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主管单位:中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司
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2024年 第53卷 第9期 刊出日期:2024-09-26
上一期
专题综述
我国非煤矿山职业健康防控技术研究现状、挑战及展望
王运敏, 李 刚, 刘建国, 金龙哲
2024, 53(9): 1.
摘要
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计量指标
矿业是现代工业的粮食,在国民经济发展中发挥着不可替代的作用,但采矿过程伴随众多职业危害因 素,给工人职业健康与安全造成极大影响。采用文献查阅、现场调研、访谈交流等方法,并基于团队已有研究积累,对 新中国成立以来我国非煤矿山职业健康防控技术研究现状进行了综述,并分析了当前面临的主要挑战。结果表明: 我国非煤矿山职业危害主要涉及粉尘、噪声、高温等7 类因素,存在“点多、面广、源强”的显著特点,防治难度大;在7 类职业危害因素中,粉尘危害最为突出,且爆破粉尘、强疏水性微细粉尘、井下喷浆粉尘与高寒、低气压、超大规模开采 粉尘防治是目前面临的主要挑战。在上述分析的基础上,指出我国非煤矿山职业健康防护技术未来发展方向为健全 非煤矿山职业危害监管体系、强化职业危害控制科技创新与实践、推行职业危害防控专业化社会服务、坚持职业危害 个性化与综合防治、探索职业危害智能化防治技术,逐步形成以监管落实为驱动、科技创新为抓手、社会服务为目标 的科学发展模式,切实提高非煤矿山职业危害因素防治效果,保障工人职业健康与安全。
采矿工程
基于损伤理论的深井巷道围岩松动圈计算方法
吴 锋, 李 明, 宋新涛, 王少勇, 张博超
2024, 53(9): 13.
摘要
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计量指标
在岩体开挖过程中,岩体内部的许多微小裂隙会发生扩张或者闭合等变化,因此在计算巷道围岩应力 场时,有必要考虑岩石材料的损伤特性。损伤理论考虑了岩石材料峰值后的软化特性,结合实际深井工程,验证了在 深部巷道围岩松动圈计算中应用损伤理论的可行性和准确性。在围岩弹塑性理论基础上,着重推导了基于Sidoroff 损 伤模型的围岩应力状态的损伤理论解析解。利用基于Mohr-Coulomb 准则的塑性理论以及分别基于Sidoroff 损伤模型 和双直线损伤模型的损伤理论,对巷道围岩松动圈厚度进行了计算。对比理论计算结果与现场测试数据,发现基于 Mohr-Coulomb 塑性理论的计算值误差约为19. 77%,利用损伤理论得出的松动圈厚度误差仅为6. 43%。验证了利用 损伤理论对深部巷道软化岩石围岩松动圈厚度进行预测的可行性,且得到的松动圈厚度更接近现场实测值,具有重 要的推广意义。
基于岩体质量分级的某金矿深部采场支护技术研究
王 玺, 刘兴全, 李正灿, 梁伟章, 刘 震, 武志明
2024, 53(9): 19.
摘要
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计量指标
深部矿岩支护参数选择的科学性、合理性是保障其长期稳定的关键。以山东黄金某金矿为研究背景, 采用三维数字摄影测量系统对矿区深部-620 m 中段17 线穿脉岩体进行结构面测量,获取岩体结构面产状、节理间 距、密度等参数,运用Q 系统和RMR 对岩体质量进行分级,得出-620 m 中段17 线穿脉岩体为Ⅳ级,岩体质量较差。 在此基础上,采用理论分析方法提出采场围岩支护方案,并运用FLAC3D 软件对支护方案进行模拟,分析支护前后采 场围岩位移、应力的变化和塑性区分布情况。结果表明:对于稳定性为Ⅳ级的围岩,采用“锚索+锚杆联合混凝土喷 浆”的支护方式,可有效控制顶板和两帮的变形,并降低应力集中,保障采场围岩的稳定性。本研究确定了合理的支 护方案,为矿山安全生产和支护设计提供了科学依据。
基于响应面法的采空区充填材料配比优化研究
张嘉勇, 邱艳兵, 崔 啸, 郭立稳, 郑庆学, 武建国, 关联合
2024, 53(9): 26.
摘要
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计量指标
为解决采空区垮落和瓦斯扩散问题,分别选用矿渣、粉煤灰和水泥作为充填材料的骨料、细料和胶结 剂,采用响应面法(Response Surface Method,RSM)设计配比试验,以质量浓度、材料比例和矿渣粒径作为单因素影响 因子,材料流动性、抗压强度和渗透率为响应目标值,分析料浆质量浓度、材料比例和矿渣粒径对充填材料流动性、抗 压强度和渗透性能的影响规律,并建立非线性回归方程,优化多目标条件下的充填材料配比。研究结果表明:① 粉煤 灰的火山灰效应会影响充填材料的水化反应进程,随着粉煤灰比例增大,各龄期的抗压强度先增大后减小,各龄期的 渗透率增大;② 矿渣表面粗糙,密度变化较大,在养护后期,随着矿渣粒径增大,材料抗压强度先增大后减小,材料渗 透率减小;③ 充填材料的最佳材料配比为水泥∶粉煤灰∶矿渣= 1 ∶3 ∶5,其中料浆质量浓度为80%,矿渣粒径为5~10 mm;④ 该配比条件下的充填材料浆体流动度为20. 5 cm,14 d 渗透率为0. 021×10-14 m2,14 d 抗压强度为22. 2 MPa。 研究成果为采空区减沉与瓦斯封存协同治理提供了基础参数和理论依据。
基于RHT 模型的胶结充填体动力学特性数值模拟研究
程爱平, 李鑫鹏, 尹 东, 王 平, 郑先伟
2024, 53(9): 34.
