金属矿山

郭连军, 王雪松, 徐振洋, 李萍丰, 刘　鑫

2024, 53(11): 1.

摘要 ( 137 )

PDF (1999KB) ( 223 )

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为推动岩石破碎理论的发展,从地质学中岩石形成角度出发提出了岩石可视为具有抵抗破碎能力的 “内敛能量物质”这一概念。借助晶核破碎学中的观点,从微观角度将岩石破碎解释为岩石晶体间结合能的打破,说明了岩石破碎中的能量消耗与表面能有关,并给出了采用NSCB 劈裂试验的表面能计算方法,进而推导了岩石能量体的破碎能耗计算方法,基于此建立了岩石破碎程度指标。选取了已有文献中的试验参数,试算了具有代表性的岩石能量体破碎能耗值。结果表明:岩石能量体的破碎能耗随岩石目标破碎尺度减少而增大;在霍普金森试验中,未完全破碎条件下的岩石破碎能耗大于完全破碎条件,该部分能量由岩石内部损伤与塑性应变消耗;根据破碎能耗值定义计算的岩石破碎指标Ku,能够定量描述岩石的破碎程度,弥补定性描述的不足。研究结果丰富了岩石破碎理论,能够为岩石力学及相关岩石破碎工程提供参考。

倾斜矿体多采空区顶板破坏与冒落机理分析

周颜军, 汪　亮, 冯庆杰, 易云佳, 曹建立, 卢　悦

2024, 53(11): 11.

摘要 ( 110 )

PDF (4344KB) ( 121 )

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排山楼金矿上部矿体露天转地下阶段应用空场法开采,采空区已用诱导冒落+地表废石充填塌陷区的方法进行了治理;下部矿体进入海棠山国家自然保护区范围,地表不允许塌陷,但由于矿石品位低,继续沿用传统充填法势必造成矿床开采效率低、生产成本高、矿山经济效益差等问题。以地表保护区下低品位矿体充填法安全高效开采为工程背景,结合RG 井下电视系统监测结果总结了顶板上覆岩层裂隙分布与发展规律,分析了应力平衡拱与冒落拱演化机理,提出了稳定冒落拱的形成条件。基于现场监测与岩石力学参数试验结果,通过FLAC3D 数值模拟方法研究了倾斜多空区贯通与拉底过程中顶板破坏与冒落机理,探明了顶板冒落过程中围岩的应力和位移演化规律,以及诱发冒落的主导因素,并提出了基于地表安全性的冒落进程控制技术。研究成果可为该矿开发既满足地表保护需求又能低成本高效开采的工艺技术提供理论参考,对于类似矿山的采矿方法设计也有一定的借鉴意义。

基于三维离散裂隙网络的采场结构参数优化

李成龙, 王贻明, 张纯锋, 付　琛, 张宏荣

2024, 53(11): 20.

摘要 ( 47 )

PDF (3207KB) ( 101 )

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为保障深井矿山安全高效开采,以某铜矿为例,提出了一种基于节理裂隙的采场结构参数优化方法。首先,综合工程地质背景和Mathews 稳定图法,实现采场结构参数初选;其次,借助COMSOL 软件构建采场周围结构面的三维离散裂隙网络,通过与采场开挖模型耦合,重构结构面影响下的采场三维模型;然后,采用FLAC3D 数值模拟计算,确定不同采场结构参数方案的安全性指标;最后,运用多目标理想点法综合决策,获得最优采场结构参数方案。研究结果表明:结构面组成的裂隙网络会降低采场的稳定性,二步骤矿柱回采的采场稳定性远弱于一步骤矿房回采;采场宽度是影响采场稳定性的关键因素,采场宽度与开挖后产生的最大位移和最大拉(压)应力呈正相关,与安全率呈负相关;采场结构参数也受采场形状影响,确定的采场面积存在对应的最优采场结构参数。综合考虑经济因素得到的最优采场结构参数为采场宽度10 m,采场高度15 m。

粉煤灰尾砂胶结充填的温度效应试验研究

石勇宾, 张治强, 杨　彧, 刘秀良, 梅位行, 陈鑫峰, 柳蕴洋

2024, 53(11): 28.

