金属矿山

王少锋, 石鑫垒, 周子龙

2024, 53(5): 1.

摘要 ( 129 )

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近年来,随着地下工程建设及资源开采规模不断扩大,硬岩机械化采掘技术和装备得到不断创新和发展。传统钻爆法因其危险性高、衍生破坏大,难以满足现代岩石工程发展需求。硬岩非爆机械化采掘技术以其安全、高效、经济、智能化进程快等优势已成为现代岩石破碎工程的主要发展方向。从岩石可切割性、机械刀具(破岩工具) 和机械装备3 个角度对硬岩非爆机械化采掘技术的发展现状进行了论述。研究表明:岩石可切割性从单一指标评价向多指标综合评价发展;机械刀具类型呈现多样化,刀具性能伴随合金技术和涂层技术的发展而不断提质,并且刀具的设计制造注重在刀具硬度、耐磨蚀性与冲击韧性间寻找最佳平衡点来提高刀具使用寿命;破岩机械装备正在逐步向大型化、重型化、智能化、多样化、精细化发展,以更好地实现硬岩的高效、安全、经济、精细化采掘。在上述分析的基础上,展望了硬岩非爆机械化采掘技术的未来发展方向,认为未来亟须攻克的难点有:① 建立深部岩石破碎力学与能量模型,探寻深部硬岩高应力诱导利用与高储能调控方法,开发硬岩诱变改性降危增割协同破岩方法与技术;② 明晰硬岩破碎过程的多场多相耦合及多尺度破裂、破坏、破碎过程,开发机械刀具、水力、热力等多源联合破岩技术及装备; ③ 揭示深部破岩扰动诱发高储能岩体动力灾害的力学及能量机制,提出针对性的防控方法;④ 开发与岩体特性、地应力条件、破岩需求协同匹配的精细化智能破岩技术与装备,形成非爆机械化智能采掘方法与技术体系;⑤ 构建非爆机械化采掘全过程管理模式,完善硬岩非爆机械化采掘作业流程。通过以上研究攻关,有望促进非爆机械化采掘技术在硬岩工程中的规模化应用,实现硬岩的安全、高效、绿色、智能采掘。

碎磨功耗理论的发展与展望

左蔚然, 戴元松, 许京伟, 杨　云

2024, 53(5): 16.

摘要 ( 82 )

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矿山碎磨作业电力消耗占据全球总电力消耗的近2%,同时也是矿山生产中能耗最高的作业单元。碎磨流程能耗预测是碳排放和能源管理、矿山生产管理和数字矿山建设必不可少的重要环节。对基克、雷廷格和邦德等关于碎磨功耗的三大经典理论进行了回顾,着重介绍了邦德理论的发展历程并讨论了其在现代碎磨流程生产实践中应用的局限性。对上世纪70 年代以来陆续提出的多种新的碎磨功耗理论进行了介绍,并讨论对比了邦德理论模型和新的理论模型对碎磨流程单位能耗的预测精度。总结了碎磨功耗理论模型在碎磨工艺流程设计与设备选型、碎磨流程运行效率评估与优化、金属矿山生产能力预测与管理以及金属矿山碎磨能耗碳评估模型等4 个方面的应用价值。尽管该领域自主知识产权上的不足对我国数据安全和矿山生产造成了障碍,但随着国内矿山数字化智能化建设的飞速发展,我国碎磨功耗理论模型必将在较短时间内迎来显著的突破。

沉积型锂矿的成矿特征及锂赋存状态研究进展

程宏飞, 周轩平

2024, 53(5): 28.

摘要 ( 95 )

PDF (2746KB) ( 293 )

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随着新能源汽车和锂电池的快速发展,锂资源已成为许多国家的重要战略资源。然而,全球锂资源分布不均,中国当前锂资源的对外依存度高达75%,但待开发的沉积型锂矿较丰富,其锂的成矿特征和赋存状态制约着其分离提取和高效开发利用。通过梳理现阶段沉积型锂矿的研究成果,介绍了全球锂资源的主要类型及其特点,分析了沉积型锂矿的形成地质背景和时空分布特征,认为沉积型锂矿已成为全球新型锂资源的重要类型,具有储量大、分布广、开采成本低等优势而表现出巨大的开发价值和广阔的利用前景。总结出3 大特征:① 沉积型锂矿通常分为火山岩黏土型、碳酸盐黏土型/ 伴生型和贾达尔型,其主要分布在北美洲、南美洲、欧洲和亚洲等地区,成矿时代多为新生代,部分与铝土矿和煤系伴生的沉积型锂矿形成于古生代或中生代。② 火山岩黏土型锂矿多形成于封闭的湖相沉积盆地,成矿物质主要来源于火山岩浆活动;贾达尔型锂矿中锂的主要来源为不同时期的河流沉积物和火山喷发物质;碳酸盐黏土型/ 伴生型锂矿中锂主要来源于沉积环境,其富集过程通常与风化沉积作用有关。③ 火山岩黏土型锂矿中锂主要赋存在锂皂石、伊利石和锂蒙脱石中。碳酸盐黏土型/ 伴生型锂资源中矿物组成不同,锂的赋存状态主要有3 种:① 赋存在锂绿泥石的层间氢氧化物层中;② 赋存在伊利石结构八面体或假六方环中;③ 赋存在高岭石结构八面体中。贾达尔型锂矿中锂主要存在于矿物贾达尔石的晶体结构中。最后,展望了中国沉积型锂资源的研究方向和开发利用前景,以期为中国锂资源的地质勘察高效开发提供支撑。

我国金属矿山采—装—运过程中粉尘职业危害防控技术进展与展望

李　刚, 李　胜, 张伟军, 徐　宇, 陈彦亭

2024, 53(5): 41.