摘要
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计量指标
胶结充填体作为人工矿柱,在地下爆破开采中经常受到冲击荷载作用,其稳定性受到严重影响。基于 RHT(Riedel-Hiermaier-Thoma)损伤本构模型,利用ANSYS/ LS-DYNA 软件开展不同冲击速率(2、3、4、5 m/ s)下不同灰 砂比(1∶4、1∶6、1∶8)胶结充填体的SHPB 动态冲击数值模拟试验研究,探讨胶结充填体动态抗压强度、强度增长因子、 吸收能与冲击速率之间的关系,阐明胶结充填体动态破坏模式及破坏过程。研究结果表明:① 胶结充填体试件的动 态抗压强度、动态强度增长因子均随冲击速率增加而增大,且相同冲击速率下灰砂比越高,胶结充填体的动态抗压强 度越大,但动态强度增长因子越小;② 胶结充填体吸收能随着冲击速率增加而逐渐递增,呈线性增长趋势,且灰砂比 越高吸收能增长越快;胶结充填体破坏过程表现为试件端部首先出现损伤,轴向、横向裂纹依次出现,裂纹扩展直至 贯穿并向内部发展,最终完全破坏,失去承载能力;③ 以上结论同时验证了RHT 模型参数取值的准确性,RHT 损伤本 构模型的成功应用,为开展胶结充填体动力学特性相关数值研究提供了参考。
黏性细尾砂料浆流变特性初步研究
朱庚杰, 侯 晨, 宋泽普, 朱万成
2024, 53(9): 42.
摘要
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计量指标
为探究黏性细尾砂料浆流变特性,以某金矿细尾砂料浆为研究对象,借助流变仪、pH 计、ICP-OES、Zeta 电位仪多种手段开展料浆保水性、触变性研究,分析了金矿细尾砂料浆流变特性,探讨了料浆从层流到紊流的转变及 扩展度与流变参数的关系。结果表明:① 细尾砂的黏土矿物成分含量高和比表面积大的特点是影响料浆保水性、触 变性、流动性以及层流—紊流转变的重要内因;② 黏土矿物溶出碱阳离子使电动电位下降引起吸附水膜厚度降低,但 共用吸附水膜的细尾砂颗粒间吸引力也因此增强,促进絮网结构形成和发展,使絮网结构强度提高,絮网内包裹水量 因此增加,再加上较大比表面积使水膜面积增加,导致料浆吸附水量增加;③ 细尾砂黏土矿物成分越多,比表面积越 大,被破坏的絮网结构恢复重建越困难,触变性越明显,通过增加剪切速度和降低料浆浓度可弱化触变性;④ 细尾砂 料浆属于宾汉塑性体,黏土矿物和较大比表面积有助于使料浆维持层流,使料浆屈服应力、刚度系数增加和扩展度降 低,扩展度同时受屈服应力和刚度系数控制且遵循负幂函数关系。
复杂破碎巷道支护难度分级方法研究与应用
李德贤, 王文杰, 黄永祥, 张鹏强, 朱文韬
2024, 53(9): 51.
摘要
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计量指标
为解决复杂破碎巷道支护方式选取缺乏定量化方法和标准、支护效果不稳定等难题,以金川三矿区为 例,基于灾变耦合原理得到巷道变形破坏耦合路径,选取岩石强度应力比、矿岩破碎系数及岩体结构等级作为巷道支 护难度评价指标,利用改进的LEC 分级评价方法提出了巷道支护难度分级方法,将支护难度划分为Ⅰ~ Ⅳ级。根据 所提支护难度分级方法对该矿1 438 m 分段进行了快速分级,并依据不同分级结果采取了对应的支护策略,支护效果 良好。研究表明:所提巷道支护难度分级方法能够快速实现复杂破碎巷道支护级别分类,具有较高可靠性,为实现巷 道安全、经济支护目标提供了技术支撑。
垂直溜井中物料的冲击夯实过程及其作用特征
马强英, 曹 朋, 马 驰, 路增祥, 王少阳
2024, 53(9): 58.
摘要
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计量指标
垂直溜井卸矿过程中的冲击夯实作用影响着储料矿岩的流动性和井壁的稳定性,也是引起溜井堵塞、 井壁失稳的重要因素。针对溜井上部卸矿的冲击夯实作用机理,通过离散元数值模型模拟垂直溜井卸矿过程,分析 了冲击夯实作用效果,研究了冲击夯实作用对贮矿段储料内力链结构分布、空隙率和贮矿段井壁侧压力的影响特征。 在当前溜井结构参数下,贮矿高度40 m 时,研究表明:① 冲击夯实作用过程包括下落、碰撞、挤压、反弹、覆盖5 个阶 段,冲击力依次经过点冲击、面冲击向空间扩展;② 应力传递过程中,储料面以下4 m 范围内的力链会发生断裂和重 组,其余范围的力链被加强或延长,储料整体的力链结构分布变化甚微;③ 冲击夯实作用对储料面以下5 m 范围内的 空隙率影响较大,其余范围内的储料空隙率的变化率不到1%;④ 卸矿过程中,溜井储料面附近井壁会承受较大的冲 击作用并造成井壁冲击损伤;同时冲击夯实作用提高了溜井贮矿段中下部的井壁静态侧压力,进而加速井壁磨损和 增大悬拱发生率。
不同粗糙度与围压下断层黏滑失稳的数值模拟研究
崔 鹏, 李地元, 弓 昊, 方旭刚, 罗平框, 蒋京泰, 肖 磊, 张发宇
2024, 53(9): 65.
摘要
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计量指标
断层断面粗糙度与围压大小对断层黏滑过程中的力学特性具有重要影响。以某深部矿山断层周边的 白云岩为研究对象,通过建立精细化数值模型,开展围岩试件的双轴压缩数值模拟,分析围压大小与断面粗糙程度对 断层矿震失稳的影响规律。研究结果表明:随着断层粗糙程度JRC 值与围压增大,围岩试件的弹性模量与弹性极限 增大,轴向峰值应力增大且与变量之间保持正相关关系,试件剪胀效果减弱,围岩试件发生黏滑事件的次数减少,平 均应力降数值与黏滑周期增大,导致断层活化被抑制,且一旦断层发生失稳,释放的能量大震级高;围岩试件的微观 破坏机制以剪切为主、拉伸为辅,宏观表现为拉剪混合破坏;法向力链的热点分布区域平行于加载方向,切向力链的 热点分布区域与剪切裂隙的热点分布区域相对应;随着断层粗糙程度JRC 值增大,断层黏滑后对周边围岩的影响范 围呈现多区域局部集中化分布;由围岩试件颗粒峰值速度分布可知,随着围压增大,断层黏滑后对周边围岩的影响范 围更广,且主要集中于上下加载端位置。
矿物工程
我国高硫铝土矿脱硫及伴生钴资源综合利用研究进展
张文谱, 王晓慧, 吴威龙, 赵开乐
2024, 53(9): 75.