摘要 ( 55 )

PDF (1513KB) ( 87 )

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近年来,充填采矿技术应用愈发广泛,对充填体性能的探索也愈发深入,研究发现充填料浆温度对充填体性能具有显著影响。为探究温度对充填体性能影响规律,有效降低充填成本,采用正交设计方法,开展了粉煤灰尾砂胶结充填体强度和流动性试验,建立了不同温度效应下的充填体早期抗压强度、料浆坍落度回归预测模型,揭示了料浆温度对充填料浆管道输送性能、充填体力学性能的影响规律。研究表明:各因素均对充填体抗压强度产生显著性影响,料浆温度对强度影响极其显著,敏感程度依次为料浆温度、质量浓度、粉煤灰掺量。充填体强度随料浆温度和质量浓度的增加而逐渐变大,随粉煤灰掺量增加而减小;质量浓度和料浆温度均对充填料浆坍落度有较大影响,而粉煤灰掺量的影响程度较小。

多宝山铜矿非稳固巷道岩爆倾向性与楔形体稳定性分析

王建华, 高　永, 秦绍龙, 曹学文, 赵兴东

2024, 53(11): 37.

摘要 ( 48 )

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在矿产资源开发过程中,确保矿石安全高效开采至关重要,而巷道围岩稳定性分析是确保安全开采的关键。聚焦多宝山铜矿不稳固巷道,针对岩爆倾向性和围岩楔形体2 个因素展开研究。通过现场工程地质调查,综合运用人工测量法与三维激光数字测量法,对特定区域进行岩体结构面产状测量,获取了节理裂隙的详细信息。经室内岩石力学试验获得了矿岩的各项物理力学参数,采用弹性能量法和脆性系数法判定其岩爆倾向性较弱或无。采用 Q 系统分级、RMR 分级和GSI 这3 种方法,对其岩体质量进行评估,确定其围岩为中等稳固。利用Unwedge 分析巷道楔形体的稳定性,发现不同区域楔形体形态、尺寸各异,其稳定性受节理裂隙分布、岩体物理力学性质、地应力等多因素影响,部分楔形体需进行加固处理。研究表明:多宝山铜矿地质条件复杂,开采中应充分考虑各因素对岩体稳定性的影响,采取加固、监测及定期评估等工程措施,以保障矿山安全生产。

热损伤花岗岩能量演化机制及损伤本构模型

赵　奎, 李从明, 曾　鹏, 熊良锋, 龚　囱, 黄　震

2024, 53(11): 45.

摘要 ( 46 )

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对25、200、400、600、800 ℃处理后的花岗岩开展单轴压缩试验,研究了温度变化对花岗岩力学性质、能量演化机制的影响,并建立了不同温度处理后的花岗岩损伤本构模型。研究结果表明:温度由25 ℃增加至800 ℃时, 花岗岩峰值应力和弹性模量逐渐减小,峰值应变逐渐增加,花岗岩逐渐由脆性向延性转变。高温后花岗岩能量演化曲线具有相似性,峰前弹性能逐渐增大,耗散能先增大后减小,峰后弹性能急剧减小,耗散能突增。峰值应力处花岗岩总能量和弹性能随温度增加呈先增大后减小的规律,耗散能随温度增加逐渐增大。弹性能耗比变化反映了热损伤花岗岩损伤变形阶段的转变,随着温度增加,热损伤花岗岩压密阶段占比增加,弹性和塑性变形阶段占比降低,峰后阶段占比增加。通过弹性能耗比识别了热损伤花岗岩应力—应变曲线压密阶段,并基于损伤力学和Weibull 统计分布理论建立了考虑压密阶段热损伤花岗岩分段本构模型,该模型理论值与试验值具有良好的一致性,能够准确描述热损伤花岗岩的变形破坏过程。

点荷载强度计算模型现场试验修正及效果验证

陶志刚, 王　翔, 毛亚东

2024, 53(11): 55.

