金属矿山

于　洋, 陈炳乾, 花奋奋, 康建荣

2024, 53(3): 1.

摘要 ( 90 )

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矿山开采不仅会引发地表沉降、建(构)筑物损毁等安全灾害,还会造成土壤环境破坏、生态系统退化等生态环境灾害。地质环境灾害的类型和特征与采矿方法有关,并且多种地质环境灾害的发生具有耦合性。我国常采用自由垮落、支护加固和剥离排土3 种方法处理采区覆岩,分别形成了以长壁垮落法开采、柱式开采和露天开采为代表的3 类采空区。综述了3 类采区的地质灾害致灾机理、灾害链网形成机制,讨论了地质灾害监测、多灾耦合研究中存在的问题。研究表明:① 矿区地质环境灾害主要包括工程安全灾害和生态环境灾害两大类,前者表现为地物空间位置改变引起的采动附加应力损坏各类工程体,后者反映为地物属性变化引起的生态要素缺失和物质能量流动改变;② 不同地质环境灾害之间存在耦合性,一种地质环境灾害的出现可能引起一系列次生灾害,形成灾害链网,虽然变形监测、遥感等技术可用于获取地物位置、属性信息,但由于地质环境灾害成灾的复杂性以及传统单一监测预测技术手段的局限性,目前难以对地质灾害进行准确预报预测;③ 应整合已有的各类变形监测、遥感、传感器、工程检测等技术构建“空—天—建—地—井—人”监测技术体系,融合多源地质环境数据探明矿区物理环境场。在上述分析的基础上,基于多学科交叉视角对矿区地质环境灾害的未来研究方向进行了展望。认为后续研究重点在于:① 完善多源数据标准化工作,加强数据安全共享,构建地质环境保护“知识库”;② 依托AI 辅助和地质环境保护“知识库”,研究矿区多灾耦合机理,明确致灾关键因素,构建灾害链网;③ 基于灾害链网加强跨学科研究,融合多源数据—模型形成 “透明地质条件—矿山开采设计—采动损害/ 物理场分布特征评价—工程安全预测评价/ 生态过程预测评价—工程加固维修/ 生态环境修复”全过程工作机制。分析结果有助于进一步梳理矿区多灾耦合问题的研究思路,对于地质环境灾害综合保护和治理具有较好的参考意义。

水砂—胶结充填隔离矿柱稳定性及宽度研究

王作鹏, 金爱兵, 孙文斌, 庞如顺, 陈帅军

2024, 53(3): 19.

摘要 ( 64 )

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某嗣后充填矿山前期水砂充填泌水效果不佳,充填体富水,随着水砂充填区域增大,开采过程中顶板及上盘稳定性变差,为改善开采安全状态,改用胶结充填,水砂充填区与胶结充填区之间的隔离矿柱是保证未来采矿安全的关键。构建了侧壁承压倾斜矿柱理论分析模型,并采用 FLAC 3D 数值模拟软件对 10 ~ 15 m 宽度水砂—胶结充填隔离矿柱和不同水砂充填体静水压力梯度进行了研究。研究表明:① 开采扰动会使隔离矿柱内形成应力集中,且未凝固的水砂充填体会进一步增加矿柱内最大主应力;② 矿柱内部应力重分布及水砂充填体水平压力使得矿柱水平变形增加,逐步产生破坏形成塑性区,10~ 13 m 的隔离矿柱不足以保障充填体含水工况下的采场稳定性;③ 考虑到爆破扰动的影响,在现有富水充填情况下,建议隔离矿柱宽度为 15 m;④ 隔离矿柱宽度 15 m 时,随着静水压力梯度增加, 矿柱内部最大主应力和水平变形会有所增长,但塑性区未发生明显增加,15 m 宽的隔离矿柱可以保障后续开采安全。

基于多源信息融合的海底矿山开采及治理稳定性评价

李杨, 夏文浩, 宋卫东, 康明超, 杜云龙, 张开诚

2024, 53(3): 29.

摘要 ( 55 )

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地下开采是金属矿山开采的主要方式,在长期开采过程中,所形成的采空区以及不稳定区域需要进行充填注浆处理。针对三山岛金矿新立矿区在治理后的稳定性评价问题,首先通过数值模拟对该矿区开采及治理后全过程稳定性进行分析,其次采用层次分析法对影响岩体稳定性的各种因素进行权重计算,将影响较大的因素作为 D-S 证据理论的评判指标,进行治理后的岩体稳定性评价。结果表明:治理后整体的变形量增长缓慢,塑性区变形处于稳定状态,充填治理效果良好,达到预期效果;治理情况、治理后围岩力学状态对岩体稳定性影响最大,治理前稳定性次之,地质因素影响最小。因子层中,采空区治理率影响最大。通过 D-S 证据理论证明所有水平在治理后处于稳定状态,其中-165 m 水平稳定性相对较差,-240 m 水平次之。

露天地下楔形转接过渡诱导冒落控制边坡岩移危害技术研究

胡颖鹏, 谭宝会, 丁航行, 张洪昌, 李云涛, 崔　宇

2024, 53(3): 37.

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露天地下楔形转接过渡模式的安全管控是利用崩落法开采挂帮矿形成的塌陷坑阻止边坡岩移威胁露天采场,但地采扰动下的高陡边坡破坏过程不易控制,因而制约了楔形转接过渡模式在大型深凹露天矿山中的应用。针对上述问题,结合极限平衡分析方法,揭示出崩落法开采扰动下的高陡边坡渐进破坏规律,提出了边坡滑移体体积计算方法,以及通过调控回采顺序控制边坡滑移进程以实现塌陷坑完全承接边坡滑移体的边坡岩移危害控制技术。研究表明:边坡岩体不会随挂帮矿向下开采而发生持续破坏,只有当挂帮矿开采至关键分段时,边坡岩体受力状态超过极限平衡状态才发生滑移破坏,可通过滞后回采关键分段上盘三角矿延缓边坡滑移,以及通过滞后回采关键分段下盘矿体和采用下向阶梯状回采工作面增大塌陷坑容积,最终实现塌陷坑有序承接边坡滑移体。研究成果完善了大型深凹露天矿楔形转接过渡的安全管控方法,提高了楔形转接过渡模式的适用性。

铁矿老采空区空间分布精细探测方法与应用

韩　琳, 李洪涛, 安成龙, 孔媛政, 田　宁, 王海龙

2024, 53(3): 44.

