 293 )

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为了提供一种基于内部流场特性的内溢流管长度优化新方法,系统研究了水力旋流器内溢流管长度变化对湍流强度、空气柱、压强、速度分布等流场特性指标及沉砂分配率、颗粒空间分布等分级性能指标的影响规律。结果表明,对于直径 50 mm 水力旋流器,当内溢流管过短(l<16 mm)或过长(l>56 mm)时,旋流器内部湍流强度较高,空气柱稳定性降低,部分压力能转换为内能而被浪费,切向速度较小,轴向零速包络面 LZVV 形状不规则,内部流场稳定性较差。最佳的内溢流管长度为 16 mm≤l≤56 mm,此时旋流器内湍流强度较低、空气柱稳定、颗粒空间分布规律性强,分级精度较高。研究结果可为水力旋流器的结构设计提供理论指导。

螺旋溢流管型旋流器分离性能试验研究

姜兰越 , 逯宇轩 , 刘培坤, 张悦刊, 伏文秀

2023, 52(06): 173-177.

摘要 ( 41 )

PDF (1706KB) ( 231 )

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针对矿井水井下就地澄清设备占地面积大、药剂耗量大、处理成本高等问题,设计了一种溢流管内设置螺旋叶片的旋流器,利用旋流器的快速离心分离去除矿井水中的大颗粒,溢流细颗粒在螺旋叶片静态混合作用下与絮凝剂充分反应,达到微细颗粒快速混凝的效果,从而实现矿井水澄清的目的。采用试验研究的方法对比研究了螺旋溢流管型旋流器结构分离性能的变化规律。结果表明:螺旋溢流管型旋流器能够更好地抑制溢流跑粗情况,底流固相产率提高了 14. 07%,且通过絮凝试验发现,螺旋溢流管型旋流器溢流料浆的平均沉降速度是常规旋流器溢流料浆平均沉降速度的 2. 48 倍,上清液的浊度减少了 42%、固体悬浮物含量减少了 44. 2%。

高压辊磨过程的料仓重量自动控制研究

冷红菱, 袁致涛, 卢冀伟, 张沐凡

2023, 52(06): 178-183.

摘要 ( 54 )

PDF (1817KB) ( 216 )

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在选矿流程中,高压辊磨机挤满给矿的进料方式易受料仓中物料重量波动影响,进而对高压辊磨机的碎磨矿效果造成影响,这一过程因系统延迟和时变的影响难以通过传统方式进行稳定控制。针对此问题,将 Smith 预估偏格式动态线性化无模型自适应控制方法应用于高压辊磨过程的料仓重量控制中,并基于现场数据进行仿真控制试验。根据仿真结果可以得出,所设计的控制方法的均方根误差和平均绝对误差与 PID 控制、紧格式和偏格式无模型自适应控制相比,分别减小了约 78%、40%和 5%。结果表明,所设计的控制方法提升了控制器在面对复杂系统时的控制性能,能够实现对高压辊磨过程料仓重量的稳定控制。

基覆面形式对堆积体边坡失效风险影响分析

孙良鑫

2023, 52(06): 184-191.

摘要 ( 37 )

PDF (1624KB) ( 220 )

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为探究基覆界面变异对边坡失效风险的影响,考虑土体参数的互相关性、自相关性以及多因素影响,基于 Python 对 ABAQUS 有限元软件的二次开发,生成二维互相关随机场,实现拉丁超立方抽样下的基覆型边坡非侵入式随机分析,获得不同断面形式的可靠性变化规律差异。通过正交设计试验法研究基覆形式、内摩擦角和黏聚力变异、波动范围及相关系数 6 因素共同作用下边坡失效风险演化规律,评估堆积体边坡失效风险的关键因素。结果表明:随内摩擦角变异性增大,边坡可靠度指标呈现陡减段、缓减段、平缓段三段式递减;基覆界面形式对边坡的失效风险影响显著,随黏聚力变异系数、垂直波动范围、水平波动范围、相关系数变化,呈近似线性递减规律,但变化幅度各异。岩土体参数空间变异性增大以及相关性的减弱将显著增大基覆面形式对堆积体边坡可靠性的影响力,需充分考虑地层特性,建立三维模型进行稳定性验算,提高风险评估的准确性。

基于钻孔数据库和 RMR 法的露天矿非均匀性岩体质量参数表征及应用

王圆文, 丘永富, 杨天鸿, 邓文学, 李华, 张紫瑞, 刘洋

2023, 52(06): 192-199.