摘要 ( 40 )

PDF (1789KB) ( 101 )

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点荷载试验为常用的岩石单轴抗压强度间接测试方法,对工程设计和施工开展具有指导作用。针对点荷载强度指数计算方法展开研究,在进行大量实际点荷载试验获得相应结果的基础上,对试验数据进行统计分析并在计算公式中引入新的变量以期对现有的点荷载强度计算方法进行优化。对长山壕金矿岩体进行了采样、试样制备与点荷载试验,采用统计方法对点荷载试验结果进行分析得出优化方法,并以同采区同位置岩样的单轴抗压强度作为参考值,将多种计算结果与参考值进行了对比分析。结果表明:改进后方法的计算结果更贴近岩样实际单轴抗压强度,且相同试验、相同数据条件下的计算结果离散性处于较低水平,为现场试验条件有限时估算岩样单轴抗压强度提供了一种可靠的点荷载强度指数计算方法。

周期扰动作用下软弱夹层剪切蠕变特性研究

杨启帆, 胡　斌, 王泽祺, 崔　凯, 王宏芮, 崔喜兴

2024, 53(11): 62.

摘要 ( 51 )

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动力扰动效应影响下的岩石蠕变特性研究,一直是岩土、采矿等领域关注的热点和难点问题,严重影响了边坡和地下岩土工程的安全稳定性。为研究周期扰动效应影响下软弱夹层(炭质泥页岩)的剪切蠕变特性,开展了不同扰动周期下软弱夹层分级加载剪切蠕变试验,得到周期扰动效应对软弱夹层剪切蠕变特性的影响规律。基于改进的开尔文体和黏塑性体(考虑损伤变量D 和加速蠕变阈值τs),引入扰动突增变形元件,构建了一种周期扰动效应影响下软弱夹层的新型剪切蠕变模型。研究结果表明:① 随着扰动周期延长,软弱夹层的分级剪切蠕变应变值和累积剪切蠕变应变值均随之逐渐增大,蠕变总时长呈明显减小趋势,延性破坏特征增强;② 随着扰动周期增加,软弱夹层的减速蠕变时间变长,稳态蠕变速率出现波动且波动程度不断加大;软弱夹层达到或超过破坏级剪应力后,其蠕变速率先减小,其后逐步趋向于零;③ 基于软弱夹层剪切蠕变特性,利用Levenberg-Marquardt 优化算法确定了模型参数并验证了所建蠕变模型的可靠性。

中国钒钛磁铁矿资源概况及综合利用技术进展

严伟平, 张博远, 杨耀辉, 李　伦, 李维斯

2024, 53(11): 70.

摘要 ( 84 )

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钒钛磁铁矿是以铁、钒和钛为主金属的复合型矿产资源,通常伴生有铜、钴、磷、钪等多种有价组分,具有综合回收利用价值。在概述了中国钒钛磁铁矿资源特点的基础上,针对资源逐渐贫细杂化、综合利用水平较低的状况,着重就预选工艺、铁精矿提质降杂工艺、微细粒钛铁矿选别工艺、伴生资源回收利用工艺技术进展进行了总结,最后分析了目前钒钛磁铁矿选矿存在的工艺技术问题,并指出高效、清洁、可持续发展是未来钒钛磁铁矿选矿技术发展的大方向。

新型捕收剂DPY-4 反浮选酒泉铁矿焙烧后的磁选精矿

朱一民, 丛　璐, 陈培宇, 韩跃新, 刘　杰

2024, 53(11): 81.