摘要 ( 57 )

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准确探明铁矿老采空区的空间分布特征对采空区地表塌陷灾害防控至关重要,针对现有探测精度难以满足采空区治理需求的问题,提出了一种高精度磁测法定平面、天然源面波法和可控源音频大地电磁法定层位、钻孔钻探法做修正的铁矿采空区精细探测方法。以顿丘铁矿老采空区为工程背景,采用高精度磁测法进行磁场特征探测,推断老采空区平面分布范围,在此基础上,融合天然源面波法和可控源音频大地电磁法的技术优势,获得采空区不同位置、深度上地层电阻率和波速变化规律,进而推断采空区垂向分布范围及深度,最后利用钻孔钻探法对物探结果进行对比修正,实现了铁矿老采空区空间分布的精细探测。顿丘铁矿2#矿体群开采形成的采空区平面形态近似于歪葫芦形,面积为4 992. 5 m2;采空区分为采空纯空区和采空回填区2 种形式,采用平均厚度法计算的2# 矿体群采空区体积为112 281. 33 m3。探测结果与采掘基础资料有较高的契合度,研究方法和结果对铁矿老采空区探测和治理具有一定的指导意义。

基于路权优先的井下无轨运输车辆调度研究

朱俊阁, 于宏宇, 王浩东, 马强英, 路增祥

2024, 53(3): 53.

摘要 ( 40 )

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制定有效的井下无轨运输车辆调度策略,是提高地下矿山生产效率和保障生产安全的重要手段。针对地下矿山无轨运输路况复杂、车辆避让困难等特点,分析了井下巷道结构对运输能力产生的影响。在获取井下车辆实时位置与载重信息的基础上,确定了井下无轨运输车辆在不同线路结构下的路权优先原则;以总运输功最小和车辆等待时间最短为目标,构建了基于GA 算法和逻辑关系的井下无轨运输车辆调度目标优化模型。采用某矿山井下无轨车辆的实际运行数据,对建立的目标优化模型进行了求解。结果表明:① 建立的路权优先原则能够有效降低车辆在非错车段相遇和由此引发安全事故发生的概率,提高了车辆运行效率;② 以案例矿山实际运行数据为基本参数, 采用GA 算法对所建立的总运输功目标函数进行求解,获得了总运输量为4 730 t/ d 时,最小总运输功为2 399. 21 t·km 的最佳路径方案;③ 在当日运输功最小的基础上,通过逻辑关系对不同出矿方案的车辆等待时间进行求解,得到了不同方案下的车辆具体运输路线及运行时刻,为矿山生产调度提供了最佳车辆调度方案,有利于降低运输成本和提高车辆运行效率。

基于声发射b 值演化的脆性岩石裂纹起裂应力评价方法

陈东升, 纪洪广, 付　桢

2024, 53(3): 60.

摘要 ( 48 )

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岩石裂纹起裂应力的识别和研究对认识脆性岩石受载变形及破坏过程具有重要意义。系统总结了现有的裂纹起裂应力确定方法(裂纹体积应变法、侧向应变法、移动点法、声发射振铃计数法)及存在的问题,并以单轴压缩条件下岩石破裂过程中声发射幅值及b 值分析为基础,提出了一种基于声发射b 值演化的脆性岩石裂纹起裂应力评价方法。采用GAW2000 单轴刚性试验机和声发射测试仪开展了一系列变辉长岩和花岗岩的单轴加载试验,根据力学及声发射测试结果,对所提方法及现有方法进行了评价。研究结果表明:声发射b 值演化法具有明确的物理机制及意义,可以方便准确地确定起裂应力大小,测定应力结果与现有方法所得结果具有一致性。通过方差分析可知, 所提方法与现有方法不存在统计差异,验证了该方法测定裂纹起裂应力的可靠性。2 类岩样的起裂应力均与单轴抗压强度呈正线性相关,使用所提方法确定的变辉长岩起裂应力约为单轴抗压强度的0. 51 倍,花岗岩起裂应力约为单轴抗压强度的0. 48 倍。所提方法及研究成果对于丰富岩石裂纹起裂应力测试手段和探究岩石脆性破坏机制具有一定的价值。

冰岩组合体动态力学特性及裂纹演化特征研究

黄明健, 黄贵臣, 李　论, 潘大伟, 徐振洋

2024, 53(3): 68.

摘要 ( 35 )

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人工冻结法的富水基岩凿井掘进施工时,人工地下冰与岩体黏结面常受动态冲击作用影响,其稳定性决定了地下工程施工安全。为研究冰—岩复合结构的动态力学性能,采取PFC-FLAC 耦合方法构建了SHPB 加载系统,分析了冰岩组合体的动态特性与破坏特征,研究了试件微裂纹演化规律。结果表明:组合体试件的动弹性模量受冰岩交界面倾角θ 影响较小;动载作用下组合体试件岩石中裂纹从入射端逐渐向冰岩交界面扩展,最终形成与加载方向平行的贯通主裂纹,微裂纹扩展“引导”了组合体的损伤过程;组合体试件的最终破坏形式表现为张拉与剪切复合破坏,其中岩石部分的破坏特征主要受θ 影响;θ 为0°~45°时,峰值应力相差不大;θ 为45°~90°时,峰值应力随着θ 升高呈增大趋势。

基于多变量自优化动态神经网络的“ 阶跃型” 滑坡变形预测

徐志华, 杨　旭, 孙钱程, 何钰铭, 张国栋, 叶义成

2024, 53(3): 74.

摘要 ( 35 )

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传统累计变形预测方法在曲线结构分解和表征模型选择上具有多样性,由此引起了工作量大、预测精度低以及预测方法适用对象较局限等问题,为此考虑降雨量、库水位、库水位变化对滑坡累计变形的影响,基于非线性自回归模型建立了多变量自优化动态神经网络,并将其应用在三峡库区典型的“阶跃型”滑坡———白家包滑坡累计位移预测中。通过对滑坡变形累计曲线时间序列的分析,采用神经网络方法对全曲线模型进行求解,形成了非线性自回归神经网络模型,利用多种群遗传算法对神经网络的参数和结构进行优化训练,并将适应度函数均方误差作为预测模型误差偏离标准。结果表明:所提出的自优化动态神经网络对滑坡多个测点的累计位移拟合精度高,误差可控制在1%左右,预测过程减少了主观因素引起的误差,考虑了滑坡发展过程的动态性,可为“阶跃型”滑坡累计位移的实时预测提供参考。

淀粉及其改性产品对东鞍山细粒赤铁矿聚团 —磁选的影响

张　爽, 李文博, 程绍凯, 周立波

2024, 53(3): 83.