摘要 ( 38 )

PDF (4030KB) ( 219 )

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露天矿边坡岩体质量评价对于边坡稳定性分析及开采方案设计具有重大意义,一般主要是分岩组、分区域选择代表性测点进行岩体质量分级,结合 Hoek-Brown 等经验方法确定岩体力学参数,这些经验方法精度低,误差大,且未充分利用实测数据,因此深入挖掘矿山实测的地质钻孔资料从中提取岩体结构信息进行岩体质量评价具有现实的工程意义。以司家营和研山铁矿西帮为研究对象,通过结构面半自动识别得到不同区域表面结构面信息;根据矿山含有钻孔岩芯描述文字的工程地质钻孔资料,采用 3DMine 建立地质钻孔数据库,建立基于钻孔编录的定量评价指标体系,从文字描述中提取评价参数,结合地质统计学方法,建立基于 RMR 法的非均匀性岩体力学参数块体模型,实现了精细化岩体质量分级表征。研究表明:从浅部到深部坡表结构面的节理体密度越来越小,RMR 值呈现上升趋势,说明西帮浅部到深部岩体质量越来越好,确保了后期西帮深部的安全开采,为边坡加陡及最终开采境界边坡的稳定性分析提供了参考依据。

融合Bishop算法和FLAC3D的露天矿边坡安全系数敏感性分析

徐晓东 , 杜文秀

2023, 52(06): 200-206.

摘要 ( 51 )

PDF (1653KB) ( 236 )

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为研究岩体力学参数和边坡自然条件对边坡稳定性的影响,以白云鄂博西矿为例,通过现场实测、理论推导和数值模拟,提出了一种融合 Bishop 算法和 FLAC3D 的露天矿边坡安全系数敏感性分析方法,研究了地下水位、边坡高度、边坡角度、岩体黏聚力和内摩擦角对露天矿山边坡安全系数的敏感程度和边坡的运移规律。结果表明: ① 边坡安全系数对地下水位变化较为敏感,当地下水位低于 200 m 时,水位每上升 50 m,边坡的安全系数将降低 10%,而当水位高于 200 m 时,安全系数随水位升高而降低的幅度越来越小;② 当坡高相同时,随着坡面角增大,边坡安全系数逐渐减小,边坡稳定性变差,边坡安全系数对边坡角和岩体的内摩擦角更为敏感;③ 边坡主要运动形式是在自重应力作用下引起的压缩沉降,数值模拟计算的边坡安全系数与理论计算值的误差为 6. 08% ~ 9. 11%,误差在合理范围内,反映出理论分析与数值模拟结果的有效性。所提方法对于矿山边坡稳定性分析具有一定的参考意义。

CTAC改性对废弃尾矿边坡渗透及浅层稳定性影响研究

孙鸿昌, 郝喆, 侯成恒

2023, 52(06): 207-212.

摘要 ( 30 )

PDF (2364KB) ( 220 )

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高分子生态稳定剂作为增强土体强度的新兴材料,既具备良好的固土和保水性能又能防止表层扬尘污染区域空气质量。以十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)制备了一种改性尾矿土材料,并对改良后的尾矿土进行土体强度试验;将原始边坡与改良尾矿土边坡进行对比,分析其破坏情况;设计 3 因素 3 水平正交试验,研究坡比、CTAC 浓度、降雨强度等因素对尾矿土边坡稳定性能的影响。结果表明:CTAC 能够明显提高尾矿土的抗剪强度,并且随着其浓度的增大,抗剪强度呈线性增加趋势。尾矿土边坡的浅层破坏均经历降雨入渗坡面产生裂隙,然后产生地表径流导致泥沙迁移,最后坡面结构松散发生大面积垮塌。随着浓度增加边坡破坏方式由原来的地表径流冲刷破面导致泥砂运移形成冲沟转变为泥沙运移量减小坡面粗糙化。在 3 种影响边坡稳定性的因素中降雨强度对稳定性的影响最为显著,CTAC 浓度次之,坡比最小。研究结果可为矿山防灾减灾工作提供参考。

露天削坡对地下采场地压显现影响的数值模拟

闫佳钊, 刘溪鸽, 朱万成, 秦瑞博

2023, 52(06): 213-219.