摘要 ( 50 )

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酒钢选矿厂铁矿石矿物组成复杂、矿石品位低、共伴生成分较多,其磁选精矿铁品位低、石英等脉石矿物含量高,属于难选铁矿石,酒钢选矿厂采用反浮选流程处理焙烧磁选精矿。新型常温反浮选捕收剂DPY-4 可提高铁矿石的品位及回收率,为难选铁矿石的高效反浮选药剂。为研究该捕收剂对该矿石分选的有效性,进行了系统的选矿试验和机理分析。对石英和磁铁矿进行纯矿物浮选条件试验,在DPY-4 浮选体系下,当pH= 5、温度25 ℃、DPY- 4 用量为20 mg/ L、抑制剂玉米淀粉用量40 mg/ L 时,石英和磁铁矿的回收率分别为92. 51%和4. 46%。针对酒钢选矿厂悬浮磁化焙烧后的三段磁选精矿进行反浮选试验,在矿浆温度25 ℃、DPY-4 用量300 g/ t、玉米淀粉用量600 g/ t、pH =9. 5 时,获得的开路浮选精矿铁品位60. 48%、铁回收率69. 24%,闭路浮选精矿铁品位58. 35%、铁回收率94. 05%、 SiO2 含量为4. 62%。DPY-4 不仅捕收能力强,而且选择性优异,这主要是因为DPY-4 在石英表面能发生强烈的吸附作用,包括物理吸附和氢键吸附,玉米淀粉在石英表面吸附较弱,而对磁铁矿的作用相反。

鞍山式贫赤铁矿尾矿预先分级-再选试验研究

马艺闻, 张伦旭, 刘　杰, 金　丹, 李　洋

2024, 53(11): 88.

摘要 ( 47 )

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为提高鞍山某铁尾矿的综合利用率,在工艺矿物学研究基础上进行了选矿试验研究。结果表明,铁尾矿试样中的主要成分SiO2 含量为79. 77%,TFe 品位为9. 05%,有害成分S、P 含量极低;试样中的主要铁矿物赤铁矿含量为9. 47%,次要铁矿物为磁铁矿、褐铁矿,主要脉石矿物石英含量高达73. 02%,其他脉石矿物少量;试样中的铁主要以赤褐铁的形式存在,分布率高达72. 55%,磁性铁分布率仅为14. 72%;试样粒度较粗,-0. 074 mm 产率仅 44. 68%,铁在细粒级有明显的富集现象。试样经脱粗(+0. 074 mm)—1 粗1 精磁选—1 粗2 精2 扫、中矿顺序返回流程反浮选,获得了TFe 品位为60. 56%、回收率为41. 76%的再选铁精矿,产率为55. 48%的+0. 074 mm 高硅粗砂,TFe 品位为7. 33%、回收率为31. 02%的磁浮选综合尾矿产率仅38. 28%,达到了较好的选铁、提粗砂、尾矿减量化的高效综合利用目标。

乌干达某铁铌多金属矿石中铌与重晶石的回收试验

张丽军, 熊文良, 陈　达, 郭　姚, 蔺慧杰, 刘能云, 李潇雨

2024, 53(11): 94.

摘要 ( 47 )

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乌干达某铌多金属矿原矿风化严重,矿石性质复杂,属极难选多金属矿,矿石TFe 品位为39. 78%,REO 品位为1. 79%,Nb2O5 品位为0. 62%,BaO 品位为7. 68%;主要脉石矿物为石英、长石和高岭石等。为了高效回收利用该矿石资源中伴生的铌和重晶石,以现场磁选铁尾矿为对象,采用重磁联合预富集、反浮选分离铌与重晶石的工艺流程进行了选矿试验。试验结果表明:现场磁选铁尾矿采用1 次摇床重选、1 次弱磁选、1 粗4 精1 精扫2 扫闭路浮选流程处理,最终可获得Nb2O5 品位7. 33%、回收率41. 94%的铌精矿,BaSO4 品位94. 23%、回收率50. 98%的重晶石精矿。研究结果可作为现场开展伴生铌和重晶石回收工艺改造的依据。

菱铁矿磁化焙烧冷却氧化过程研究

纪振明, 周廷波, 高　鹏, 李　杰, 孙永升

2024, 53(11): 100.