摘要 ( 79 )

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在高温、噪声、粉尘、有毒有害气体等金属矿山主要的职业病危害因素中,由粉尘引起的尘肺病在职业病病例中占比最大,为不断推进粉尘职业健康防护研究,保障金属矿山人员、生产与环境安全,概述了金属矿山尘源与扩散理论以及粉尘职业健康职业防护研究现状,基于安全工程系统性原理,分别从源头治理、过程控制以及个体防护3 个维度分析了我国金属矿山采—装—运过程中粉尘职业危害防控技术进展。在此基础上,剖析了目前存在的不足,并展望了未来发展方向。认为现阶段存在的不足在于金属矿山粉尘控制理论体系尚未成熟,金属矿山粉尘智能化监测预警技术研究有待加强,不同粉尘治理技术交叉性、协同性研究与应用较薄弱,以及以现场人员舒适性为导向的个体呼吸防护设备研发需要进一步加强,未来可从完善金属矿山粉尘控制理论体系,开发适用于金属矿山产尘特性的智能化防尘监测预警技术,注重粉尘治理技术的交叉性、协同性研究与应用,以及研发更符合人体工程学的个体防护设备等方面进一步开展工作。

矿山粉尘职业危害风险评估研究现状与展望

肖双双, 刘　锦, 李卫炎, 马亚洁

2024, 53(5): 55.

摘要 ( 67 )

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矿山粉尘职业危害已成为矿山行业最重要的职业健康问题,对矿山粉尘危害进行风险评估、量化其危害程度是矿山职业卫生工作的重点。为深入了解矿山粉尘职业危害风险评估领域的研究脉络,基于文献计量学角度,采用VOSviewer 与CiteSpace 软件对中国知网(CNKI)和WOS(Web of Science)收录的矿山粉尘危害风险评估相关文献进行可视化分析,提取高频关键词,进行关键词共现、聚类分析,获得文献的时序特征、研究主体以及热点前沿信息。根据可视化分析结果,从风险评估指标、危害程度等级、评估方法3 个方面进行了详细分析和阐述。细化了风险评估流程,分析了矿山粉尘的理化特性和危害因素,进而归纳了风险评估指标,总结了粉尘职业危害程度分级,按照定性、定量和综合评估3 种类别梳理了矿山粉尘职业危害风险评估方法,阐释了健康伤害风险评估的量化模型。研究表明:目前国内外在矿山粉尘职业危害风险评估方向进行了大量深入的研究和实践,评估工作取得了较为显著的成效,但矿山各生产环节粉尘至今仍难以彻底遏制,相关研究理论机制尚未成熟,评估指标影响因素冗杂、危害程度分级缺乏依据、评估方法存在主观不确定性,矿山粉尘职业危害风险评估体系有待系统研究,粉尘危害风险分析及预警平台尚需探索构建。未来,需进一步完善矿山粉尘职业危害风险评估相关法律法规;科学、合理地选择风险评估指标, 简化评估工作环节,实现良好的实用效益;突破现有方法局限,建立适用的数据信息论风险评估模型,为矿山粉尘治理提供有效依据;积极应用云计算、大数据等新技术,实现粉尘监测—风险评估—智能防控一体化系统建设。

我国关闭/ 废弃矿山土地资源的新能源再开发现状及展望

郝宪杰, 宋思桐, 唐宽旭, 郭　勇, 丁志杰

2024, 53(5): 68.

摘要 ( 61 )

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矿山关闭或废弃后会产生大量的土地资源,如露天矿山的矿坑、排土场等,以及井工矿的地面广场和地面塌陷区等。土地资源是我国最重要的自然资源之一,关闭/ 废弃矿山的土地资源相对较为丰富,然而由于这些土地资源受到了矿山开采的不利影响,其再开发利用问题是关闭/ 废弃矿山面临的重要难题。针对当前对于此类土地资源开发再利用模式存在的不足,首先分析了国内外关闭/ 废弃矿山土地资源与风能、光能、林业、农业、养殖业等结合开发利用的发展现状,提出了我国关闭/ 废弃矿山土地资源开发利用的科学技术体系,即土地资源的“风—林—光”新能源互补再开发模式,并研究了不同条件下的技术性因素评价标准及改造方案体系,总结了我国当前关闭/ 废弃矿山土地资源再开发利用存在的问题和难题,凝练了在实施过程中需要攻克的5 个基础理论和5 个待发展技术难点,并提出了相应的政策措施建议和未来发展展望。研究表明:① 关闭/ 废弃矿山土地资源的新能源再开发,是一个新兴的、潜力无限的、需要多领域交叉合作的新学科,其中地面资源是载体,而该载体受采矿影响后的状态是核心,新能源各个方向的应用是目的;② 关闭/ 废弃矿山土地资源的新能源再开发一方面是实现我国土地资源可持续利用的重要措施, 另一方面也是开发新能源助力我国“双碳”目标实现的重要方向,同时也是实现关闭/ 废弃矿山转型的重要举措,应在进一步完善该模式的基础上大力推进对关闭/ 废弃矿山土地资源的新能源综合开发利用。

急倾斜脉群钨矿开采过渡区围岩力学环境变化特征研究

钟　文, 林圣杰, 欧　飞, 邱金铭, 张泽群, 曾　槟, 赵　奎

2024, 53(5): 76.

摘要 ( 53 )

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随着现代化采矿工艺的发展,急倾斜脉群矿体正由传统的浅孔留矿法向更高效的阶段矿房法转变,采区围岩力学环境扰动规律也随之改变,特别是在2 种采矿方法接替的开采过渡区,可能存在围岩力学环境分布规律的盲区。基于声发射测定的初始地应力采用FLAC3D 软件模拟研究了过渡区开采中段采区围岩的力学环境变化特征。结果表明:① 上部采区经浅孔留矿法回采出矿后,采区上下盘围岩受到拉应力作用且存在采场边帮松脱的趋势,单脉采场间围岩受应力作用不均匀导致上下端位移交错分布,采区上下盘围岩及单脉采场间围岩以剪切塑性区为主,有发生剪切破坏的风险。② 下部采区经阶段矿房法回采出矿后,采区的应力集中现象更加明显,采场顶板出现沉降趋势,采区上下盘围岩向竖直方向变形且两采区位移较连续,采区的顶底板主要为拉伸塑性区且上下盘围岩存在较大范围的剪切塑性区,预示着采区围岩可能同时存在张拉和剪切破坏风险。③ 对采空区及时进行废石嗣后充填能够有效抑制应力集中现象。矿山在开采过渡区生产时应严格控制上下部相邻采场的开采、充填时序,避免超前开采,进而最大程度抑制应力集中导致的围岩变形、失稳等不利影响。

硬岩矿体自然崩落过程成拱特征及其边界弱化

黄明清, 张厚缘, 郭晓强, 郑其伟, 刘青灵

2024, 53(5): 84.