摘要 ( 42 )

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针对东鞍山强磁选抛尾存在粒度小于20 μm 的微细粒铁矿物流失的问题,研究了不同种类淀粉及其改性产品对微细粒赤铁矿的选择性聚团效果,通过团聚—磁选试验确定了适宜的团聚药剂和用量,借助偏光显微镜和红外光谱等手段检测了药剂与赤铁矿和石英作用前后的形貌特征,最后通过研究高分子药剂的作用机理,论述了药剂的选择性和团聚效果。结果表明:在药剂用量为200 g/ t 时,交联玉米淀粉的选矿指标优于其他几种药剂,团聚药剂的加入能实现微细粒赤铁矿的选择性聚团,使铁精矿回收率提高2. 13~3. 94 个百分点,选矿效率提高2. 77~3. 46 个百分点,但由于赤铁矿被团聚后呈不规则絮状,在较大的聚团中会夹杂少量石英,导致磁选精矿铁品位略微降低。

白云鄂博某难选铁矿石氢基矿相转化—磁选尾矿浮选稀土试验#br#

赵德贵, 陈宏超, 曾永杰, 刘文丽, 彭海平, 张艳清, 张智超, 韩跃新, 高　鹏, 宁继来

2024, 53(3): 89.

摘要 ( 47 )

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堆置多年的白云鄂博中贫氧化矿含有铁、稀土等成分,常规工艺难以高效分选,但氢基矿相转化—磁选工艺可高效回收其中的铁。为了解氢基矿相转化过程是否影响富稀土铁尾矿中稀土矿物的可浮性,进行了系统的选矿试验。结果表明,在506E 用量4 200 g/ t、水玻璃用量1 800 g/ t、矿浆温度65 ℃条件下,采用2 粗3 精、中矿顺序返回闭路浮选流程处理矿样,能够获得REO 品位59. 00%、REO 回收率67. 91%的稀土精矿。化学成分分析及X 射线衍射分析结果表明,浮选精矿中主要成分为稀土氧化物(Ce7O12)、独居石及少量萤石,稀土组分有效富集在精矿中;氢基矿相转化过程未对稀土组分的浮选回收造成不利影响。

鞍山地区微细粒贫磁铁矿石磁选工艺研究

李万兴, 吴俊杰, 宁辰禹, 徐冬林, 郑纪民, 郭小飞

2024, 53(3): 94.

摘要 ( 54 )

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鞍山地区许东沟和哑巴岭采区的铁矿石铁品位为29. 50%,铁矿物主要为磁铁矿,主要脉石为石英。为高效开发利用该矿石,在采用X 荧光分析、化学成分分析、铁物相检测和扫描电子显微镜分析矿石性质基础上,进行了湿式粗粒中磁预选—阶段磨矿、阶段弱磁选—淘洗机精选条件试验和扩大连选试验。结果表明:① -2. 5 mm 高压辊磨产品经过筒式磁选机中磁预选,粗精矿铁品位为40. 20%、铁回收率为89. 76%;② 预选粗精矿经过两阶段磨矿 (一、二段磨矿细度分别为-0. 074 mm 占75%和-0. 045 mm 占90%)、三阶段弱磁选和一段淘洗机精选,最终获得产率 35. 73%、铁品位67. 08%、铁回收率81. 24%的铁精矿,尾矿铁品位为8. 61%,研究结果可作为该矿石开发利用依据。

内蒙古某含碳高硫锌锡矿石选矿试验研究

张锦仙, 吕　超, 杨　林

2024, 53(3): 99.

摘要 ( 44 )

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内蒙古某含碳高硫锌锡矿石锌品位1. 02%、锡品位0. 86%,硫和碳含量分别为14. 02%、1. 68%。矿石矿物组成较复杂,主要有用矿物为闪锌矿、锡石和黄铁矿,脉石矿物主要为石英、绿泥石和绢云母等。为确定矿石合理的开发利用工艺,采用预先脱碳—浮重联合工艺流程开展选矿试验研究。结果表明,矿石经预先脱碳、1 粗1 扫1 精锌硫混选、1 粗1 扫3 精锌硫分离浮选流程处理,闭路试验可得到Zn 品位为45. 16%、Zn 回收率为71. 19%的锌精矿,S 品位为46. 92%、S 回收率81. 91%的硫精矿;浮选尾矿采用摇床重选,经粗选、精选、复选和中矿再选,可获得Sn 品位 45. 52%、Sn 回收率81. 99%的锡精矿,以及Sn 品位3. 13%、Sn 回收率11. 09%的锡中矿。所设计试验流程较好地解决了矿石中有机碳对浮选的不利影响,综合回收了有价矿物,可为同类矿石的开发利用提供理论借鉴。

黑龙江某钼矿选矿工艺优化试验研究

刘　超, 胡红喜, 陈志强, 杨记平, 罗传胜

2024, 53(3): 105.

摘要 ( 40 )

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针对黑龙江某大型斑岩型钼矿生产的钼精矿铜、铅杂质超标的问题,在完成矿石性质研究基础上,开展了选矿工艺优化研究。结果表明,对含钼0. 122%的原矿,采用自主研发的钼高效捕收剂PM 和粗磨—钼分步浮选— 钼铜混合浮选—钼铜粗精矿再磨—铜钼分离工艺流程处理,全流程闭路试验取得了钼品位54. 32%、钼回收率 90. 69%、杂质铜含量0. 048%、铅含量0. 062%的较好钼精矿指标。相较于原工艺流程,新工艺得到的钼精矿铜含量降低了0. 322 个百分点、铅含量降低了0. 348 个百分点。优化工艺有效地降低了钼精矿中铜、铅杂质含量,研究结果可为该矿石的开发利用提供依据。

某低品位黏土型锂矿石的焙烧—无酸浸出试验研究

刘　洋, 童　雄, 谢瑞琦, 谢　贤, 宋　强, 范培强

2024, 53(3): 112.