摘要 ( 41 )

PDF (2214KB) ( 82 )

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菱铁矿作为我国复杂难选铁矿石的代表之一,资源储量巨大。实现菱铁矿资源的有效开发利用,对我国钢铁工业的可持续发展具有重要的战略意义。在对菱铁矿开展悬浮磁化焙烧试验及冷却氧化试验基础上,通过X 射线衍射分析(XRD)及振动样品磁强计(VSM)等手段重点研究了冷却氧化过程中的物相转化和磁性转变规律。结果表明:氧化温度和氧化时间对氧化过程有显著的影响,O2 浓度的影响较小。随着氧化温度的升高,焙烧产物的氧化程度不断加深,氧化产物饱和单位质量磁矩不断减小。在氧化温度为200 ℃ 至400 ℃ 时氧化反应剧烈,不断生成 γ-Fe2O3 和α-Fe2O3。焙烧产物氧化过程中,磁铁矿主要以Fe3O4→γ-Fe2O3→α-Fe2O3 顺序发生氧化,氧化产物磁性不断减弱,氧化反应基本完成的时间为6 min。

球磨整形提高石墨固废基电热板力学性能研究

秦国兴, 任子杰, 宋昱晗, 李　达, 杨云平, 吕　阳

2024, 53(11): 106.

摘要 ( 38 )

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为改善电热板的力学性能,利用石墨矿开采废石为骨料,经过球磨整形,在添加球形石墨尾料、水泥、减水剂等的情况下制备了电热板材,试验研究了磨矿条件对试块力学性能的影响。结果表明:① 石墨废石骨料经研磨, 颗粒表面棱角性降低,堆密度提高;球磨整形骨料的粒度与原料相似,符合板材制备的基材配比要求。② 磨矿整形骨料制备的电热板试块的抗压强度得到有效提高,抗折强度变化不大。③ 适宜的球磨整形条件为磨矿浓度60%、磨矿时间15 min、球磨机转速100 r/ min,对应的28 d 试块的抗压、抗折强度分别达53. 30、8. 60 MPa,与原料制备的电热板试块相比分别提高12. 90、1. 43 MPa。

基于VMD 及能量熵的隧道爆破振动信号降噪方法

叶海旺, 钟　航, 周汉红, 欧阳枧, 龙桂华, 雷　涛, 李立峰, 王炯辉, 赵明生, 余红兵

2024, 53(11): 111.

摘要 ( 40 )

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为从监测信号中获得真实的隧道爆破振动信号,引入一种基于变分模态分解 (Variational Mode Decomposition, VMD)及能量熵的隧道爆破振动信号降噪方法。首先,在不同K 值条件下对监测信号进行变分模态分解,得到一系列本征模态分量(Intrinsic Mode Function,IMF),计算各模态分量与原信号的相关系数,根据相关系数确定最优 K 值;然后,对原信号进行变分模态分解,得到一系列中心频率由高到低的本征模态分量,计算每个模态分量的能量熵,确认噪声与信号的分界;最后将信号分量进行重构,得到降噪后的隧道爆破信号。将该信号降噪方法应用于实际爆破振动信号处理,结果表明:与经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)降噪法相比,信噪比更高,剩余能量百分比更高,均方差更低,反映出所提降噪方法在隧道爆破振动信号处理中具有一定的适用性。

基于震动波干扰叠加优选合理孔间微差时间的试验研究

褚夫蛟, 王作鹏, 李铭涵, 丁明海, 庞如顺, 韩景松

2024, 53(11): 118.