摘要 ( 44 )

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硬岩矿体自然崩落过程中崩落顶板压力拱加剧了崩落边界的应力集中,崩落进程易受拱脚两侧的夹制而受阻。通过崩落顶板压力拱极限自稳平衡计算及数值模拟分析硬岩崩落顶板成拱特征及崩落中止的潜在区域,进而探讨通过边界弱化来预处理硬岩的工程措施。引入成拱系数及崩落损伤因子表征拉底上方不同区域岩体塑性区的逐年发展趋势,采用塑性区相对位置反映割帮位置及割帮时机,从而解决边界弱化的时效性问题。结果表明:硬岩矿体在上向崩落过程中,崩落顶板易形成自稳平衡拱并引起崩落减缓或中止,崩落顶板顶部压力和水平压力是引起压力拱持续破坏的直接因素;拉底推进时崩落压力拱跨度以非均匀速率不断增加,压力拱边界随着拉底的推进而不断前移,且拉底推进线前方始终处于高应力集中区域。当上盘矿岩交界处塑性区出现的时间滞后于拉底前锋时,可采用割帮来破坏崩落拱平衡并促进持续崩落。研究结果有助于确定硬岩矿体自然崩落法边界弱化的区域与时机。

基于HSCA 静力破岩的金属矿山遗留矿柱安全低损回采试验研究

龚　囱, 许永斌, 刘　畅, 戚燕顺, 黄志豪, 赵　奎, 曾　鹏

2024, 53(5): 92.

摘要 ( 45 )

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针对采用爆破破岩方式对金属矿山遗留矿柱进行回采存在安全性差与矿石损失率高的局限性,将具有无振动特征的高效静态破碎剂(High Range Static Cracking Agent,HSCA)引入遗留矿柱回采中。通过设计HSCA 膨胀压应力测试试验与静力破岩试验,分析了HSCA 径向膨胀压应力大小及其分布规律与水灰比的关系。分别从膨胀压应力分布特征、主裂纹定向控制方法与破岩时效性3 个方面,论证了通过HSCA 静力破岩实现金属矿山遗留矿柱安全低损回采的可行性。研究结果表明:当水灰比大于理论最优水灰比时,膨胀压应力随着水灰比的增大而减小。对于上向倾斜装药孔膨胀压应力沿孔底至孔口方向呈增大趋势,对于下向倾斜装药孔膨胀压应力则呈减小趋势。采用 HSCA 静力破岩对遗留矿柱进行回采,遗留矿柱主裂纹走向可通过对装药孔进行预切槽、增设诱导片或新增诱导孔等方式进行定向控制,进而有效降低非破岩区矿岩的再损伤。因此,对于不宜采用爆破破岩方式对遗留矿柱进行回采的区域,HSCA 静力破岩不仅有利于保障遗留矿柱回采安全,而且可提高遗留矿柱回收率。研究成果可为进一步探索金属矿山遗留矿柱回采破岩新理论与新技术提供参考。

基于可爆性分区方法的露天矿炸药单耗预测模型

于庆磊, 李　友, 李万涛, 吴嘉伟, 王宇恒, 金日杰

2024, 53(5): 102.

摘要 ( 70 )

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露天矿山爆破作业要求矿岩爆破块度均匀,对岩体可爆性进行评价与应用是优化爆破设计、改善爆破效果的重要依据。在总结分析岩体可爆性主要影响因素的基础上,对司家营铁矿15 个爆区矿岩物理力学参数和节理裂隙参数进行了聚类分析和相关分析。结果表明:可以采用抗拉强度、岩石密度、岩体完整性系数和平均节理间距4 个指标对岩体可爆性进行评价;同时用蚁群算法优化BP 神经网络对评价指标进行赋权,提出了基于加权聚类分析的露天矿岩体可爆性分区方法;然后结合钻孔信息与地质模型,使用距离幂次反比法插值得到矿岩可爆性分区块体模型;利用多元回归分析方法,建立了基于可爆性分区指标的炸药单耗预测数学模型,可为后续类似工况爆区矿岩爆破设计提供参考,对优化爆破设计工作具有指导意义。

岩巷综掘面抽尘参数影响粉尘污染扩散规律研究

聂　文, 刘　强, 华　贇, 彭慧天, 郭立典, 蔡源坤

2024, 53(5): 110.

摘要 ( 40 )

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抽尘系统是岩巷综掘面长压短抽通风方式中控除粉尘污染的重要组成部分,而确定适宜的抽尘参数是实现有效除尘的关键。利用Solidworks 软件对某矿632 岩巷综掘面进行了物理建模,并进行了ICEM-CFD 网格划分, 通过网格无关性检验确认了后续所用的网格模型,运用FLUENT 计算流体力学软件对不同抽尘位置Dn(n 分别为0、 1/4、1/2、3/4、1)与抽风量(300~350 m3 / min)影响粉尘污染扩散状况进行了数值模拟,并通过仿真试验验证了数值模拟结果的准确性。结果表明:抽尘位置为D0、D1/ 4、D1/ 2、D3/ 4 时,巷道内风流整体均处于较为紊乱的状态,粉尘污染经风流运载最终均扩散至整个巷道;抽尘位置为D1 时,在抽风与压风协同作用下,距迎头4. 6 ~6 m 范围内形成了风向指向迎头、流动均匀且覆盖巷道全断面的有效控尘风幕,粉尘污染被风幕控制在掘进机司机与迎头之间的封闭空间内。抽风量在330 m3 / min 及以上时,在司机处均形成了有效控尘风幕。为了在有效控尘的前提下尽可能降低能耗, 最优抽风量选取最小值330 m3 / min。

斜巷转载点粉尘污染规律及多断面雾幕控尘技术研究

德吉, 鲍春花, 刘鸿威, 阚琦笙, 杜鹏宇

2024, 53(5): 118.