摘要 ( 43 )

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云南某低品位黏土型锂矿石含锂0. 147%,为探究低能耗、环保的开发利用工艺,采用新型焙烧助剂 ASH 开展了低温焙烧—无酸浸出的提锂工艺研究,并结合XRD、SEM-EDS 等分析手段阐述了反应机理。试验结果表明,在试样与ASH 质量比为1∶0. 3、焙烧温度为400 ℃、焙烧时间为1. 0 h,去离子水浸出时间为2 h、浸出温度为70 ℃、液固比为5 mL/ g 条件下,锂浸出率为83. 81%。机理分析显示,焙烧—浸出前后,样品中主要矿物相未发生变化, 但衍射峰强度降低;经焙烧—浸出后,浸渣表面均匀分布着裂纹和空隙,Al、Si、Fe、Ti 含量均有所降低。说明ASH 与矿物发生反应,破坏了矿物的表面结构,生成了可溶性盐Li-ASH。与传统焙烧—浸出工艺相比,本研究所采用的提锂工艺焙烧温度低、浸出时无酸,降低了生产能耗、简化了工艺流程,对同类型低品位黏土型锂矿的绿色高效开发利用具有重要借鉴意义。

湖北某低品质磷石膏浮选增白试验研究

时春昱, 杨思原, 周俊伟, 任浏祎, 倪高国, 刘　诚, 包申旭

2024, 53(3): 117.

摘要 ( 44 )

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磷石膏是湿法制磷酸工艺产生的固废,针对磷石膏品质差、白度低、难以资源化利用的问题,以湖北某磷石膏为例,运用XRD、SEM、显微镜等手段,系统地研究了其化学组成、矿物组成、微观形貌、嵌布粒度等工艺矿物学性质,并进行了提纯除杂试验。结果表明,试验用磷石膏中的主要矿物为二水硫酸钙,主要脉石矿物为石英,同时存在少量碳粒、有机质、水溶性磷氟。在煤油用量800 g/ t、松醇油用量10 g/ t 条件下脱碳,1231 用量100 g/ t、MIBC 用量 300 g/ t 条件下脱硅,通过双反浮选—再磨再选流程处理,获得的磷石膏精矿纯度为97. 28%、白度为58. 15%,指标良好,品质满足国标一级品质量标准。该试验的成功为大宗、高附加值利用磷石膏固废指明了方向。

缓冷条件对高镍锍铜镍浮选分离的影响

顾明杰, 于英东, 程刘刚, 刘文刚, 刘　江, 毛　勇, 刘　博

2024, 53(3): 125.

摘要 ( 45 )

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由于金川镍原料成分的变化,造成高镍锍含铜升高,打破了磨浮系统的平衡状态,导致铜精矿和镍精矿金属互含较高。浮选产品的质量优劣取决于镍矿物和铜矿物晶体的大小和镶嵌关系,而晶体的大小和镶嵌关系又受保温缓冷条件的影响,因此,有必要探究保温缓冷条件对高镍锍浮选行为的影响规律。试验研究表明,在高镍锍物相结晶的温度区间内,适当延长缓冷时间,可改善辉铜矿和锍镍矿的浮选分离效果。在适宜的缓冷控温条件下,1 次浮选可获得Cu 品位53. 9%、Cu 回收率86. 1%的铜精矿,Ni 品位66. 2%、Ni 回收率81. 5%的镍精矿,与原样品浮选相比, 指标得到显著改善。机理研究表明,控温缓冷后的样品中辉铜矿晶粒尺寸和磨矿单体解离度增大是取得较好浮选效果的根本原因。

基于DIC 的露天矿山微差爆破模型试验及数值模拟

李洪伟, 吴延梦, 潘　乐, 朱　成, 杨赛群, 黄昕旭

2024, 53(3): 131.

摘要 ( 53 )

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随着电子雷管在露天矿山台阶爆破中的全面使用,微差爆破技术得到进一步发展,如何通过调整孔间延时提高炮孔之间相互作用力,成为矿山爆破技术的研究重点。基于混凝土模型模拟露天矿山微差爆破,建立高速摄影技术与数字图像相关(DIC)试验系统,基于全场微应变、高速摄影技术和数值模拟对不同孔间延时条件下的炮孔间裂纹发展过程进行了研究。结果表明:爆炸载荷下模型表面裂纹附近的应变持续时间约为3 ms,孔间延时为3 ms 时下一个炮孔起爆能够提高炮孔之间的相互作用力;通过数值模拟展示了测点的压力分布特征,在孔间延时为3 ms 时测点压力最大,验证了模型试验的准确性;利用MATLAB 对数值模拟结果分析发现,孔间延时为3 ms 时其破碎程度最佳,与模型试验结果具有较好的一致性;使用高速摄影技术结合DIC 方法为研究炮孔之间的相互作用力及裂纹扩展提供了新思路。

岩巷掏槽爆破掘进数据库建立及参数优化研究

王兆阳, 王雁冰, 黄秋凡, 鲍舟琦

2024, 53(3): 140.

摘要 ( 43 )

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掏槽爆破掘进参数是岩巷钻爆法施工的关键参数,优化爆破掘进参数是确保钻爆法高效率施工的重要途径之一。依据1980—2022 年共200 个代表性爆破掘进案例,利用统计学方法分析了爆破参数在普氏系数和断面面积2 个岩巷特征参数维度下的变化特征,通过构建爆破掘进案例数据库研究了岩巷掏槽爆破客观规律。结果表明:随着普氏系数增加,岩石极限抗压强度增大,为保证爆破效果,可适当增加炮孔长度和炸药单耗,同时也会略微增加单循环进尺,但岩石自身高应力导致的夹制作用会降低炮孔利用率;通常设置空孔为掏槽爆破提供新的自由面,通过应力波反射拉伸使得靠近自由面的岩体破坏区域更大,硬岩巷道更适合直孔掏槽爆破。在较大断面岩巷的掏槽爆破掘进过程中,岩石夹制作用较小,较小的炸药单耗可以达到良好的爆破效果,从而促进了单循环进尺和炮孔利用率的提高;由于大断面面积对岩石爆破的限制作用减弱,无需过分增加炮孔数量和装药量,相反适当减缓炮孔数量的增长速率也能够达到良好的爆破效果。上述分析可以为爆破参数优化、岩巷高效施工提供参考。

相邻炮孔爆生裂纹相互作用试验研究

刘　朕, 葛丰源, 左进京, 何松林, 宫国慧, 帅　培, 马中建

2024, 53(3): 150.