摘要 ( 30 )

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为解决某地下矿山深孔爆破震动过大影响地表村庄的问题,采用爆破震动半周期干扰叠加方法减小爆破震动。依据地震波干扰叠加减震原理,采集不同药量对应下的单孔爆破震动波形图,得到逐孔起爆震动图像,并求得5 个孔的爆破震动半周期分别为13. 7、14. 1、8. 3、14. 5、12. 1 ms,由此取8、10、12、14 ms 作为后续试验的孔间微差时间,再选取18 ms 作为对比原爆破与新爆破设计的中间值参与后续孔间微差爆破试验,100 ms 作为排间微差时间的爆破方案进行试验。为评价爆破震动衰减程度,对采集的原爆破设计的爆破震动信号进行了萨道夫斯基公式回归分析,求得与爆破条件、岩石特性等有关的场地系数k =222. 09、震动衰减系数α =1. 47。试验结果表明:采用12 ms 孔间微差间隔时间起爆时,爆破震动无震动增大点,平均减震率30. 8%,最大减震率达到了74. 19%,震动半周期较集中的 14 ms 孔间微差时间爆破数据中,虽然有效减震点的平均减震率达到了50. 31%,但是出现了44. 44%的震动增大点, 通过对比发现,12 ms 减震效果最好。基于改变微差时间使震动波干扰叠加实现减震的方法原理简单、实用性强,在工程施工方面具有一定的推广优势。

基于D-InSAR 技术的矿区地表沉降规律分析与趋势预测

朱权洁, 谷　雷, 刘晓云, 尹永明, 朱斯陶

2024, 53(11): 125.

摘要 ( 51 )

PDF (2665KB) ( 84 )

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井工煤矿开采会导致地表沉陷,损坏地表建筑物、影响生态环境,甚至诱发滑坡、泥石流等灾害,对地表沉陷发展规律的准确分析和预测具有重要的现实意义。以东滩煤矿6306 工作面为试验对象,选取覆盖该区域的19 景Sentinel-1A 影像数据,开展了基于D-InSAR 技术的地表沉降规律分析与预测研究。基于“二轨法”获取了试验区域的时间序列数据,构建了SAR 影像数据分析方法与处理流程;结合矿区实测数据和Sentinal-1A 影像数据,验证分析了 6306 工作面对应的地表沉降规律;构建了基于LSTM 算法的地表沉降预测模型,对比分析了LSTM、SVR 和灰色 GM(1,1)3 种方法预测的准确性和有效性。结果表明:D-InSAR 技术的监测精度高(最大误差为18. 3 mm,平均差值为5. 4 mm),区域广,可有效获取地表形变的时空演化规律;此外,相较于传统SVR、灰色GM(1,1)预测模型,所提出的LSTM 模型平均误差约为2. 98 mm,具有更高精度。

一种基于分段加权赋参的厚松散层矿区沉陷预计方法

孙志豪, 徐良骥, 刘潇鹏

2024, 53(11): 132.

摘要 ( 25 )

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概率积分法作为一种通用的采煤沉陷预计方法,在厚松散层矿区应用中存在边缘收敛过快、沉陷预计失准等问题,给厚松散层矿区“三下”采煤及环境保护带来了一定的困难。为此,在概率积分法基础上提出了一种基于分段加权赋参的厚松散层矿区沉陷预计方法,将监测点根据工作面位置划分为内、外2 个区段,分别获取相应预计参数,利用建立的自适应赋权模型对其预计结果进行加权组合;在此基础上,为提升参数反演精度,分别基于标准粒子群算法和自适应模拟退火粒子群算法进行参数反演研究;同时,为提升赋权模型性能,建立了2 种自适应赋权模型进行模型优选。试验结果表明:与概率积分法相比,基于分段加权赋参的沉陷预计方法计算的下沉预计值与实测数据更接近,2 种赋权模型计算结果的残差平方和分别为0. 007 1 m2、0. 005 8 m2,小于概率积分法的0. 020 3 m2;2 种赋权函数模型相比,模型2 精度更高、效果更好;相同条件下,自适应模拟退火粒子群算法精度优于标准粒子群算法。试验结果验证了矿区分区段预计的可行性,反映出该方法能够有效解决概率积分法在厚松散层矿区应用中边缘收敛过快的问题,对厚松散层矿区的沉陷预计有一定的参考意义。

基于峰谷能耗成本的露天矿新能源矿卡调度优化

顾清华, 彭一凡, 王　倩, 白昌鑫

2024, 53(11): 142.