摘要 ( 53 )

PDF (3259KB) ( 237 )

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针对斜巷转载点粉尘污染严重的问题,运用COMSOL 软件对棋盘井煤矿3 号转载点进行了几何建模, 并基于计算流体力学(CFD)粒子追踪模型、有限元法和k-ε 湍流模型,计算了3 号转载点风流流线分布、速度多切面分布以及粉尘粒子运动轨迹,研究了生产工作时3 号转载点处风流变化及粉尘运移规律,并针对性地提出了一种多断面雾幕控尘技术。该技术基于螺旋雾幕控尘、超音速隔尘原理,可形成距离长、覆盖范围广的雾幕以最大限度包裹粉尘颗粒,实现粉尘高效净化。最后通过控尘试验及在棋盘井煤矿3 号转载点现场应用,验证了该技术的高效降尘特性以及可靠性。研究结果表明:风流分布主要受皮带速度、牵引力和诱导气流的综合作用影响,沿水平和垂直方向分层分布,形成密集且平均速度为0. 5 m/ s 的涡流;粉尘易受涡流影响向四周扩散,主要分布在下风侧,粒径为5~15 μm 更容易受风流牵引扩散,聚集于工人呼吸带高度,污染严重。将该技术进行控尘试验和现场应用后,全尘和呼尘降尘效率分别高达93. 65%、85. 59%以上。

综掘工作面半封闭式区域联合控尘技术研究

司俊鸿, 王昊宇, 霍小泉, 岳　东, 袁增云, 范智海

2024, 53(5): 126.

摘要 ( 44 )

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为有效提高综掘工作面降尘效率,克服单一降尘方式的局限性,建立了综掘工作面仿真模型,结合现场实测结果验证了模拟结果的可靠性,对综掘巷道风流场和粉尘扩散运移规律进行了研究,得到了高浓度粉尘积聚特征及分布范围。研究结果表明:综掘工作面迎头处为主要产尘源,粉尘在向巷道出口扩散过程中浓度逐渐降低;尘粒运移迹线与风速矢量基本一致;受掘进机影响,粉尘流在机身上方形成涡流,大量堆积于司机位置;在掘进机后方形成较大范围的回流沉降区域,易引发二次扬尘,污染巷道回风区域。基于此,提出了区域划分原则,确定迎头、掘进机头、司机位置、皮带上方粉尘回流区及距迎头15 m 以外范围为重点除尘区,开发了单区域针对性除尘和多区域联合除尘相结合的半封闭式区域联合控尘技术,设计了由环状喷雾、气幕隔尘装置、除尘风机、散射型雾幕及全断面喷雾构成的综合控尘成套设备。玉华煤矿柴家沟井42221 工作面现场应用结果表明,巷道平均降尘率达88%,司机位置全尘、呼尘降尘率均达到86%。

露天矿全流程智能开采架构与关键技术研究

曲福明, 王怀远, 柳小波, 岳星彤, 马意彭

2024, 53(5): 134.

摘要 ( 115 )

PDF (5758KB) ( 340 )

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针对目前大型金属露天矿智能建设过程中存在的系统规划难、系统智能难和系统协同难三大难题,开展了大型金属露天矿全流程智能开采架构与关键技术研究及应用。基于大型金属露天矿智能安全开采的全工艺流程,构建了包括“三大平台、四大层次和四大板块”在内的大型金属露天矿智能矿山的总体架构,设计了穿孔、爆破、采装、运输和排卸五大生产工序全流程智能安全开采框架,提出了涵盖设备状态及运行环境智能感知、智能导航与设备行为规划和智能装备核心控制等在内的多环节、系列化的智能开采关键技术。研究成果成功应用于齐大山露天铁矿,分别以齐大山矿智能生产中的三维模拟仿真系统、智能指挥调度系统和钻机远程遥控系统为例进行了相关技术的阐述与应用效果分析。最终在齐大山矿实现了多场景、多环节、多工序的智能安全应用,形成了“全流程规划—多工序智能—多场景联动”的大型金属露天矿智能开采模式,解决了露天矿智能开采关键共性理论和技术难题,对我国露天矿智能化建设具有一定的参考意义。

单线激光雷达与测距仪耦合的移动式仓储存量盘点装备研发与应用

许志华, 彭远航, 林佳轩, 逯行政, 夏　林, 林荣传, 梁焰斌

2024, 53(5): 144.

摘要 ( 48 )

PDF (3642KB) ( 224 )

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提升矿山信息化测绘水平是建设智能矿山的重要基础。选厂是矿产管理的主要场所,及时、精准掌握选厂的仓储存量对于矿山生产规划具有重要意义。然而,受限于作业环境和人员不可达等问题,传统地面测量方法难以有效采集仓储矿堆的完备点位信息,导致盘点结果精度差、效率低。为此,将垂向扫描的单线激光雷达与水平测距仪进行耦合,自主研发了一套单线激光雷达与测距仪耦合的移动式仓储存量盘点装备。该装备具备三维点云采集、数字表面模型构建、矿堆方量核算一体化在线处理功能,并可根据实际需求灵活拓展硬件集成方式,同时支持开发可视化等功能。以紫金山金铜矿选厂为研究区,进行了铜、硫精矿存量盘点试验,结果表明:所研发的装备可以实现选厂矿堆方量在线盘点,其重复盘点结果的一致性优于99%,与地磅称重盘点结果的比对精度优于99%,扫描点云质量和数据处理效率优于GEO-SLAM 等进口移动式三维扫描设备。研发成果可拓展应用到露天采场剥离量验收、露天采场爆破程度分析、矿车载运量无人值守在线盘点等矿山信息化测绘方面,对于实现“减人增效”目标,助力智能矿山建设具有重要意义。

基于太阳能吸附制冷的载/ 蓄冷充填降温系统性能分析

王　美, 文国铭, 刘　浪, 倪婉颖, 李家辉

2024, 53(5): 152.

摘要 ( 37 )

PDF (2182KB) ( 212 )

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含冰粒的载/ 蓄冷充填降温是解决深井热害问题的有效方式,但其制冰能耗大、系统运行费用较高。为此,研发了基于太阳能吸附制冷的矿井载/ 蓄冷充填降温系统(Mine Cold Load/ Storage Backfill Cooling System Based on Solar Adsorption Refrigeration),该系统由地面太阳能集热子系统、吸附制冷子系统和地下输冰子系统组成。通过建立子系统的数学模型和地面系统的TRNSYS 模型,分别分析甲醇解吸量、吸附制冷量和吸附制冰量在不同太阳能辐射强度、不同季节和不同地区影响下的变化规律,进而得出太阳辐射强度和太阳辐射连续性是造成制冰量差异的主要原因。选取太阳辐射强度和太阳连续性较优的淮南、南宁两区域进行系统制冰能效分析,与传统蒸汽压缩式制冷系统相比,该系统的吸附制冷子系统平均节能效率达到64. 71%。研究结果反映出,太阳能吸附制冷与载/ 蓄冷充填降温相结合的新型矿井降温系统的研发,对于高效解决矿井热害问题有所裨益。

降雨作用下露天矿山岩质边坡稳定性与声—力学特征研究

陈　结, 孟历德仁, 蒲源源, 崔　义, 杨　妮, 朱　超, 刘　博, 张定山

2024, 53(5): 161.