摘要
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计量指标
铝土矿是战略性紧缺矿产资源,我国高硫铝土矿占比高,其高效开发利用有利于减轻我国铝工业原料 的供应压力。针对高硫铝土矿的资源特点,对高硫铝土矿脱硫研究现状进行了总结,综述了预先脱硫和氧化铝生产 过程中脱硫的优缺点;并基于浮选脱硫方式,探究了铝土矿中伴生钴资源的综合利用思路。高硫铝土矿脱硫的目标 是将硫含量降低到符合氧化铝生产或其他工业应用的要求。焙烧脱硫、浮选脱硫、沉淀法脱硫等是高硫铝土矿脱硫 的主要方式。其中,浮选脱硫是脱硫方式中较为成熟的工艺,具有效率高、成本低的优点;浮选脱硫也是伴生钴资源综 合利用的关键一步,工业推广前景可观。对高硫铝土矿伴生钴资源进行综合回收,能够提高资源综合利用率,提高国 内钴资源的自给率,降低对国外资源的依赖程度。对于高硫铝土矿伴生硫钴资源的回收利用,选冶联合是综合回收 硫钴重点攻关方向。
组合药剂提升菱锌矿与白云石分选效果的机理研究
白俊智, 陈逸凡, 陈享享, 印万忠, 李 欢, 刘泽洪
2024, 53(9): 84.
摘要
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计量指标
易选硫化锌矿资源因大量开发而日趋枯竭,以菱锌矿为代表的氧化锌矿资源的高效开发利用愈发重 要。菱锌矿与白云石同属碳酸盐类矿物,晶体结构相似,表面性质相近,浮选分离困难。通过浮选试验,系统研究了以 油酸钠、十八胺、苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸及其组合为捕收剂,四聚磷酸钠和氯化钙作为组合抑制剂条件下,菱锌矿与 白云石的浮选特性。结果表明,单一捕收剂体系中,菱锌矿与白云石难以有效分选;水杨羟肟酸和油酸钠的捕收剂组 合具有良好的协同效应,四聚磷酸钠与氯化钙的抑制剂组合具有较高的选择性,可实现菱锌矿与白云石的高效分选。 采用晶体化学模拟计算、动电位分析、捕收剂吸附量分析等手段,对浮选结果与作用机理进行了阐释与验证。
焙烧预处理强化钼铜分离试验及机理研究
马敏洁, 韩跃新, 李 慧
2024, 53(9): 92.
摘要
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计量指标
为解决钼铜混合精矿的铜钼浮选分离难题,以某选厂钼铜混合精矿为研究对象,探究了焙烧预处理对 钼、铜浮选分离效果的影响。结果表明:焙烧预处理能有效改善钼铜混合精矿的浮选分离效果,确定的适宜焙烧预处 理条件为焙烧温度250 ℃,焙烧时间30 min。预处理产品采用1 粗2 精1 扫浮选流程处理,可获得钼精矿钼品位为 44. 30%、钼回收率为36. 58%,铜精矿铜品位为14. 23%、铜回收率为69. 62%。焙烧产品的XRD 和SEM-EDS 分析结 果表明,样品在焙烧过程中,主要矿物辉钼矿和黄铜矿均可发生氧化反应;当焙烧温度为250 ℃时,黄铜矿的表面氧化 程度远高于辉钼矿,从而增大了两者可浮性差异,为有效分离铜、钼矿物分离创造了条件。
弱碱环境下羧甲基壳聚糖对石英/ 钾长石浮选 抑制性能的影响
许 辉, 张鹏鹏, 胡义明, 李明阳
2024, 53(9): 98.
摘要
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计量指标
石英和钾长石属于性质接近的共伴生硅酸盐矿物,为改善石英常规浮选酸浸废液污染严重和常规捕收 剂十二胺泡沫量过大不利于浮选的问题,在新型二胺类捕收剂体系下通过纯矿物浮选探究了羧甲基壳聚糖在弱碱性 环境下对石英及钾长石浮选的抑制效果,同时通过Zeta 电位测试、红外光谱(FTIR)和X 射线光电子能谱(XPS)对产 生吸附的主要机制进行了分析。纯矿物浮选对比了2 种二胺类捕收剂的效果,其中1,10-二氨基癸烷(DAM)的捕收 性能优于1,8-辛二胺(ODM);在pH=9、捕收剂DAM 用量为20 mg/ L 的条件下,120 mg/ L 的羧甲基壳聚糖可对石英/ 钾长石体系中的石英产生有效抑制,此时回收率差异可达约52 个百分点,人工混合矿浮选结果也证明了羧甲基壳聚 糖可有效分离石英和钾长石。机理分析结果表明,羧甲基壳聚糖表面水解产生的多级胺基基团通过氢键作用吸附在 石英表面,同时大量羧基吸附大幅提升了石英表面亲水性,实现了无酸环境下石英和钾长石的有效分离。
某岩浆同化混染型鳞片石墨矿石选矿试验研究
牛艳萍, 张亚萌, 程 森, 何章辉
2024, 53(9): 105.
摘要
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计量指标
针对某岩浆同化混染型鳞片石墨矿石,开展了矿石性质及磨浮条件试验、开路流程试验及闭路流程试 验。试验结果表明,矿石属于花岗岩型,石墨呈中细粒鳞片结构,固定碳含量为5. 40%;矿石中主要矿物包括石墨、石 英、长石类、黑云母和黄铁矿等,其中石墨为回收目的矿物;石墨片径主要为0. 037~0. 178 mm,其中+0. 15 mm 鳞片石 墨占12. 32%,鳞片保护意义不大。原矿经1 次粗磨粗选,粗磨细度-0. 15 mm 占54%,粗选煤油用量60 g/ t、2 号油用 量48 g/ t,粗精矿经9 次再磨10 次精选,最终获得产率5. 52%,固定碳品位94. 52%,回收率为96. 67%的高碳石墨精 矿;精矿中-0. 045 mm 粒级产品占36. 09%,产品片径小,可用于制备球形石墨等深加工产品。对浮选精矿进行酸 浸—碱熔法化学提纯后,可获得固定碳含量99. 58%的石墨提纯产品。
赣东北银山矿田铜矿石工艺矿物学研究
匡文龙, 张跃权, 张志辉, 申 滔, 杨 铖, 陈健龙, 吴 荔, 程兴国, 刘百顺
2024, 53(9): 112.