摘要 ( 36 )

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随着国家“双碳”战略目标的实施和传统矿山向绿色化智能化矿山转型,针对新能源矿卡可进行能量回收、不同时间充电成本差异的特性,提出了一种考虑电价峰谷因素的露天矿新能源矿卡调度优化方法。首先,考虑矿卡充电电价波动、道路坡度变化等因素,构建了以能耗成本最小化、等待时间最小化、矿石运量最大化的多目标优化模型,更合理地规划了新能源矿卡的峰谷充电时间,并通过能量的再生制动与回收利用节约了能耗成本。其次,根据新能源矿卡调度模型复杂、优化参数多的特点,改进了基于非支配排序的反向学习差分进化算法。在快速求解多目标模型调度方案的同时,提高了算法最优解的收敛能力。最后,以华北某大型露天矿山为例进行了仿真应用,并与经典的智能进化模型求解算法进行了调度方案对比分析。应用结果表明:该方法能够快速得到当前班次车辆调度的满意方案,并大幅降低了新能源矿卡生产运输的能耗成本,实现了降本增效目的,也为新能源矿卡推广提供了理论依据和应用方案。

基于注意力增强YOLOv5l 的矿粉品位识别算法优化研究

丁鹏益, 徐振洋, 郭连军, 王雪松

2024, 53(11): 151.

摘要 ( 33 )

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现阶段传统化学分析方法获取品位存在费时费力等问题,通过图像识别分析块状矿石品位又存在形状干扰严重的问题,为此提出了一种基于YOLOv5 针对矿石矿粉特征的图像识别方法。同时,在训练过程中添加卷积注意力模块(Convolutional Block Attention Module,CBAM)、挤压和激发模块(Squeeze and Excitation Module,SENet)进入训练网络,通过注意力机制增强学习矿粉具体特征的能力,将注意力聚焦于矿粉明显细节,忽略矿粉图中无用信息,提高识别精度;其次通过修改损失函数增强其分类效果,研究损失函数对矿粉识别效果的影响。研究表明:在铁矿粉品位识别中,添加CBAM 注意力模块的网络模型识别矿粉的训练精度达到86%,使用SENet 注意力模块的网络训练精度为80%,均略高于原有模型的79%,修改损失函数的网络模型训练精度降低了5%,得出YOLOv5l+CBAM 且损失函数设置为0. 5 的网络模型最佳。研究结果反映出所提方法对矿粉特征图像识别具有一定的适用性。

自动接卸钻杆液压机械手研发与应用

颜武刚, 王　毅, 代建龙, 王　锋, 未　崴, 尹千才

2024, 53(11): 158.

摘要 ( 32 )

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在大直径深孔钻机凿岩作业过程中,钻杆联接与拆卸是一个非常重要的环节,传统钻机的接卸杆以人工为主,劳动强度大、安全风险高、作业效率低。设计了一种高效、稳定的自动接卸钻杆液压机械手,以实现钻杆的自动抓取、转运和放置,提高作业效率,降低人力成本,增强作业安全性。通过对自动接卸钻杆过程的分析,明确了机械手的功能需求和运动特点,设计了机械手的整体结构,包括滑台、关节臂和夹爪等关键部件,并进行了优化和仿真分析, 提出了基于双阀芯电液数字阀控制技术的5 自由度液压机械手设计方法,有效验证了该方法的可行性。生产实践表明:所设计的液压机械手具有良好的抓取性能、运动性能和稳定性,可准确、快速地抓取、转运和放置钻杆,能够满足大直径深孔钻机凿岩作业自动接卸钻杆的需求。该机械手在大直径深孔凿岩作业中具有广泛的应用前景,尤其对以下向凿岩阶段空场采矿法等采矿工艺为主的地下矿山实现自动化、智能化乃至无人化开采具有重要现实意义。

基于离散元方法的旋回破碎机碎矿过程研究

郭　舟, 陈　伟

2024, 53(11): 167.