摘要 ( 47 )

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降雨是加剧露天矿山岩质边坡灾害的重要因素,准确剖析降雨作用下的岩石声—力学特征是实现矿山安全监测的前提条件。为研究降雨作用对露天矿山岩质边坡稳定性与声—力学特性的影响,以室内声学测试与力学测试为主要手段,研究了不同探头布置方式下砂岩在水饱和过程中的声发射信号特征,并定量分析了干燥与饱水2 种状态下岩样破坏的声发射信号特征及其破坏形式。结果表明:① 降雨作用对声发射信号衰减显著,各探头位置波形最大幅值下降约43. 3%,波形频率降低约33. 3%,呈现出明显的“频移”现象;② 声发射事件在干燥岩样破坏过程中呈现较为随机的、缓和的方式,而在饱水岩样中具有一定的连续性和集中性;③ 干燥和饱水岩样的破坏形式均以剪切破坏为主,并伴随一定的张拉破坏,但饱水岩样的张拉破坏更加明显。研究结果可为露天矿山岩质边坡岩体声—力学特性分析提供参考,促进微震监测技术在露天矿山边坡稳定性监测中的应用。

不同含水率和应力作用下磷块岩的损伤特性研究

吝曼卿, 冯　磊, 孙郡阳, 彭亚利, 张岸勤, 金胜利

2024, 53(5): 169.

摘要 ( 36 )

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地下磷矿长期受地下水侵蚀,水—岩作用是地下采矿工程中的常见问题,在开挖扰动下容易诱发地质灾害。为探究磷块岩在不同水—岩作用下的损伤破坏特性,借助声发射仪监测手段开展不同含水率磷块岩的单轴加载试验,分析了不同含水状态下磷块岩的宏观破坏特征和力学特性,进而构建了声发射振铃计数表征的试件内部损伤变量模型。研究结果表明:① 水对磷块岩中胶结物质具有弱化作用,进而对磷块岩的力学性能造成劣化效应;② 水会影响磷块岩的破坏模式,随着含水率增加,磷块岩的破坏模式由脆性破坏向塑形破坏转变,表现为磷块岩试件峰值应变随其含水率增加而增大;③ 随着磷块岩含水率升高,磷块岩在加载至破坏过程中产生声发射时间相对越滞后, 声发射振铃计数和能量逐渐减小,不同含水率磷块岩内部损伤变量的演化过程与岩样受力加载全过程属同步关系。研究结果可为地下磷矿安全开采提供理论参考。

深地页岩储层聚能射流侵彻及损伤致裂机理研究

罗　宁, 柴亚博, 牟恭雨, 王一鸣, 王路伽

2024, 53(5): 179.

摘要 ( 47 )

PDF (2124KB) ( 256 )

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为研究地应力对聚能射流侵彻页岩储层的影响,建立了聚能射流侵彻不同围压页岩的准二维模型,采用动态松弛法加载页岩围压分别为0、10、20、30 MPa,分别从射孔深度、页岩孔裂隙形成规律特征和监测点应力变化等方面系统性分析了射流侵彻下的页岩损伤致裂机理。研究结果表明:聚能射流侵彻页岩后损伤区域可以分为完全破坏区、压剪破坏区、拉伸破坏区,围压增加造成破坏区域减小。围压对于页岩射孔深度和损伤致裂效果具有明显影响,无围压下页岩的侵彻深度为600. 3 mm,10、20、30 MPa 围压下页岩的侵彻深度分别减小至524. 3、454. 3、446. 1 mm,减小幅度分别为12. 66%、24. 32%、25. 69%,更高的围压对页岩孔周裂隙的发育和损伤具有更明显的抑制作用。页岩射孔过程中的峰值压力随着与孔道中心距离增大而快速减小,且衰减速度逐渐由快减慢;随着与侵彻起点距离增大而逐渐减小,减小趋势近似为线性;相同监测点峰值压力随围压增大呈现明显的增加趋势。

不同钢纤维类型混凝土动静态力学特性试验研究及应用

李地元, 王蜜蜜, 王勇兵, 方旭刚, 蒋京泰, 余一松, 汪小东

2024, 53(5): 190.

摘要 ( 40 )

PDF (10140KB) ( 228 )

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以云南某深部竖井钢纤维混凝土衬砌支护为背景,利用深部矿山现场使用的水泥、钢纤维及掘进工作面废矸石作为原材料,制作钢纤维混凝土试样,探究了不同钢纤维类型混凝土的动静态力学性能。通过单轴压缩、劈裂拉伸和动态压缩试验获得了钢纤维混凝土动静态力学性能及其破坏特征,结合高速摄像机和数字图像相关技术 (DIC),探讨了钢纤维混凝土试样的裂纹演化规律。研究结果表明:双掺、三掺钢纤维混凝土的抗压强度均大于单掺钢纤维混凝土,三掺钢纤维在增强混凝土抗拉强度方面效果最佳,混凝土动态抗压强度随着掺杂钢纤维类型增加而增加;与素混凝土相比,钢纤维混凝土试样表面裂纹出现较晚;掺杂的钢纤维类型越多,试样峰值应变越大;素混凝土表现出脆性破坏特征,钢纤维混凝土则表现出延性破坏特征;将三掺钢纤维混凝土应用于矿山竖井衬砌支护,有效提高了竖井井壁的完整性和稳定性,为深部矿山工程安全高效开采提供了保障。

围岩冻融劣化对季节性寒区隧道稳定性的影响研究

冯　强, 赵子栋, 刘海涛, 刘炜炜, 王洪波, 张新鹏, 张　强

2024, 53(5): 199.