摘要 ( 40 )

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为了研究爆炸载荷作用下的相邻炮孔间爆生裂纹相互作用机理,采用新型数字激光动态焦散线试验系统,通过改变炮孔间距,调整药包装药结构,研究了不同间距、不同装药结构下爆生裂纹相向扩展作用机理。结果表明:2 炮孔均为普通药包时爆生裂纹随机分布,切缝药包与普通药包相互作用时前期爆生裂纹独立扩展,后期相互吸引互为自由面。2 炮孔均为切缝药包相互作用时,炮孔间距较小情况下爆生裂纹在炮孔中心轴线方向贯穿呈“直线型”分布,间距较大时裂纹在炮孔中心轴线方向呈“牵手型”分布。随着炮孔间距增大,裂纹相遇时能量损耗较大,动态应力强度因子峰值和裂纹速度峰值较小,振幅较低,炮孔周围形成的粉碎区面积及次裂纹长度越小,分形维数也越小。

粤北铀矿控矿断裂活动年代学特征与找矿规律 ———以南雄断裂带为例

赵佳楠, 刘冲昊, 邱际玮, 苏宏亮, 崔永春, 曾凡杰

2024, 53(3): 158.

摘要 ( 65 )

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为研究粤北地区铀矿控矿断裂活动特征和控矿规律以指导找矿,以南雄盆地北缘南雄断裂带为研究对象,通过野外地质剖面调查、LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年代学研究和显微构造变形分析,讨论南雄断裂带活动特征和铀矿找矿规律。研究结果表明:南雄盆地北缘南雄断裂带在三叠纪的构造变形特征以韧性变形为主,岩浆期后热液石英脉和长英质脉于晚三叠世交切断裂带内花岗质糜棱岩和糜棱岩化花岗岩,脉体锆石U-Pb 加权平均年龄分别为 (230. 2±1. 7) Ma、(228. 9±5. 8) Ma 和(210. 0±2. 1) Ma;断裂带内发育典型韧性变形显微构造特征,韧性变形运动特征以左行剪切为主,且具有高温变形和中低温变形2 个阶段。认为南雄盆地北缘南雄断裂带内210 Ma 韧性变形区段不具备铀矿质沉淀的临界转换成矿机理条件,推断125~120 Ma 和110~105 Ma 韧性变形强烈并叠加同期区域伸展运动、基性岩脉侵入和铀矿化特征的区段可能是铀成矿有利区段。分析结果为进一步提高诸广山南部整装勘查区铀资源量提供了可行的找矿思路和有效的铀矿查证区段。

基于InSAR-COMSOL 的露天矿边坡稳定性分析及形变预测

李如仁, 葛永权, 李梦晨, 孙加瑶, 王彦平, 刘明霞

2024, 53(3): 172.

摘要 ( 44 )

PDF (6529KB) ( 215 )

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露天矿地表形变特征的快速、准确分析及形变趋势精准预测是推进矿山绿色安全生产的重要保障。针对当前形变监测技术存在的时空采样率低、成本高,预测模型参数难确定等问题,以东鞍山露天铁矿为工程背景,提出了一种融合短基线子集干涉测量(SBAS-InSAR)技术和COMSOL 有限元模拟的边坡稳定性分析和形变预测一体化方法。首先,利用SBAS-InSAR 技术处理2018 年5 月—2020 年6 月获取的62 景Sentinel-1A 升轨SAR 数据,获取了该区域2 a 内地表形变时间序列,分析了其形变时空演化特征。然后,采用COMSOL Multiphysics 软件模拟外界强降雨影响下的典型沉降区域边坡稳定性状况,探讨了坡体损伤裂化规律及形变机理。基于此,利用粒子群算法(PSO)优化长短期时间记忆(LSTM)网络,搭建了形变时序预测最优模型,开展典型沉降区的形变时序预测,并引入平均绝对误差和均方根误差作为预测精度评价指标。结果表明:矿区西部沉降相对严重,年均沉降速率高达47. 8 mm/ a,形变速率与区域降雨量存在显著相关性。相较于传统形变预测模型,PSO-LSTM 模型的2 种误差至少降低了14%和36%,且能够有效反映采区地表形变波动趋势,为滑坡灾前预警提供了新思路。

采动影响下浅埋输油气管线变形监测与风险性评价方法及应用实践

张连贵, 刘峰建, 张　鑫, 郭广礼, 李怀展, 宫亚强

2024, 53(3): 183.

摘要 ( 50 )

PDF (2082KB) ( 212 )

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目前,我国油气资源主要以埋地管线的形式输送,穿越采空区时采动造成的地表移动变形必然会对埋地输油气管线产生一定的影响和危害。鲁皖管道济宁支线穿越兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿,与煤矿三采区 3308 工作面最近水平距离仅85 m。为保证鲁皖管道济宁支线在安全运行的前提下实现3308 工作面安全高效开采, 提出了浅埋输油气管线及地表变形监测与评价方法。基于3308 工作面地表移动变形实测及管线应力监测数据,研究了鲁皖管道济宁支线沿线地表变形特征及对管道的影响,分析了采动影响下的管线监测应力变化,在此基础上对受采动影响埋地管线当前的风险性进行了评价并给出管线防护建议措施。结果表明:目前3308 工作面开采造成的地表下沉及倾斜变形对管道变形影响较小,管道沿线地表的当前稳定性级别为Ⅳ级,危险程度较低;地表移动变形对管道应力状态有一定的影响,特别是初期开采区域距离管线较近,管道沿线地表下沉较活跃,导致管道轴向应力增大;对管道进行一定周期的应力监测,监测结果均低于管道预警规范的第三级阈值,管道运行始终处于绿色无风险范围内, 后续需继续采取措施对采空区场地及埋地输油气管线进行变形监测和日常防护。研究结果对于埋地输油气管线下安全高效采煤具有一定的借鉴意义。

面向数字孪生的大型露天金属矿生产调度仿真分析

周辰奥, 周科平, 张孝平, 徐继业, 李杰林, 张良兵

2024, 53(3): 190.

摘要 ( 53 )

PDF (3226KB) ( 212 )

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在金属矿山数字化生产变革的推动下,如何从未来生产预测角度出发,以提高总体生产效率为目的,面向数字孪生开展细节化生产仿真已成为亟待解决的难题。针对准确度高、操作性强、前瞻效果好的调度需求,构建了露天金属矿山数字孪生系统架构,阐明了基于生产仿真试验的矿山数字孪生应用路径。结合作业车间调度问题 (JSSP)分析方法,分别基于周期总产量PT 最大和单设备产量均值PM 最大构建了铲运设备流调度仿真的目标函数, 并设计了包含构建仿真模型、检验模型误差、设计仿真试验和分析试验结果等步骤的仿真试验流程。最后以攀西某铁矿山的第5 年生产计划为例,基于目标函数分别对采场内部运输和全过程运输开展了仿真预测计算,共计算了515 种试验方案。模型计算的误差绝对值控制在2%以内,综合考虑产能、设备负荷和设备工作效率等数据之间的均衡性,推荐设备方案480 和229 为最优方案。研究表明:设计的仿真试验流程及模型预测结果可靠,能够实现对调度方案的多角度评估,可以为大规模连续生产系统仿真的创新应用提供依据。

基于空间句法的矿井应急疏散研究与应用

李雯静, 陈曼丽, 姚　囝, 尹　东, 任大军

2024, 53(3): 200.