摘要 ( 44 )

PDF (2679KB) ( 234 )

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某露天地下联合开采矿山上盘矿体为露天开采,下盘矿体采用浅孔留矿法与无底柱分段崩落法开采。地下采场局部地压显现较为严重,顶板冒落、矿柱下沉和支护结构纵向开裂等问题频发。为了保障地下采场的安全, 本文采用数值模拟方法,分析了地下采场高应力的来源以及地压显现的特征,提出了对上盘露天矿边坡削坡来实现地下采场卸压的技术方案,并通过数值模拟验证该方案的可行性。研究结果表明:地下采场地压与上部残余矿柱有直接关系,在采用无底柱崩落法开采平行矿脉的过程中,地压逐渐提高。若对上盘露天矿边坡进行削坡卸压,随着削坡方量增加,地下采场矿柱下方的应力集中情况将得以有效缓解,采场地压显著降低。以上结论对该矿山地下采场的地压控制具有重要参考价值。

软岩细粒尾矿无土复垦植物修复的生态效应研究

夏令, 刘栋, 宋少先, 周微, 朱江, 胡勇

2023, 52(06): 220-228.

摘要 ( 70 )

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尾矿大量堆存存在安全隐患和环境风险,尾矿无土复垦是一种很有前景的尾矿减量及生态修复方法。在某软岩细粒尾矿场地开展无土复垦研究:选取了紫云英、紫花苜蓿、早熟禾和结缕草 4 种草本植物,分别在第 90 d、 180 d 对复垦后尾矿的土壤生态效应和重金属环境风险进行评估。研究发现,4 种草本植物可用于软岩细粒尾矿的无土植物修复,结缕草使尾矿 pH 值从 7. 99 降低到 7. 55;早熟禾对尾矿物理结构改善效果最明显,尾矿表观密度从 1. 65 g / cm3 降低到 1. 33 g / cm3;紫花苜蓿可有效提高尾矿含水率,从 7. 93%提高到 16. 54%,并且可以显著提高有机质和速效磷含量,紫云英可显著提高尾矿速效氮含量。 4 种草本植物对重金属的固定方式主要为根部吸收富集,其中紫花苜蓿对重金属的积累效果最强。植物修复后尾矿中 Cu、Zn、Cr 的含量分别降低了 17. 72%、67. 74%和 57. 56%,重金属赋存形态中残渣态的比例提高,提高了重金属的稳定性,降低了环境风险。复垦后植物为土壤提供养分,改善土壤特性, 促进了更多微生物的定殖,复垦后的微生物群落结构更加多样,微生物作为土壤碳氮循环的关键驱动力,在提高复垦效果上发挥着重要作用。综上,对软岩细粒尾矿进行土壤改良和原位植物修复是一种非常值得推广的应用模式。

巨菌草对黔西北土法炼锌废弃地的生态修复研究

梁景华 , 李法义, 敖子强, 熊珍贵, 王京京, 龙明忠, 郭云

2023, 52(06): 229-236.