摘要
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计量指标
为了掌握银山矿田铜矿石中伴生金的赋存状态及主要矿石矿物的工艺特征,利用光学显微镜、电子显 微镜、电子探针、XRD、MLA、选择性溶解试验等多种综合手段,对银山矿田铜矿石进行了系统的矿物工艺学研究。结 果表明:银山铜矿石中矿物主要为黄铁矿和黄铜矿,其次为黝铜矿、砷黝铜矿、斑铜矿、辉铜矿、铜蓝等;金矿物以自然 金为主,同时还有少量的银金矿,嵌存状态以包裹金为主,占46. 41%,粒间金占44. 17%,裂隙金占9. 42%;金矿物粒 度以微粒金为主,占94. 61%,还有少量细粒金和中粒金,未发现粗粒金及巨粒金。研究结果为制定适宜的选别工艺 流程和药剂体系提供了理论基础。
贵州某赤泥工艺矿物学特性研究
刘文宝, 张 覃, 王永伦, 沈岩柏, 刘文刚
2024, 53(9): 118.
摘要
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计量指标
为深入探究贵州某赤泥中铝铁钛矿物组成、嵌布特征及元素赋存形式,明确适宜的回收方法,对其开展 了工艺矿物学研究。分别采用化学多元素分析、激光粒度仪分析和SEM-EDS-BPMA 矿物自动定量分析系统对赤泥的 化学组成、粒度特性、元素分布和矿物嵌布特征进行了详细分析。研究结果表明,赤泥样品中富含铁、铝和钛等可具回 收价值的金属成分;赤泥粒度极细,-25 μm 的产率高达77. 60%。矿物组成复杂,主要矿物包括赤铁矿、铝硅酸铁、铁 铝硅酸钙和钙铁氧化物。赤铁矿富连生体较多,嵌布粒度较粗;然而,硬水铝石和金红石等矿物含量较低,嵌布粒度细 小,分布稀散,分离提取难度较大。本研究进一步明确了铝、铁、钛在赤泥中的赋存形式,为拜耳法赤泥制定高效利用 方案提供了重要矿物学依据。
CaO 固氟焙烧—盐酸浸出回收稀土钙热还原渣中 稀土试验研究
陈江安, 乐成涛, 余 文, 黄金秋
2024, 53(9): 125.
摘要
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计量指标
采用氧化钙固氟焙烧—盐酸浸出法回收稀土钙热还原渣(还原渣)中的稀土和氟化钙,研究了氧化钙焙 烧过程还原渣的转型机理、浸出过程的热力学和不同条件下稀土的浸出规律。热力学分析表明:升高温度能够促进 氧化钙和氟化稀土反应生成氧化稀土和氟化钙;CaF2 的存在会抑制稀土元素的浸出,而高浓度的Ca2+减少了F-溶出、 促进稀土浸出。浸出试验结果表明:在一定范围内提高浸出温度、浸出时间、盐酸浓度、液固比均能促进稀土的溶出。 适宜条件为:焙烧温度800 ℃、焙烧时间1. 5 h、氧化钙与还原渣质量比为1 ∶1、球团直径10 mm、焙烧渣磨矿时间3 min、浸出温度40 ℃、浸出时间1. 5 h、盐酸浓度4 mol/ L、液固比10 ∶1 mL/ g。在上述适宜条件下,稀土浸出率达到 95. 44%;浸出渣CaF2 品位为97. 02%,回收率为97. 88%,实现了还原渣的高效综合利用。
辽宁某氰化尾渣浮硫试验
周世杰, 刘文刚, 戴明君, 王永伦, 李维超, 刘文宝
2024, 53(9): 132.
摘要
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计量指标
为提升辽宁某黄金选厂氰化尾渣的综合利用效率,基于样品性质研究,采用单因素条件试验以及开路、 闭路试验分别考察了调整剂种类、捕收剂种类及用量、起泡剂用量、矿浆pH 值、扫选药剂用量对分选效果的影响,确 定了浮选回收工艺的适宜药剂制度以及工艺流程。结果表明:① 氰化尾渣中脉石矿物以铝硅酸盐为主,具有回收利 用价值的元素为S,赋存于黄铁矿中,是主要的有价回收组分。② 氰化尾渣-0. 038 mm、-0. 074 mm 粒级产率分别达 54. 98%和77. 44%,硫矿物解离较充分,浮选回收过程中不需要进行磨矿。③ 对因科法破氰后的尾渣,适宜的浮选药 剂制度为:捕收剂丁基黄药用量160 g/ t、起泡剂2 号油用量30 g/ t,扫选起泡剂用2 号油量10 g/ t、矿浆pH 值7. 2。在 上述药剂制度下,经过1 粗2 精2 扫的闭路浮选流程处理,最终可得到硫品位44. 20%、硫回收率58. 73%的浮选精矿。 本研究确定了氰化尾渣硫回收适宜的工艺条件,实现了黄金选厂氰化尾渣有价组分的高效提取和清洁化利用。
某铁基合金废料工艺矿物学及磁选回收试验研究
张 健, 韩跃新, 刘 杰, 张淑敏, 魏鸿全, 袁 帅
2024, 53(9): 137.
摘要
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计量指标
国内某合金磨屑废料中富含金属铁和铁氧化物,为实现其资源化利用,采用化学多元素、铁物相、MLA 和SEM-EDS 等手段进行了工艺矿物学研究。结果表明:原料主要物质组成为金属铁,含量为77. 52%;其次为铁氧化 物和铝氧化物,含量分别为11. 13%和8. 97%;原料中主要物质的粒度较细,铁氧化物和金属铁-38 μm 粒级产率分别 为72. 53%和63. 66%;原料中金属铁和铝氧化物的单体解离度较高,金属铁、铁氧化物以及铝氧化物之间的连生体可 通过磨矿实现单体解离。原料磁选获得了铁品位84. 92%、铁回收率92. 37%的精矿产品,其脱铝效果良好,但无法实 现硅的有效脱除。
矿山爆破
大断面隧道掘进爆破分区优化设计研究
汪 禹, 张西良, 仪海豹, 李龙福, 崔正荣, 杨海涛, 吴 林, 王潮汐
2024, 53(9): 142.