摘要 ( 39 )

PDF (7390KB) ( 220 )

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围岩冻融损伤会造成衬砌受到的变形压力增大,对衬砌的稳定性造成不利影响,是季节性寒区隧道工程研究的一个关键问题。通过对砂岩的冻融循环试验和压缩试验得到不同冻融次数下的砂岩应力—应变曲线,然后通过应力—应变曲线得到围岩的变形参数和强度参数,最后将岩石力学参数变化规律嵌入ABAQUS 软件中对冻融循环条件下的隧道长期稳定性进行数值分析,分别得到循环冻融0、6、12、18、24 次下的围岩和衬砌的应力场及位移场。结果表明:① 随着冻融循环次数增加,围岩所受的最大主应力和最小主应力均呈线性减小;② 衬砌所受的最大主应力、最小主应力及衬砌位移均呈指数增大;③ 与未经冻融的情况相比,冻融循环24 次后围岩的最大主应力、最小主应力分别减小了43. 69%、20. 66%;④ 衬砌的最大主应力、最小主应力及拱顶最大沉降分别增大了13. 64%、15. 75%、 49. 36%。在进行寒区隧道支护设计时,应考虑冻融作用下围岩自稳能力衰减而导致支护结构受力增大的问题。

基于SPH-FEM 耦合算法的台阶精准爆破延期时间研究及应用

师文强, 王思杰, 杜文秀, 宝音吉雅, 杨　旭, 龚　敏, 高宇航

2024, 53(5): 210.

摘要 ( 49 )

PDF (10820KB) ( 232 )

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电子雷管在大型露天矿爆破中广泛使用,利用其精准起爆特性通过设置合理延期时间可有效改善爆破质量,对矿山生产降本增效具有重要意义。基于光滑粒子流体动力学—有限单元(SPH-FEM)耦合算法,利用LS-Dyna 软件建立了多个巴润矿常规台阶尺寸的三维数值模型。针对电子雷管起爆条件下不同孔间和排间延时分别建立双孔、三孔SPH-FEM 三维模型,从矿岩体SPH 粒子应力和移动2 个维度研究了被爆矿岩体的受力破碎、抛掷位移特征, 并重点分析了不同排间延时下后排炮孔爆破漏斗的偏移角度。据此确定了最佳孔间、排间延期时间范围,并通过现场验证对比试验,选出了适合该爆区的最优延时。研究结果表明:在巴润矿现行孔排距条件下利用电子雷管精准起爆,孔间延时在20~30 ms 内可达到较好的破碎效果;排间延时大于35 ms 时,先爆炮孔为后续炮孔提供新的自由面和抛掷空间,且大于40 ms 时应力趋于稳定;在现场验证试验中,试验区内边长1 m 以下的破碎矿岩体占比达91%,较非试验爆区中同尺寸岩块占比提高了14%,破碎效果得到有效改善。

节理发育区巷道锚杆支护参数优化研究

吕靖烨, 王美君, 李　晟

2024, 53(5): 220.

摘要 ( 54 )

PDF (2415KB) ( 238 )

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在节理发育区的地下硐室和巷道开挖过程中,锚杆支护会对巷道围岩应力分布有显著影响。为研究锚杆对巷道围岩主应力状态的影响,采用FLAC3D 软件对锚杆支护下的巷道围岩稳定性进行了模拟研究。基于HYPERWORKS 软件开发了一种分析应力重分布结果的处理方法,以克服在应力分布图中难以直接观察锚杆支护影响的问题。结果表明:锚杆支护作用能提高最小主应力,围岩承载性能明显增加;对于在硐室顶板、底板和四周侧墙安装的3 种支护形式,最大主应力增量分别为3. 61、6. 28、6. 88 MPa;锚杆预应力、长度和数量均会对围岩应力重分布造成影响。根据数值模拟结果对巷道锚杆支护参数进行了优化,优化后的锚杆预应力、长度和数量分别为60 kN、2. 0 m 和5 根,优化后的锚杆支护设计能够有效提高巷道围岩稳定性。

单裂隙端面复合形貌影响下流体渗流特征

张海波, 李伟娜, 郑军领

2024, 53(5): 226.

摘要 ( 40 )

PDF (1723KB) ( 222 )

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自然储层裂隙端面在一定尺度下往往会表现出非匹配特征,由此产生的开度非均一分布对流体渗流行为具有重大影响。因此,厘清裂隙复合形貌特征对渗透性能的控制作用对于油气产能的准确评估至关重要。首先,结合岩石裂隙复合形貌特征,以解析推导方式确定了粗糙裂隙中阻碍流体运移的2 种效应,分别是端面粗糙效应和开度粗糙效应;其次,在通过权重算法对粗糙裂隙端面间的非匹配行为进行二维表征的基础上,采用格子Boltzmann 方法进行孔隙尺度模拟再现了非匹配粗糙裂隙中流体的运移过程,并据此系统分析了流体渗流的影响特征。结果表明: 由于未考虑开度非均一分布的影响,导致了三重效应渗透率预测模型对渗透率的过高估计,且预测误差取决于端面非匹配程度;开度非均一分布在一定程度上阻碍了流体的有效运移,同时也间接削弱了裂隙的渗透性能,其削弱能力受控于开度相对粗糙度。

干燥及饱水状态多孔玄武岩力学性质试验研究

沈　筠, 吴启一, 韩云飞, 许泽宁, 吴林松, 姚华彦

2024, 53(5): 232.

摘要 ( 47 )

PDF (2036KB) ( 221 )

相关文章 | 计量指标

多孔玄武岩具有典型的蜂窝气孔状构造,为了了解其工程特性,先对某多孔玄武岩的孔隙特征进行了分析,并开展了干燥与饱水两种状态下的单轴压缩、巴西劈裂和直剪试验。结果表明:多孔玄武岩存在大量大小且分布不均的孔隙,对岩石的力学性质有较大的影响。在饱水状态下,多孔玄武岩的单轴抗压和抗拉强度以及内摩擦角和黏聚力均有不同程度的降低;其破坏形式与干燥状态也有明显差异;劈裂试验软化系数低于单轴压缩试验。多孔玄武岩具有较高的孔隙率,其软化机制主要在于孔隙水压力和矿物颗粒摩擦弱化。饱水对多孔玄武岩的变形、强度以及破坏特征有明显的影响。

四川某锂辉石矿智能预选抛废工艺研究

罗仙平, 张　燕, 何鹏宇, 张宏亮, 刘子帅

2024, 53(5): 237.