摘要 ( 59 )

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黔西北土法炼锌导致植被破坏形成了大量的废弃地,土法炼锌停止后当地部门对废弃地进行了多种形式的修复。通过野外样地试验对比研究引种植物巨菌草(Pennisetum giganteum)以及当地先锋植物醉鱼草(Buddleja lindleyana)、艾蒿(Artemisia argyi)对黔西北土法炼锌废弃地的修复效果。结果显示,在研究区污染土壤和废渣两种基质中生长的巨菌草株高、根长、盖度、生物量均显著高于当地先锋植物醉鱼草和艾蒿,污染土壤中生长的巨菌草要比废渣中的好,其株高较废渣增加 23. 2%,根长增加 36. 6%,盖度增加 16. 7%,地下部生物量增加 35. 2%,地上部生物量增加 33. 6%。巨菌草根际土壤重金属(Pb、As、Cd)含量显著高于醉鱼草和艾蒿,能将重金属稳定在根部,从而减少重金属的迁移扩散。废弃地中巨菌草对 Pb、As、Cd 的富集系数分别为 0. 85~ 0. 95、3. 98 ~ 4. 50、1. 39 ~ 1. 59,转运系数分别为 0. 39~ 0. 56、0. 17~ 0. 48、1. 12~ 1. 30。巨菌草对重金属具有一定的富集转运能力,是一种较好的原位修复植物, 随着种植年限和收割次数的增加,基质中的重金属逐渐被带走。此外,巨菌草生物量大、热值高,利用巨菌草修复受污土壤的同时能够产生生物质能,具有较好的环境经济效益。

凯氏拟小球藻除锰过程及机理分析

杨帆, 王进, 邓锐, 张露, 揣新, 张凯, 王绍平, 岳正波

2023, 52(06): 237-244.

摘要 ( 30 )

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与传统的废水中去除 Mn²⁺方法相比,生物修复具有更高的环境和经济效益。从安徽某铁硫矿山的酸性废水坑湖中分离纯化得到一株新型藻株———Parachlorella kessleri MP1,研究了其在不同 pH 值、Mn²⁺浓度条件下的生长过程、培养基 pH 值变化和除锰效率,并分别通过测定细胞内外去除 Mn²⁺量、谷胱甘肽(GSH)含量、巯基含量以及傅里叶变化红外光谱( Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR) 分析初步探讨了除锰机制。结果表明,Parachlorella kessleri MP1 可耐受 pH 值为 3. 5 的酸性环境,且对 Mn²⁺具有良好去除效果。当 Mn2+初始浓度分别为 5、15 和 30 mg / L 时,pH = 3. 5 和 pH = 7. 0 初始条件下可分别实现 35. 86%、30. 82%、27. 54%和 93. 73%、74. 11%、52. 22%的去除率。此外,该藻株具有产碱作用,pH = 3. 5 试验组反应结束时 pH 值达到了 9. 04。所测胞外去除 Mn²⁺量远大于胞内去除,胞内 GSH 和巯基含量有所增加,FTIR 分析得知细胞表面—NH₂、—OH、—COOH 和 C—O 等官能团参与了除锰过程。因此,微藻除锰过程中胞外去除发挥主要作用。

肠杆菌CBY-9的筛选鉴定及释硅条件优化

杨玲, 习彦花, 林勇, 王馨芝, 沈世明, 程辉彩, 边红杰

2023, 52(06): 245-254.

摘要 ( 26 )

PDF (3346KB) ( 273 )

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为了将铁尾矿中丰富的硅元素转化为有效硅,供植物利用。对铁尾矿样品中的释硅功能微生物进行分离筛选、鉴定及生长性能研究,并通过单因素和响应面试验对释硅条件进行优化。筛选出一株高效释硅菌 CBY-9,经形态学、生理生化特性和 16S rDNA 序列分析,鉴定菌株 CBY-9 为阴沟肠杆菌( Enterobacter cloacae)。该菌株可以在 15~ 40 ℃ 、NaCl 浓度小于 8%和 pH = 4~ 10 的范围内很好生长,说明其具有很强的广适温性、耐盐性和耐酸碱性,抗逆性较强。通过单因素及响应面法优化回归模型分析表明,当温度 29. 98 ℃ 、接种量 4. 92%、铁尾矿砂添加量 9%时,浸出液中有效硅含量为 43. 37 mg / L,与理论值仅相差 0. 28%,说明所建模型与实际情况拟合良好。研究结果可以为土壤改良、铁尾矿区土壤生态复垦及铁尾矿资源化利用提供新的菌种资源和技术指导。

应用异相金属催化剂去除浮选废水中TOC试验

谢宝俊, 李兴东, 夏楷

2023, 52(06): 255-261.