摘要
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计量指标
某隧道工程地质、水文地质等条件均较复杂,采用原爆破设计施工方案(常规“两步”台阶法)常出现隧 道断面超挖、冒顶等情况,严重制约了隧道工程建设,无法满足隧道工程建设目标,需对原设计方案参数进行优化调 整。根据隧道断面规格、工程岩性等条件,为控制隧道顶板暴露面积、防止顶板冒落及降低支护成本等,优选“CRD 法”“三步台阶”及“两步台阶”作业法,开展隧道爆破分区掘进试验研究,并严格控制隧道顶板周边孔布置间距(400~ 450 mm)。为降低隧道爆破数码电子雷管使用量,隧道顶部周边孔采用导爆索与32 mm 乳化炸药绑扎(胶布缠绕), 各炮孔间通过导爆索传爆,取代传统光面爆破参数。现场施工结果表明:Ⅴ级围岩隧道采用“CRD 法”施工,顶部超、 欠挖量满足技术规范;Ⅳ级围岩隧道采用“三步台阶”施工,炮孔残留率达60%~72%;Ⅲ级围岩隧道采用“两步台阶” 施工,炮孔残留率达84%~94%。优化传统光面爆破参数布置,利用导爆索实现顶部周边孔孔间传爆、孔内起爆,可总 体降低数码电子雷管使用量,降低爆破成本约18. 5%,该技术可为类似隧道工程及地下矿山巷道掘进爆破提供参考。
大型露天矿山深孔台阶爆破振动特征与安全控制
张文涛, 汪海波, 高朋飞, 王梦想, 程 兵, 宗 琦
2024, 53(9): 151.
摘要
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计量指标
为了减少采场附属设施受爆破振动效应的不利影响,对长九露天建材矿爆区进行了爆破振动监测。通 过回归分析、小波包分析对采场爆破振动传播规律及能量分布特征进行了研究,使用考虑概率的改进萨道夫斯基公 式对安全药量进行了推算。结果表明:三方向峰值振动速度中水平径向和垂向较大,水平切向较小。峰值振动速度总 体上与最大单段药量成正比,与爆心距成反比。现场多数测点爆破振动的主频为20 Hz 以下的低频。由于采用微差 延时起爆,段药量和微差间隔时间是影响峰值振动速度关键因素;通过回归拟合建立了符合现场地质、地貌和爆破条 件的爆破振动传播数学模型,其中垂向振动传播的方向性最明晰;采场爆破振动的能量分布在200 Hz 以内,且主要集 中在90 Hz 以下,随着最大单段药量和爆心距增大,主振频带的带宽减小并向低频端移动,低频带能量占比增大;增加 雷管段数在爆破近区减振效果不佳,在爆破远区减振效果明显。通过实测数据对比,使用考虑概率的改进萨道夫斯 基公式推算的安全药量相较于传统萨道夫斯基公式能更好地控制超出安全振动速度限值的小概率事件发生,有效提 高溜井在爆破施工过程中被保护的概率,对控制爆破参数设计有一定的参考意义。
离心不耦合条件下寒区碎软岩体预裂爆破参数 优化方法
潘祖瑛, 张西良, 仪海豹, 崔正荣, 杨海涛, 刘智兵
2024, 53(9): 161.
摘要
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计量指标
一般来说,预裂爆破采用同心不耦合装药结构,但由于药柱自身重力原因,药柱和炮孔壁贴合在一起, 这种情况可能增强了对预裂爆破保留岩体的损伤。基于传统预裂爆破技术,结合理论分析,提出了离心不耦合装药 条件下任意一点的不耦合系数计算公式,推导出其与同心不耦合系数的关系,并比较了2 种装药条件下预裂爆破对保 留岩体的损伤情况。以白云鄂博西矿为例,在现有2 种规格预裂药柱基础上,依据理论分析得出:在不改变预裂孔直 径的前提下,当预裂药柱直径为60 mm 时,需要对预裂孔孔距和预裂孔装药结构进行优化。通过开展现场试验,对预 裂孔孔距和预裂孔装药结构进行了优化,得出了最佳孔网参数。通过三维倾斜摄影技术建立三维模型,对孔网参数 优化前后的爆破效果进行了评价,孔网参数优化后半壁孔率提升了27. 09%。研究表明:孔网参数优化后,对于保护 采场边坡、维护边坡安全稳定具有积极作用,对于类似工程也有借鉴意义。
地质与测量
基于边缘卷积的点云配准网络
鲍 国, 刘思谋, 许士彪, 张秋昭, 段浩然
2024, 53(9): 167.
摘要
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计量指标
地下巷道结构狭长且支道繁多,在地下巷道中获取的点云需要进行点云配准获得完整数据,传统的点 云配准方法对点云初始位置要求高并且计算迭代次数多,在环境复杂且数据量巨大的地下巷道场景点云中配准效果 不佳且计算缓慢。因此,基于深度学习技术,以PCRNet 为基础并结合边缘卷积网络在局部特征提取中的优势,构建 了一种基于边缘卷积的点云直接配准网络DGRNet,该网络在特征提取模块利用边缘卷积核对输入的点云进行特征 提取,能更好地对三维点云的复杂特征变化和几何结构进行学习,提高了对场景局部特征的理解能力。试验结果表 明:DGRNet 网络在物体模型中对比其他网络在整体上有着更好的配准精度,并且在点云噪声影响下能够保持配准精 度稳定,有着较好的鲁棒性;DGRNet 在巷道点云配准场景中的4 种误差均最小,并且对比PCRNet 误差分别降低了 19. 0%、20. 1%、24. 2%、21. 0%。由此可见,DGRNet 网络能够进行高精度的点云配准,为复杂的地下巷道场景点云配 准提供了一种新方法。
基于轻量化YOLOX-S 与多阈值分割的 矿山遥感图像去噪算法
沈丹萍, 赵 爽
2024, 53(9): 175.
摘要
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计量指标
矿山遥感图像普遍存在大量的噪点,给后续图像分析和处理带来了很大困难。提出了一种基于轻量化 目标检测模型YOLOX-S 和多阈值分割的矿山遥感图像去噪算法。首先使用YOLOX-S 模型对矿山遥感图像进行目标 检测,得到矿山目标的位置信息。然后针对矿山目标的特点,设计了一种多阈值分割方法消除图像中的噪声点。通过 将图像分为若干个子区域,并对每个子区域采用不同的阈值进行二值化处理,最终将各子区域的二值化结果合并得 到去噪后的图像。试验结果表明:该算法能够有效地去除矿山遥感图像中的噪声点,并且在保留目标特征的同时,大 幅提升了图像质量。此外,由于采用了轻量化模型和多阈值分割算法,使得该算法具有较快的处理速度和较低的计 算成本,适用于大规模图像数据的处理任务。
机电与自动化
金属矿井智能通风平台开发与应用
李鸿蔚, 王海宁, 胡天寿, 唐文轩, 刘 欣
2024, 53(9): 181.