摘要 ( 42 )

PDF (2761KB) ( 207 )

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地下矿井作业危险,空间拓扑结构复杂,因而矿山安全事故时有发生,合理的应急疏散路线规划以及疏散指示布置,能够有效提高井下人员的逃生效率,降低人员伤亡与财产损失。结合某地下矿井实例,基于空间句法和 GIS 网络分析搭建地下矿井巷道网络模型,从逃生人员的空间认知角度出发,利用标准化角度选择度值选取巷道网络模型中的前景网络和背景网络作为主要避险通道,为应急疏散指示标志布置提供参考;考虑巷道宽度、巷道类型、巷道坡度等巷道基础属性信息,并结合空间句法指标———标准化角度整合度,构建巷道网络应急脆弱模型,顾及巷道空间单元的稳定性,规划井下人员的最优认知路径,进而实现了多目标的地下矿井紧急疏散路线规划。该研究不仅能够为地下矿井的巷道布局设计提供建议,还可为地下矿井的应急疏散路线规划辅助决策、应急预案制定提供理论依据,同时为紧急避险系统的建设与完善提供新的思路。

基于移动机器人的矿山带式输送机自动检测方法

冯亚军, 郑金松, 许路成

2024, 53(3): 209.

摘要 ( 38 )

PDF (1803KB) ( 201 )

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目前,传统的带式输送机检测方法主要依靠人工巡检,存在人力成本高、效率低、易出错、漏检等问题。为此,提出了一种基于移动机器人的矿山带式输送机自动检测方法,使用移动机器人沿着带式输送机巡检,通过搭载的传感器和相机对带式输送机进行自动化检测,收集维修检查员所需的包括RGB 图像等信息。将移动机器人的自动检测方法划分为4 个关键部分,具体包括确定检测目标和参数、设计移动机器人的传感器和数据处理系统、制定检测路径和策略以及实时监测和报警处理。据此将矿山带式输送机自动检测过程分为移动机器人自动导航、移动机器人自动检测以及数据上传3 个步骤。在模拟实际矿山生产环境中,对移动机器人的自动导航功能以及故障检测效率进行了试验分析。结果表明:所提方法有助于高效、准确地检测带式输送机状态,在检测到异常情况时及时报警,可为确保矿山安全生产提供一定的技术支持。

基于CAN 和REST 物联网技术的智能矿山安全检测系统研发

夏利玲, 孙翠玲, 张　慧, 黄春香

2024, 53(3): 215.

摘要 ( 49 )

PDF (1808KB) ( 221 )

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针对矿井安全生产检测数据传输效率低下和共享性差的特点,综合考虑开发成本与工作环境要求,基于CAN(Controller Area Network)和REST(Representational State Transfer)物联网技术提出了智能矿山安全检测方法, 设计了矿山安全检测判别程序,采用最大熵模型算法开发了数据信息预警程序。结合CAN 总线技术,将多传感器信息进行有机融合并进行安全数据检测,将井下传感器设备相关信息经过判断分析后传输至总机。将所提安全检测方法进行了系统开发,并在淮北某矿进行了应用。结果表明:基于CAN 和REST 物联网技术的安全检测方法能够实现多点测量,并可随机增减检测设备,可实现数据实时传输和共享,有助于实现矿山安全实时检测。

改进Retinex-Net 的露天矿低质图像增强算法

孟保威, 陈　曦

2024, 53(3): 221.

摘要 ( 50 )

PDF (2405KB) ( 205 )

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露天矿低质图像增强是无人驾驶宽体车感知系统的重要环节,单目相机获取的图像易受到矿区粉尘、雨雪雾、剧烈震动等多种因素影响。针对传统图像增强算法在处理露天矿图像时存在噪声大、图像颜色失真等问题, 提出了改进Retinex-Net 算法对露天煤矿图像进行增强。使用循环对抗生成网络和双通道残差网络来改进增强和去噪部分。循环对抗生成网络通过学习低光照图像和正常光照图像之间的映射关系,生成更自然和真实的增强结果。双通道残差网络通过同时处理亮度和色度信息,有效去除低光照图像中的噪声和伪影。试验结果表明:该方法在客观和主观评价指标上均优于现有方法。所提改进Retinex-Net 算法为解决露天矿图像质量问题提供了一种有效方案。

基于半监督学习和支持向量机的铀矿分选方法研究

吴泽彬, 陈　锐

2024, 53(3): 229.

摘要 ( 41 )

PDF (2162KB) ( 202 )

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为了识别可冶炼铀矿石,提高资源利用率,采用X 射线透射技术,并结合半监督学习算法—ITSVM,实现对铀矿的智能分选。同时为进一步优化模型性能,引入了亮暗校正方法以解决图像噪声问题,该方法通过归一化处理,将噪声图片中的每个像素点进行映射,从而提升图像质量。通过改进的直线凹点检测与切割算法和切片方法,攻克了支持向量机对多目标分类任务的难题,该算法通过检测像素点相对于直线的位置和距离,利用约束条件判断凹点,采用最小距离切割方法获得对应的切割线,再通过切片的方法将多目标检测问题转化为多个独立的单一目标检测问题。通过综合这2 种优化方法,最终建立了ITSVM 铀矿分选模型。通过X 射线投射技术收集到的2 000 张铀矿图片对该模型进行训练测试,并与SVM 和TSVM 模型进行结果对比。结果表明,经过亮暗校正,模型在检测铀矿的准确性方面提升了2. 9 个百分点;通过使用改进的直线凹点检测与切割算法和切片方法,使ITSVM 模型具备多目标检测功能,模型对多目标铀矿图片检测的准确性达到95. 7%;在测试集上,ITSVM 模型检测铀矿的准确性达到97. 3%。相比于SVM 和TSVM,ITSVM 在检测铀矿的准确性和持续优化模型方面具有更大优势,实验结果验证了ITSMV 模型在铀矿分选领域的可行性。

岩巷掘进工作面控风净化除尘系统设计与应用

孙　健, 胡胜勇, 郭舒云, 王晓光, 胡　泊, 王晓斌, 原振淇

2024, 53(3): 237.