摘要 ( 48 )

PDF (3315KB) ( 263 )

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为提高四川某锂辉石矿磨选给矿Li2O 品位、降低选矿生产成本,采用图像智能分选机开展了智能预选抛废工艺试验,考察了入选粒度、矿石水洗与否、抛废率、皮带速度和吹喷方式等对分选效果的影响。结果表明:在给矿粒度为60~10 mm、预先冲洗矿泥、抛废率为31. 88%、皮带速度为0. 5 m/ s、采用“正吹”喷吹的条件下,获得了Li2O 品位为1. 47%、Li2O 回收率为96. 03%的锂辉石合格矿,仅3. 97%的Li2O 损失在废石中;图像分选机分选出的锂辉石合格矿总体呈亮黄色,而废石则呈黑色或白色;XRD 结果显示,相较于原矿,锂辉石合格矿的锂辉石相明显增强,而废石中未见锂辉石相。表明智能图像选矿机可有效实现锂辉石和脉石矿物的智能分选,减少磨浮作业处理量,提高入磨料Li2O 品位,降低生产成本,减轻浮选药剂的潜在环境危害。

硅孔雀石硫化焙烧重构过程的机理研究

吴冠达, 叶传勇, 孙永升, 魏欣蕾

2024, 53(5): 243.

摘要 ( 47 )

PDF (3890KB) ( 256 )

相关文章 | 计量指标

针对典型氧化铜矿物硅孔雀石直接浮选难以回收的问题,以硫化焙烧的方式对其进行了硫化重构,考察了不同硫化焙烧条件对硅孔雀石浮选回收率的影响,并利用XRD、XPS、SEM-EDS 等检测手段探究了硫化焙烧重构过程的机理。结果表明,硅孔雀石颗粒由外向内与硫蒸气发生硫化反应,表面生成的Cu2S 硫化层将颗粒完全包裹,改善了丁基黄药的捕收效果,进而提高了浮选回收率。在S2 与CuSiO3·2H2O 物质的量之比0. 6、硫化焙烧温度900 ℃、硫化焙烧时间10 min 的适宜重构条件下,硅孔雀石的浮选回收率指标达83. 94%。

铜钼分离过程中辉钼矿的多方式分散效果研究

肖世洁, 邓荣东, 代　旺, 赵睿祺, 吴思远, 郭　宝

2024, 53(5): 250.

摘要 ( 51 )

PDF (2709KB) ( 236 )

相关文章 | 计量指标

针对辉钼矿在浮选矿浆中易团聚并包裹黄铜矿,导致铜钼浮选分离困难的问题,通过光学显微镜和聚焦光束反射测量仪研究了超声波分散、机械搅拌和添加分散剂六偏磷酸钠3 种方式对辉钼矿分散行为的影响;采用红外光谱、扫描电子显微镜、Zeta 电位并结合浮选溶液化学技术对分散机理进行了研究。结果表明,3 种分散方式都可起到分散辉钼矿团聚体的作用,其中以添加六偏磷酸钠的效果最好;加入400 mg/ L 六偏磷酸钠,不但能够有效降低辉钼矿团聚体的尺寸、减少其数量,还能降低辉钼矿团聚体内黄铜矿含量,使人工混合矿浮选钼精矿的铜含量由3. 86% 降低至2. 73%;六偏磷酸钠在辉钼矿表面吸附并产生空间位阻排斥力,电离出的阴离子增大了颗粒间的静电斥力,致使辉钼矿表现出较好的分散行为。

云南某难选氧硫混合铜矿石的新型药剂浮选试验研究

张锦仙, 马原琳, 杨　林, 吕　超, 阚赛琼

2024, 53(5): 258.

摘要 ( 43 )

PDF (1556KB) ( 226 )

相关文章 | 计量指标

云南某氧硫混合铜矿石氧化率高、铜矿物嵌布粒度细、钙镁等易泥化脉石含量高,为充分利用该矿石资源,采用“铜硫混合浮选—混合精矿铜硫分离—混浮尾矿再选氧化铜”流程开展了新型药剂浮选试验研究。在磨矿细度为-0. 074 mm 占85%的条件下,应用新型捕收剂KM23 和起泡剂730A 选出混合铜硫精矿,应用组合抑制剂石灰+LY 分离浮选出硫化铜矿物,应用组合活化剂硫化钠+氯化铵浮选出氧化铜矿物,最终获得铜品位为22. 56%、铜回收率为 42. 91%的硫化铜精矿和铜品位为20. 64%、铜回收率为27. 18%的氧化铜精矿,铜综合回收率为70. 09%。有价金属银在铜精矿中富集,硫化铜精矿含银145. 7 g/ t、氧化铜精矿含银91. 17 g/ t。研究结果可作为该矿石开发利用的依据。

新疆某尾矿中重晶石的回收试验

钱新宇, 钱玉鹏, 李旻阳

2024, 53(5): 264.

摘要 ( 40 )

PDF (1622KB) ( 238 )

相关文章 | 计量指标

为高效回收新疆某尾矿中的重晶石,在进行了试样性质分析的基础上,采用重—磁联合工艺开展了详细的选矿试验研究。结果表明,① 试样的BaSO4 品位为34. 85%,主要脉石矿物为方解石、石英、长石及赤褐铁矿等; BaSO4 主要富集于-200 μm 粒级。② 试样在筛出+200 μm 粒级的情况下,200~74 μm 粒级采用细砂摇床1 粗1 精重选流程处理,-74 μm 粒级采用矿泥摇床粗选+中矿再选闭路流程处理,重选精矿采用1 次弱磁选+1 次高梯度强磁选流程除铁,最终获得BaSO4 品位为90. 65%、回收率为71. 35%的重晶石精矿,精矿达到了化工用重晶石一等品品质要求,可实现该尾矿资源的综合利用。

基于球磨机放大数学模型的钢球与钢锻磨矿效率对比研究———以某钨矿石为例

李明珠, 左蔚然, 白俊智

2024, 53(5): 269.

摘要 ( 78 )

PDF (1714KB) ( 273 )

相关文章 | 计量指标

钢球与钢锻作为磨矿介质在磨矿效率上的差异长期存在争议,基于实验室试验和磨矿流程模拟,对钢球和钢锻在实验室球磨机和工业磨矿回路的表现进行了对比。对云南某钨矿石进行了增强型邦德球磨功指数试验, 并采用理想混合模型对2 种磨矿介质在实验室试验中的破碎率参数(r / d)进行了计算。根据实验室试验获得的破碎率参数,采用球磨机放大数学模型预测了工业规模球磨磨矿回路的循环倍率和产品粒度。结果表明,尽管2 种介质可以在实验室试验中获得相近的邦德球磨功指数,但在粗粒端钢锻产生的破碎率参数比钢球更大,在细粒端则相反。在工业规模球磨磨矿回路中,当循环倍率接近时,2 种介质产生的旋流器溢流产品粒度分布总体较接近,但相比于钢球介质,钢锻的产品粒度分布更均匀,粗颗粒含量和细颗粒含量均少于对应的钢球产品。由于最终产品粒度分布曲线形状上的差异,对钢球与钢锻磨矿效率进行比较时,可能会受到所选磨矿细度衡量指标(P80 或-0. 075 mm 含量)的影响。因此,应当结合矿石的实际解离特征和浮选作业的具体需求,来决定采用哪种磨矿细度衡量指标进行评估。

基于生成对抗残差学习的矿山远程监控图像去噪算法

樊培利, 王建军, 艾　薇

2024, 53(5): 286.