摘要
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计量指标
为解决金属矿井通风系统调控滞后的突出问题,合理设置矿井风流参数监测传感器建立矿井风流智能 监测系统,采用深度学习方法构建矿井通风系统AI 算法模型,应用矿井通风三维仿真系统模拟数据库训练和测试AI 算法模型,形成风流参数智能感知系统。应用多属性决策理论和方法,依据矿井需风量调控要求,建立了矿井通风智 能调控系统。根据矿井智能通风原理,提出了包含矿井通风三维仿真系统、风流监测系统、智能感知与决策系统、智能 控制系统的金属矿井智能通风系统架构和智能调控方法,开发了矿井智能通风系统运行管控软件平台。在某金属矿 山的工程应用结果表明:矿井智能通风系统能实时智能感知作业区域的风流参数,且误差低于5%,解决了制约金属 矿井智能通风系统建设的关键技术问题;可实现矿井通风系统实时动态智能调控、井下火灾风险点的实时监测和预 警预报、主扇一键反风、矿井通风数据统计与分析等。研究成果对于确保矿井风流按需有序流动、保障矿井通风系统 稳定可靠运行、有效预防矿井中毒窒息事故发生、节约通风能耗等具有重要意义。
基于机器学习的矿井通风数据清洗系统设计
刘国榜, 朱 政, 方 挺
2024, 53(9): 190.
摘要
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计量指标
针对矿山通风系统数据中普遍存在的噪声、异常值和冗余等问题,提出了一种基于机器学习的数据清 洗方法,旨在为矿井智能风险预警、通风策略调整和环境管理等决策过程提供可靠数据。构建了一个包含环境监测 参数、风机运行参数和安全运营参数等关键参数的数据集,该数据集支持数据清洗算法开发,并且作为评估数据清洗 方法的基准。基于构建的数据集,提出了一种综合性的机器学习驱动的数据清洗框架。首先,采用自回归模型对时间 序列数据中的缺失值进行估计和填补,该模型能够有效利用数据的时间相关性,提高缺失数据处理的准确性。其次, 引入孤立森林算法,通过构建多个随机树来孤立和识别数据点,该模型适合处理高维通风数据中的异常检测问题,能 够有效提高异常值的识别率。最后,使用K-均值聚类算法,通过分析数据特征将相似数据点聚合,以减少重复或相似 的数据记录。试验结果表明,提出的数据清洗方法有效提高了矿井通风数据质量,为矿井通风管理提供了高质量的 数据支持,展现出良好的工程应用价值。
层级式机械装备健康指数模型及管理系统构建
王铭源, 王正国, 李济顺, 薛玉君
2024, 53(9): 198.
摘要
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计量指标
大型机械高端装备智能化是国民经济快速发展和国家安全稳定的重要保障。为解决零件、部件和装备 健康指数量化问题,结合零件特征参数和集群装备大数据,使用长短时记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)和互 相关系数均值方法构建了零件健康指数量化模型,采用模糊C 均值聚类和欧几里得范数(L2 范数)融合优化了健康指 数。以零部件自身权重为依据,提出了健康指数传递模型,解决了部件和装备健康指数量化问题。针对数据库和健康 管理系统实现问题,以矿井提升机为例,构建了基于工业互联网的层级式闭环系统,能够实现数据采集、边缘协同、状 态监测、故障诊断、量化评估和维修决策等方面的一体化集成。通过在洛阳中信重工示范应用,为大型机械高端装备 健康、稳定、智能运行奠定了基础。
基于Baseline-RFMDR 的主动式井下组合定位方法
李鸣铎, 汪金花, 孟庆港, 候金亮, 郭立稳
2024, 53(9): 207.
摘要
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计量指标
井下人员定位是井下安全生产的保障,也是智能矿山发展的关键技术。目前基于微机电系统(MEMS) 组合定位技术是智能矿山自主定位的研究热点,但由于MEMS 测量信号易受干扰,存在自主定位精度较低的问题。 针对井下低成本MEMS 自主定位精度低、稳定性差的问题,提出了一种基于基线—射频地磁航位推算(Baseline-RFMDR) 组合的井下定位方法。该方法以地磁匹配定位与行人航迹推算(PDR)定位为基础方程,利用巷道“标签对”短基 线作为约束条件的卡尔曼滤波解算的数学模型,能够有效控制地磁匹配和PDR 定位误差。选取了国家矿山应急救援 模拟巷道为试验场地,携带自主研发的低成本MEMS 集成自主定位装置进行人员动态定位试验,测试Baseline-RFMDR 定位方法的精度和可靠性。试验结果表明:研发的低成本Baseline-RFMDR 自主定位装置可以有效、连续地采集地 磁数据、行人姿态、行走数据,技术架构稳定;在行人连续行走条件下,PDR 定位前期精度较高,但是随着行人行走时 长增长,误差累积明显增大;地磁匹配不会随着行走时长增长发生累积,但是精度较低,大部分匹配误差在2 m 左右。 Baseline-RFMDR 组合定位总体精度明显优于PDR 定位和地磁匹配定位精度,在人员巷道前进方向坐标误差控制在 1 m 以内,为实现井下低成本、高精度自主定位提供了新思路。
基于Harris3D-FPFH-MC 的露天矿三维高精地图 重建算法
张继卫, 张 晶, 张 博
2024, 53(9): 214.
摘要
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计量指标
三维高精地图是露天煤矿智能运输系统的基础,针对露天煤矿大尺度高度变化场景的三维建图一致性 问题,提出了一种基于Harris3D-FPFH-MC 的三维地图重建方法。首先,采用改进动态半径滤波法对原始点云数据进 行预处理,去除点云中的噪声点;其次,采用RANSAC 法提取地面点云,对提取的三维点云采用最小二乘法构建地面 平面方程;然后,采用Harris3D-FPFH 扩展特征矢量,形成关键点的249 维描述矢量,基于相互一致性法获取点云匹配 对,计算2 帧点云之间的旋转和平移矩阵,构建三维地图;最后,在地图优化环节,增加延迟环节实现构建地图的后端 优化。试验结果表明:所提算法与传统Lio_Sam、Lego_Loam 等算法比较,减少了绝对轨迹误差和相对位姿误差,提高 了露天煤矿三维地图精度,有效避免了结构相似场景导致地图闭环错误或无法闭环的问题,保证了构建地图的精度 和鲁棒性,为点云配准技术在煤矿中的应用提供了技术支撑。
浓密机给料井结构优化及模拟仿真研究现状
王小宇, 崔宝玉, 王学涛, 张云海, 康长科
2024, 53(9): 220.