摘要 ( 38 )

PDF (3115KB) ( 220 )

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针对岩巷掘进工作面压风风流携带迎头粉尘弥漫扩散造成粉尘治理难度大的问题,提出了掘进面“控风—净化”综合粉尘治理方案,构建了由湿式旋流除尘器、易装拆控尘装置、便移式负压风筒等组成的岩巷掘进面高效除尘系统,对比分析了除尘系统的不同安装方案对除尘效果的影响;综合考虑现场除尘效果与劳动强度,明确了湿式旋流除尘器最佳安装方案以及负压风筒与控尘装置的最优安装位置。在某矿辅运大巷岩巷掘进面进行了现场应用,结果表明:当负压风筒安装至通风风筒对侧,吸尘口距巷道迎头3 m,控尘装置位于通风风筒压风口后方5 m 时, 迎头高浓度粉尘在通风风筒压风、控尘装置控风及除尘器抽尘共同作用下被控制在迎头附近,并不断向负压风筒吸尘口运移最终被除尘器抽入净化,除尘器前方全尘和呼尘除尘效率分别达到95. 9%和94. 9%以上,除尘器后方全尘和呼尘除尘效率分别达到96. 5%和95. 4%以上,显著提升了巷道可见度,有效解决了岩巷掘进面通风造成的粉尘治理难题。

基于改进灰狼优化算法的矿井最短逃生路径规划研究

卢国菊, 高彩军

2024, 53(3): 244.

摘要 ( 47 )

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矿井作业环境复杂,各类地质灾害以及水害极易影响井下安全生产,因而预先对灾害发生时的人员逃生路径进行规划很有必要。为获取矿井最短逃生路线,提出了一种改进灰狼优化算法的路径规划方法。该方法针对灰狼优化算法(Grey Wolf Optimization,GWO)早熟收敛和易陷入局部最优解的不足,提出了一种基于Logistic 映射和 Tent 映射组合的改进灰狼算法(LT-GWO),提高其全局搜索能力。结合矿井实际工作环境,将改进算法应用于井下逃生路径规划,并通过设定合理路径约束和限制条件,获得了较好的路径规划结果。研究表明:所提算法在平均路径长度、路径长度标准差、平均迭代次数和平均寻优耗时等指标上显著优于已有算法,并且具有较好的鲁棒性。所提算法对于矿井灾害等应急场景下的路径规划问题研究有一定的参考价值。

长江经济带矿产—经济—生态环境系统耦合协调发展研究

韩　信, 聂　闻, 王运敏, 张绍轩, 曾　霞, 芮玥纪, 王玉莲, 代碧波, 王　星, 谢　伟, 倪天华, 范廷玉, 王兴明, 徐良骥

2024, 53(3): 249.

摘要 ( 44 )

PDF (1737KB) ( 231 )

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为贯彻落实“共抓大保护,不搞大开发”的建设思想理念,实现长江经济带绿色可持续发展,基于2001— 2019 年长江经济带11 省市的相关数据,构建了矿产资源—区域经济—生态环境评价体系。通过设定三大子系统的优先发展级,运用熵权法、耦合协调度模型定量分析不同优先级下的矿产资源—区域经济—生态环境系统耦合协调发展水平,并从中选取最优发展模式。结果表明:长江经济带三系统耦合协调发展特征显著,整体上由轻度失调区间上升至中级协调区间,且耦合协调度值上游<中游<下游。分省来看,耦合协调程度由低到高依次为云南、江西、贵州、安徽、湖南、上海、重庆、江苏、四川、浙江、湖北。除了湖北、浙江、四川三省位于良好协调区间外,其余8 省市均位于中级协调区间。同时,“经济优先”仅适用于短期发展,“环境优先”更适合长期发展。故为促进长江经济带协调可持续发展,整体上应坚持以环境保护为重心的发展战略,个体上要进一步针对不同省市采取差异化的措施。

生态网络构建视角下矿山生态修复重点区域识别 ———以辽宁省建平县为例

潘　彬, 赵艳玲, 王少卿, 李歆爽, 何金怡, 陈春芳

2024, 53(3): 258.

摘要 ( 47 )

PDF (5632KB) ( 198 )

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采矿业是矿业城市经济来源的重要组成部分,对矿山进行系统的开发和修复是矿业城市生态安全的关键问题。立足于宏观视角下的矿山开采与修复,旨在通过生态网络构建识别出建平县矿山生态修复的重点区域。运用生境质量模型、生态系统服务价值评价识别生态源地。综合考虑自然因素、干扰因素、国土空间三线、矿山开采风险 4 个方面因素构建和修正阻力面。采用最小累积阻力模型(Minimum Cumulative Resistance Model,MCR)提取生态廊道,并结合生态廊道及其缓冲范围内的矿山类型、开采方式等因素,实现矿山开采风险分区,明确矿山开采和修复优先级。结果表明:① 研究区共有生态源地28 处,共计面积1 139. 53 km2,提取生态廊道1 006 km。② 矿山开采低、中、高风险区内分别包含生产矿山和废弃矿山的面积分别为17. 92、10. 62、25. 77 km2 和22. 5、14. 10、21. 93 km2。 ③ 按照矿山空间分布对生态网络的影响程度,划分了生产矿山开采优先级和废弃矿山修复优先级分区;其中,优先开采区、限制开采区、禁止开采区内包含的生产矿山面积分别为17. 93、11. 80、23. 63 km2,极重要修复区、重要修复区、一般修复区内包含的废弃矿山面积分别为19. 79、16. 55、22. 48 km2。根据以上分析,提出了矿山开采前、开采中以及开采后的相关监管策略和建议。

广西某露天矿区不同复垦模式下土壤的孔隙特征

王　松, 张　硕, 张　钰, 张红霞, 黄太庆, 甘　磊

2024, 53(3): 269.