摘要 ( 27 )

PDF (2199KB) ( 212 )

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将铁钴铝金属负载在介孔材料载体上得到异相金属催化剂,制备了应用于选矿浮选废水处理的新型异相双金属催化剂 Fe-Co / MCM-41-Al,考察催化剂在电芬顿体系中降解浮选废水 TOC 的效果。结果表明:在焙烧温度 550 ℃ 、焙烧时间 6 h、n(Fe) ∶n(Co)= 1 ∶1、铁钴金属离子投加量为 1. 5 mmol / L 时,对浮选废水 TOC 有较好的去除效果。异相催化剂具有空隙均匀,密集有序的二六边形介孔结构特征,载体上负载金属与催化剂的比表面积成反比,金属离子铁钴呈现两种价态,在异相电芬顿反应中,金属离子不同的价态可以协同作用促进各自价态转化,其 Co²⁺ 和 Fe²⁺与 H₂O₂ 反应产生·OH,Fe³⁺与 H₂O₂ 发生反应,进而有 Fe²⁺的再生,同时 Fe²⁺与 Co³⁺反应,实现 Co²⁺的再生,金属铁与钴之间循环反应,产生协同作用,提高了催化剂的利用率。该异相催化剂用在电芬顿技术降解浮选废水系统,TOC 去除率达到 80%以上,相较于传统芬顿技术,去除率有了很大提升,在工程实践中具有广阔的应用前景。

冶金废水-赤泥-矿渣三元地质聚合物注浆材料性能及机理研究

王进聪, 张哲

2023, 52(06): 262-267.

摘要 ( 46 )

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为了解决冶金行业产生的废水和赤泥对环境的危害,以赤泥、矿渣、冶金废水、氢氧化钠和硅酸钠组成的碱性激发剂制备一种新型赤泥-矿渣基地质聚合物注浆材料。通过实验室试验研究了废水添加量对注浆材料的和易性、凝结时间和抗压强度的影响规律;通过晶体成分、化学键类型和微观结构测试结果探索废水对材料的影响机理;最后通过重金属离子浸出浓度判断材料的重金属固化效率和环境有害性程度。结果表明:随着废水添加量的增加,材料的和易性降低,凝结时间先降低后升高,抗压强度先增大后减小;废水的加入能使材料产生更多的地聚合物凝胶,增强材料的结构致密性;地质聚合物凝胶能有效地对赤泥和废水中的主要重金属离子进行固化,当废水添加量不高于 60%时,材料的重金属离子浸出浓度低于《地下水水质标准 GB / T 14848 2017》中的Ⅳ类阈值。

HK-SA和水泥复掺固化铁尾矿砂的试验研究

梁文先, 李瑞娟, 张孟星, 杨林, 吴尚择, 王兴达, 张乙飞, 路峰

2023, 52(06): 268-272.

摘要 ( 31 )

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利用铁尾矿砂修筑道路是解决铁尾矿砂大量堆存的有效途径之一。以河北省阜平地区的铁尾矿砂为研究对象,采用 HK-SA 离子固化剂和水泥对铁尾矿砂进行固化试验,制作不同配比、不同浓度和不同养护时间的铁尾矿砂试件,考察了不同养护时间下,水稳试验和冻融循环试验对试件无侧限抗压强度的影响。结果表明:相比于水泥, HK-SA 固化剂的添加可以显著提高试件无侧限抗压强度,掺量 0. 6‰最高为 2. 58 MPa;随养护时间增长,复合固化铁尾矿砂无侧限抗压强度比单掺水泥提高 29% ~ 40%,但养护 7 d 以后二者增长速率逐渐放缓;养护 28 d,复合固化试件的水稳系数和冻融系数分别为 103. 6%、98. 7%,明显优于水泥。 HK-SA 固化剂掺加后无新物质生成,可显著提高铁尾矿砂试件的水稳定性和抗冻融性。

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