摘要
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计量指标
高效浓密技术具有高效率、占地少及指标良好等优点,作为浓密机的核心部件,给料井对浓密机运行效 果影响很大。基于此,从给料井结构优化和计算机模拟仿真实验两方面对给料井的研究现状进行了总结并提出了主 要研究方向。结果表明:① 给料井是浓密机的核心部件之一,结构合理的给料井能够提升浓密机的运行性能,降低溢 流固体含量、提高底流浓度并减少絮凝剂单耗。② 稀释给料井内料浆有利于絮凝,合理的剪切率和停留时间能够促 进絮凝作用,挡板结构和封闭式排料有利于布料均匀,可调控的稀释结构有利于增强给料井的工艺适应性。③ CFD 方法模拟实验是研究给料井的有效手段之一。提高模型精度,并采用实验与模拟相互验证方式逐步完善CFD 方法, 能够为给料井的研究提供强有力的支撑。④ 强化给料井内的絮凝作用,优化药剂添加位置,利用可调控自稀释技术, 提高给料井适应性及利用CFD 方法模拟工业全尺度给料井是今后的研究方向。
安全与环保
基于改进D-S 证据理论选择性集成的边坡稳定性评价
张化进, 吴顺川, 李兵磊
2024, 53(9): 229.
摘要
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计量指标
针对边坡稳定性预测算法选择困难和单个模型误判风险大的问题,建立了基于改进D-S 证据理论选择 性集成的边坡稳定性评价方法,为边坡稳定性初步评价提供方法依据。基于边坡稳定性主要影响因素,通过极限平 衡法构建了大型边坡稳定性评价数据集。引入基于边界距离最小化的基学习器选择技术,提升选择性集成模型的泛 化能力。提出了改进D-S 证据理论融合基学习器信息,降低了选择性集成模型决策过程中的不确定性和模糊性,解决 了现有边坡稳定性评价模型易误判和结果非一致性问题。仿真试验结果表明:改进D-S 证据理论选择性集成方法无 需复杂的数值建模与计算迭代过程,可直接客观地评判边坡稳定性状态,并从信息论角度给出边坡失稳概率。对比 传统机器学习方法,该方法有效提高了边坡稳定性的预测准确率,同时降低了预测结果的不确定性,实现了速度快、 精度高、稳健性好的广域尺度边坡稳定性评价。
基于GA-PSO 混合优化SVR 的边坡危岩体 稳定性评价模型
庞俊勇, 刘 俊, 郑靓婧, 李瑶鹤, 苏红艳
2024, 53(9): 237.
摘要
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计量指标
边坡危岩体稳定性评价是地质灾害防治的重要内容之一。传统的稳定性评价方法在求解复杂非线性 问题时存在着精度较低、收敛速度慢等问题,为此,提出了一种基于GA-PSO 混合优化支持向量回归(SVR)的边坡危 岩体稳定性评价模型。首先,通过采集大量的实测数据和监测数据,建立了边坡危岩体的训练样本集;然后,将SVR 算法引入稳定性评价中,利用其非线性映射性能拟合边坡危岩体的稳定性函数。为提高SVR 模型的优化能力,将遗 传算法(GA)和粒子群优化算法(PSO)相结合,形成了GA-PSO 混合优化算法,并用于求解SVR 模型中的优化问题。 选取了多个现场实际边坡危岩体工程案例进行了算法测试。结果表明:相对于传统方法,GA-PSO 混合优化SVR 模型 能够准确预测边坡危岩体的稳定性,并且具有较高的精度和较快的收敛速度。
基于无人机摄影测量的矿区地形三维重建及精度分析
车 巍, 杨秋翔
2024, 53(9): 245.
摘要
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计量指标
矿区地形三维重建对于矿区地形分析及安全生产具有重要意义。针对传统重建方式存在效率低、数据 更新速度慢、成本高等问题,提出了一种基于无人机摄影测量技术的矿区地形三维重建方法。该方法使用无人机进 行低空拍摄,利用SIFT 特征点匹配算法得到一系列匹配点,利用特征提取、空三测量、多视影像密集匹配技术,生成不 规则三角网格和纹理映射,实现对矿区地形三维模型的自动重建。试验结果表明:在足够数量和合理选取地面控制 点的情况下,所提方法可以获得较高精度的矿区地形三维重建结果;三维模型重建可以全面呈现矿区地形整体形态 和局部细节特征,同时具有高效和低成本等优点。所提方法可为矿区环境保护及相关分析提供更准确、高效、可靠的 地形信息数据源和技术支持。
库水作用下弱胶结碎石土力学特性劣化规律试验研究
王帝又, 王文松, 吴冠仲, 彭绍驰
2024, 53(9): 250.
摘要
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计量指标
弱胶结土广泛分布于金沙江两岸,其力学特性对水十分敏感。乌东德水库蓄水后,金沙江下游皎平渡 渡口及山洞遗址将处于水下60~90 m 处,开展库水对弱胶结土力学特性劣化规律的研究对于该遗址的保护具有重要 意义。对皎平渡地区弱胶结土分别开展了干燥、天然、饱和、泡水7 d 和泡水14 d 状态下的直剪试验、携剪试验和三轴 试验,分析了库水对弱胶结土力学特性的影响规律。结果表明,库水对弱胶结土力学特性的影响分为2 个阶段:土体 饱和前为第一阶段,主要受水的胶结和润滑等物理作用影响,弱胶结土的强度随含水率增大呈先升高后降低的演化 规律;完全饱和后为第二阶段,受水的水解和溶解等化学作用影响显著,其力学特性劣化程度随浸水时长增加不断增 大。此外,对比不同试验方法所得结果发现,试样制备过程中的扰动对弱胶结土强度测试结果有明显影响,整体上看, 携剪试验的测试结果依次高于直剪试验和三轴试验。研究结果可以为皎平渡遗址保护工程等库水作用下的土工结 构设计与防护提供依据。
鄂尔多斯红庆河采煤矿区生态需水研究
姜庆宏, 张靖雯, 郑春丽, 王 哲, 龙文毫
2024, 53(9): 260.