摘要 ( 44 )

PDF (2051KB) ( 213 )

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广西铝土矿区复垦土壤孔隙结构对土壤复垦质量有重要影响,但其微结构特征尚不明确。为探究当地复垦土壤孔隙结构特征,研究选取草地复垦模式(RG)和裸地复垦模式(RW),利用X 射线CT 扫描技术扫描40 cm 的原状土柱,用Avizo2020 渲染功能,结合ImageJ 软件及其插件获得表征土壤孔隙二维分布和三维特征的参数,并对土壤孔隙结构进行三维重构和可视化分析。结果表明,RG 处理模式土壤中二维小、中孔隙数量较RW 处理模式有所减少,大孔隙数量较RW 处理模式明显增多。在0~20 cm 土层深度内,RG 处理模式下的孔隙面密度相较于RW 处理模式降低了近30%;在20~40 cm 土层深度内,RG 处理模式下的孔隙面密度和孔隙复杂度均大于RW 处理模式。RG 处理模式下的三维总孔隙数较RW 处理模式明显降低,RG 处理模式下的孔隙度(3. 046%) 高于RW 处理模式 (2. 900%),说明RW 处理模式的孔隙多但并不是大孔隙。RG 处理模式的连通度(0. 399) 大于RW 处理模式 (0. 273),弯曲度和比表面积(1. 329,4. 026 mm-1)小于RW 处理模式(1. 342,4. 334 mm-1)。在三维结构中,因2 个处理模式的复垦年限均为2 a,两者孔隙结构均以点状形式分布,同时呈现出倾斜层状结构。但相较于RW,RG 处理模式下的孔隙多为大孔隙,存在清晰可见的长条状孔隙,这预示着RG 处理模式下的土壤朝着更为稳定的结构发展。因此,在广西露天铝土矿区的土壤复垦过程中,草地复垦模式更能促进土壤结构和水肥运移通道的改善,有利于提高土壤质量。

硫酸盐还原菌修复四川某典型铜矿选冶渣复合重金属污染研究

朱乐明, 傅开彬, 钟秋红, 刘泽铭, 孔云龙

2024, 53(3): 278.

摘要 ( 37 )

PDF (1707KB) ( 215 )

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为实现铜矿选冶渣复合重金属污染的修复治理,以四川某铜矿选冶渣为研究对象,采用硫酸盐还原菌为固化/ 稳定化微生物,探讨了其生长特性、溶液中重金属离子变化规律及修复效果。结果表明,硫酸盐还原菌在修复铜矿选冶渣时生长迅速,适合作为修复复合重金属污染的微生物;由于铁、锌、铜、铅等重金属活性差异较大,因此其固化效果亦有显著差异;修复30 d 时,重金属Cu、Pb、Zn、Fe 的最佳接种量分别为5%、10%、15%和15%,生物有效性降低率分别为72. 36%、98. 37%、43. 01%和79. 31%;随着固化时间的增加,溶液中重金属离子的浓度先增后减,但并不影响其修复效果。因此,硫酸盐还原菌可同时修复多种重金属离子,有效解决某铜矿选冶渣中铁锌铜铅的复合重金属污染。

KH560 对电解锰渣场原位修复防渗固结体性能的影响

周　珏, 王　玥, 周　颖, 姜　鹏, 张大斌

2024, 53(3): 284.

摘要 ( 43 )

PDF (1703KB) ( 232 )

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固废填埋场渗漏原位修复过程中常见胶凝材料遇水膨胀,影响强度情况,为了解决该问题,采用两步水溶液聚合法将具有两性基团的KH560 加入聚丙烯酸钠与电解锰渣中,制备电解锰渣基复合胶凝材料,通过抗压试验、渗水试验及腐蚀试验分析了固结体的抗压抗渗及耐腐蚀性能,利用红外光谱(FTIR)对固结体的分子结构进行了表征,通过SEM-EDS 分析了固结体的表面形貌及元素含量变化,揭示了KH560 对电解锰渣胶凝材料的力学增强机制和防渗作用机理。结果表明:① 适量添加KH560 可显著提升复合胶凝材料的抗压、抗渗及耐腐蚀性能,在KH560 添加量为3%时,固结体的无侧限抗压强度是未添加KH560 的固结体的2. 25 倍,渗透系数比未添加KH560 的固结体降低了61. 3%,抗蚀系数达0. 85。② KH560 分子结构中的硅氧基团Si—OCH3 与电解锰渣中的自由水发生了水解缩合反应,形成了Si—O—Si 连接结构,减少了水隙通道,使固结体表面平整光滑,抗渗效果和耐腐蚀性能得到显著提升。

极细铁尾矿粉作为矿物掺合料制备高性能混凝土的研究

熊小渊, 田雨晴, 周嘉宾

2024, 53(3): 290.

摘要 ( 57 )

PDF (1576KB) ( 313 )

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为研究细铁尾矿粉掺量对高强混凝土材料孔隙结构及力学性能的影响规律,利用核磁共振检测装置及电液伺服压力机测量了细铁尾矿粉掺量为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%试件细观孔隙结构、孔隙率以及力学性能,分析了细铁尾矿粉掺量对试件孔隙率及抗拉、抗压强度的影响规律。结果表明:① 细铁尾矿粉高强混凝土材料试件T2 图谱曲线均呈三峰形,随着细铁尾矿粉掺量增加,试件孔隙率从掺量0%时的2. 81%降至掺量为30%时的 2. 10%,试件孔隙率不断降低,前期试件孔隙率降幅更加显著;② 试件内部孔隙结构以微孔与中孔占比为主,随着细铁尾矿粉掺量增加,试件微孔占比不断增大,中孔、大孔及裂隙占比均降低,细铁尾矿粉的掺入使混凝土内部结构得到优化;③ 铁尾矿粉掺量为20%时对试件抗压、抗拉强度提升效果较好,过量掺入反而会使试件力学性能降低。

高掺量磷石膏道路基层材料配比设计及性能研究

黄绪泉, 吴钦楠, 赵小蓉, 董江峰, 李　茜

2024, 53(3): 296.

摘要 ( 38 )

PDF (1962KB) ( 232 )

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按传统矿质混合料设计掺磷石膏道路基层材料难以大规模消纳磷石膏,为实现磷石膏在道路基层材料中大规模利用,通过骨料替代法进行高掺量磷石膏道路基层材料配比设计,确定适宜的碎石比(5~10 mm 粒级与10~ 25 mm 粒级质量比39∶61)后以不同掺量替代磷石膏基胶凝材料体系,再击实然后得出最佳含水率及最大干密度。通过对设计好的配比进行性能试验筛选,得出适宜配比为P85S60,养护28 d 的试件抗压强度最大达5. 39 MPa,体积变化率较低,且养护7 d 后试件的体积增长稳定,体积变化率最终维持在0. 5%左右,有利于现场道路施工应用。所有配比浸出氟、磷均满足《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级限值,相较于常规水泥稳定碎石材料,该道路基层材料浸出液的酸碱性不会额外增加不利影响。通过XRD 和SEM 分析可知,胶凝材料水化产生的钙矾石和水化硅酸钙包裹在未反应的二水石膏周围,另外针棒状钙矾石和水化硅酸钙填充微小孔隙,使得试件整体结构密实、强度增加、体积稳定性增强。

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