摘要 ( 39 )

PDF (2618KB) ( 239 )

相关文章 | 计量指标

在矿山远程监控系统中,由于监控摄像头位置和环境等因素限制,往往会导致图像中存在各种噪声,如椒盐噪声、高斯噪声等,这些噪声会对图像质量产生严重影响,同时也会给后续的图像分析和处理带来很大困难。因此,如何准确地去除噪声,提高图像质量,一直是矿山远程监控系统中的重要问题。生成对抗学习是一种基于对抗生成网络(Generative Adversarial Networks,GAN)的图像处理技术,可以有效去除图像中的噪声。据此,提出了一种基于生成对抗残差学习的矿山远程监控图像去噪算法。该算法首先通过GAN 生成器学习得到一组残差图像,然后通过残差学习方式将原始图像与残差图像相加得到去噪后的图像。同时,为提高算法的鲁棒性和适用性,还引入了噪声分布估计网络和自适应控制机制。试验结果表明:该算法可以有效去除矿山远程监控图像中的噪声,并且具有较好的鲁棒性和适用性。

有色冶炼含砷固废的综合处置技术研究进展

洪　凯, 彭　竣, 李光裕, 沈吉峰, 唐亚峰, 田　佳

2024, 53(5): 293.

摘要 ( 40 )

PDF (1855KB) ( 276 )

相关文章 | 计量指标

有色金属冶炼过程产生的大量含砷固废会给生态环境和人类健康造成严重的潜在威胁。为了推动有色冶炼含砷固废综合处置技术的普及与发展,首先,结合冶炼工艺介绍了含砷固废的来源及走向,并详细分析了不同类型含砷固废的性质;然后,针对含砷固废的特点,介绍了几种常见含砷固废处置工艺,包括火法处理工艺、湿法处理工艺以及联合处理工艺等,以及它们各自的应用场景及瓶颈问题;最后,聚焦含砷碱浸液的高效处置难题,介绍了化学沉淀处理技术、蒸发结晶处理技术在碱性含砷废水处理方面的研究情况,并提出了可能存在的解决方案。研究内容对于认识有色冶炼含砷固废污染问题,了解含砷固废处置技术现状,推动有色冶炼行业绿色可持续发展具有一定的借鉴意义。

钢渣复合矿粉对不同养护条件下混凝土性能的影响

蒋　勇, 廖　斌, 王小均, 邓天宇, 蒋　俊

2024, 53(5): 311.

摘要 ( 37 )

PDF (2764KB) ( 228 )

相关文章 | 计量指标

为了探讨利用钢渣和矿渣制备复合掺合料的可行性,按质量比3∶7 将钢渣与矿渣进行共同粉磨,制备复合矿粉,研究了复合矿粉对不同养护制度下混凝土的工作性和力学性能的影响,并对水化产物进行了表征。结果表明,复合矿粉使混凝土1 h 的坍落度损失下降了6. 9%,表现出了较好的保坍效果;在20 ℃标准养护和60 ℃蒸汽养护下,掺复合矿粉混凝土的立方抗压和轴向抗压强度与对照组相比均有所提高,但掺复合矿粉混凝土的劈裂抗拉强度均略低于对照组。微观分析发现,复合矿粉的掺入,使得生成的水化硅酸钙氧硅比降低,聚合度增加;水泥石总孔隙率由26. 34%下降到23. 99%;促进生成更多的水化产物。研究表明,在矿粉中掺入适量的钢渣粉制备复合矿粉具有较高的可行性,是同时实现钢渣和矿渣资源化利用的有效途径。

硅粉和活化煤矸石粉改性透水混凝土强度和耐久性研究

刘小梅, 吴文强

2024, 53(5): 318.

摘要 ( 34 )

PDF (1745KB) ( 246 )

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1. School of Architecture and Engineering,Xuchang Vocational Technical College,Xuchang 461000,China; 2. School of Civil Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China

黄金尾矿掺量对冻融循环和硫酸盐侵蚀作用下混凝土抗劣化性能的影响

李文洁, 孙晋方, 侯　彬

2024, 53(5): 325.

摘要 ( 35 )

PDF (1570KB) ( 242 )

相关文章 | 计量指标

为探究黄金尾矿掺量对混凝土力学性能及在冻融循环和硫酸盐侵蚀联合作用下的抗劣化性,利用电液伺服压力机对细黄金尾矿机制砂掺量为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的试件静态力学性能进行了测试分析,并研究了素混凝土及细黄金尾矿机制砂混凝土在冻融循环及硫酸盐侵蚀联合作用下的抗压强度劣化规律。试验结果表明:① 黄金尾矿机制砂的掺入能够极大改善混凝土材料的延展性,对提升建筑物的安全性具有重要意义;② 相较于未掺尾矿机制砂试件,掺量为5%、10%、15%、20%、25%、30%时试件抗压强度增幅为8. 04%、10. 87%、21. 04%、 17. 73%、3. 31%、-9. 22%,抗拉强度增幅为15. 04%、20. 70%、31. 25%、36. 72%、29. 10%、14. 06%,适量黄金尾矿的掺入能够有效提高混凝土材料的力学性能,且最佳掺为20%;③ 冻融循环及硫酸盐侵蚀联合作用对2 种混凝土试件均存在劣化作用,且随着冻融循环次数增加及硫酸盐浓度增大试件劣化程度不断增加;④ 黄金尾矿机制砂混凝土试件在浓度为0%的硫酸盐溶液下冻融循环50、100、150、200、250 次时,试件抗压强度降幅仅为素混凝土的43%、44%、 47%、45%、47%,尾矿在试件内部与骨料间良好的黏结作用提高了试件抗外荷载能力以及抗盐侵蚀、抗冻融能力。

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