摘要
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计量指标
鄂尔多斯红庆河煤矿区处在西部干旱半干旱内陆区域,由于煤炭开采导致生态环境问题较为突出,该 区域水资源短缺、供需失衡,严重制约了矿区的生态恢复。在充分的自然概况调查基础上,将红庆河煤矿区生态需水 划分为天然生态需水和人工生态需水2 种类型。通过植被蒸散法对植被生态需水进行计算,使用马尔科夫链进行定 性预测,利用灰色预测模型GM(1,1)进行定量预测。结果表明:以2020 年为基准年,红庆河煤矿区总生态需水量为 37. 52×107 m3,天然植被每平方千米乔木、灌木、草地生态需水量分别为1. 11×106、1. 06×106、0. 36×106 m3;人工生态 需水量为1. 39×107 m3。进一步对研究区生态需水进行定性、定量预测,规划年(2025 年、2030 年、2035 年)矿区天然 生态需水量相比基准年分别上升了0. 61%、2. 57%和4. 57%;人工生态需水量分别上升了3. 60%、11. 51%和20. 86%。 研究结果可为该地区生态恢复中植被类型选择、水资源开发利用、合理调配水资源提供科学依据。
黄土区煤矸石排矸场重金属污染风险分析及评价
张治国, 朱海东, 郑永红, 胡友彪, 马庆斌, 吴 月, 孔自豪
2024, 53(9): 267.
摘要
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计量指标
为了探究黄土区煤矸石长期堆存产生的重金属污染问题,以宁夏王洼煤矿排矸场煤矸石和土壤为研究 对象,分析排矸场煤矸石和土壤的理化特性,测定煤矸石和底层土壤的重金属总量和有效态含量,并通过潜在生态风 险指数法评估煤矸石堆积过程中存在的生态风险,明确底层土壤中潜在危害性突出的重金属元素。结果表明:① 煤 矸石和底层土壤均呈碱性,煤矸石堆底层10 cm 和20 cm 深度的土壤全盐量大于1. 5 g/ kg,呈轻度盐化水平,煤矸石 的堆存对接触土壤层的盐分累积有一定的贡献。② 煤矸石底层土壤中Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Cd、As 和Hg 这8 种重金属 元素总量平均值低于宁夏土壤背景值。煤矸石中除As 元素外7 种重金属总量均高于底层土壤、对照点黄土和宁夏土 壤背景值,在底层土壤中Cr、Cu、Pb、Ni 和Zn 这5 种元素有效态含量均高于对照点黄土。③ 基于底层土壤中8 种重 金属元素总量评价,单元素潜在生态风险指数(Ei r )均低于40,综合潜在生态风险指数(RI)为85. 83<150,重金属元素 生态风险等级均为Ⅰ级低生态危害水平。因此,宁夏王洼煤矿排矸场煤矸石的露天堆存对底层土壤重金属元素含量 产生累积效应,但重金属生态风险等级为轻微水平,其中Hg 和Cd 元素是主要的生态风险贡献因子。研究结果可以 为半干旱黄土丘陵区煤矿固体废物安全堆存和环境生态修复提供理论指导。
矿物材料
基于响应面法的钒钛铁尾矿基地聚物配比优化
聂少君, 韩秀丽, 刘 磊, 孟广安, 邹 玄, 王 玲
2024, 53(9): 275.
摘要
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计量指标
为促进钒钛铁尾矿高质量、规模化地有效利用,以钒钛铁尾矿为主要原料制备地聚物胶凝材料,采用响 应面法Central Composite Design 设计,研究n(SiO2) / n(Al2O3)、Na2CO3 掺量和液固比对地聚物抗压强度的影响并揭 示强度形成机理,通过构建回归模型探究各因素对抗压强度的影响程度,以获得性能最佳配比。结果表明,n(SiO2 ) / n(Al2O3)对地聚物抗压强度影响最大,液固比影响最小,且三者之间存在一定交互作用。钒钛铁尾矿与偏高岭土在 碳酸钠激发作用下发生了聚合反应与水化反应,生成N—A—S—H 凝胶与C—S—H 凝胶等,同时钒钛铁尾矿的微集 料效应对地聚物抗压强度也有一定贡献,故地聚物强度形成主要来自胶凝体与集料间紧密交织组成的致密结构。当 n(SiO2) / n(Al2O3)= 2. 7,Na2CO3 掺量55%,液固比0. 25 mL/ g 时,地聚物抗压强度预测值为51. 769 MPa,试验值为 50. 320 MPa,相对误差在合理范围内,证实了响应面法能有效优化配比并具有较好的预测能力。
聚丙烯腈纤维调控水泥基充填材料凝结硬化与 力学性能研究
谭 琴, 戴勤友, 赵 岩
2024, 53(9): 283.
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计量指标
利用聚丙烯腈(PAN)纤维调控水泥基充填材料,对水泥基充填材料的凝结硬化时间、抗压强度、黏结强 度、抗弯强度和抗拉强度进行了分析,研究了不同纤维掺量(0. 5%、1%、1. 5%)和不同长径比(100、200、300)的聚丙烯 腈纤维对水泥基充填材料力学性能的影响。结果表明:当PAN 纤维掺量为1. 5%时,较CM 组(不掺PAN 纤维)的初 凝和终凝时间分别降低了11. 1%和5. 7%;PAN 纤维水泥基充填材料的抗压强度随着PAN 纤维含量增加而降低。与 CM 组相比,当PAN 纤维体积含量为0. 5%、1. 0%和1. 5%时,抗压强度分别下降了13. 0%、3. 7%和7. 4%;纤维掺量为 1%、长径比为200 的水泥基充填材料的抗弯强度较CM 组增加了78. 6%,增幅最大。水泥基充填材料的黏结强度和 抗弯强度先增加,然后随着PAN 体积掺量和长径比增加而降低;随着PAN 纤维掺入,水泥基充填材料的抗拉强度有 所提高,与CM 组相比,PAN 纤维水泥基充填材料的抗拉强度提高了36. 4%~418. 2%。