摘要 ( 43 )

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旋回破碎机运行工况复杂,影响破碎机破碎性能的因素众多,为实现旋回破碎机内矿石破碎过程的动态可视化观测和定量化表征,提出了一种基于离散元法与离散破碎模型的矿石颗粒破碎仿真方法,采用该方法对某矿山旋回破碎机矿石破碎过程展开数值模拟。通过建立与工业旋回破碎机结构一致的全尺寸物理模型,基于物理试验标定矿石颗粒力学特性参数,以旋回破碎机生产率作为主要评价指标,将仿真结果与现场生产情况进行对比,结果显示二者误差极小,验证了仿真模型的准确性和可靠性,为旋回破碎机运行优化研究提供了一种新方法。

多径与非视距影响下的精确目标定位关键技术

胡青松, 李　鹤, 罗渝嘉, 王柳笛, 寇志豪, 李世银

2024, 53(11): 173.

摘要 ( 26 )

PDF (2220KB) ( 63 )

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多径与非视距传播使得定位系统难以准确测量收发节点之间的距离,严重影响定位精度,甚至导致定位失败。给出了多径与非视距场景下的目标定位框架,探讨了多径与非视距的成因和对目标定位的影响机制,综述了主流的视距信标识别、非视距路径识别及其针对性定位方法,主要有:① 非视距信标识别,包括基于距离测量识别和基于残差检验识别;② 视距信标中的非视距路径识别,包括基于统计特征识别、基于CSI 信息识别、基于传统机器学习识别和基于神经网络识别;③ 多径和非视距辅助的目标定位,包括利用视距信标的多径路径辅助定位、利用非视距信标的测距结果进行定位,以及仅用非视距信标进行定位;④ 多径与非视距场景下的盲定位,包括直接提取相位信息进行定位和基于滤波方法定位。最后,以矿井无人驾驶为例,分析了多径与非视距场景目标定位框架的应用方法, 并对未来研究方向进行了展望。

露天矿山智能网络视频三维建模技术研究

颜　宇, 周洪文, 陆世东, 晏承进, 柯　波, 黄嘉俊, 杨　彪, 常　剑

2024, 53(11): 185.

摘要 ( 41 )

PDF (3615KB) ( 81 )

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露天矿山智能网络视频三维动态监管与预警技术研究,是实现矿产资源储量利用实时化、精准化管理的关键,是矿政管理重要的基础性工作。将智能网络视频监控技术引入露天矿山矿产资源监管领域,提出了一种旋转双摄像头视频影像三维矿山建模方法。该方法采用共线方程与Brown 模型,实现摄像头的高精度标定;通过相对定向、模型连接、概略绝对定向和自由网光束法平差,实现时序影像自动定向;最后通过SGM 密集匹配与三维点云构网, 实现矿山三维建模。应用结果表明:所提方法可满足矿山储量动态监测的精度要求,实现矿产资源实时监管,提高矿产资源监管效能,为构建矿产资源动态监管系统提供理论依据和技术支撑。

基于分层强化学习的矿区无人驾驶车辆路径规划算法

魏晓娟, 李纪云, 巩　闯

2024, 53(11): 192.

摘要 ( 35 )

PDF (1401KB) ( 68 )

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在复杂而危险的矿区环境中,矿区无人驾驶车辆的路径规划涉及如何使车辆智能地选择最佳路径,以实现安全和高效运行。然而,传统的路径规划算法难以有效应对矿区内多变的路况和环境。提出了一种基于分层强化学习的矿区无人驾驶车辆路径规划算法,该算法通过分层强化学习技术训练图指针网络,求解矿区无人驾驶车辆路径规划问题。为将矿区无人驾驶车辆节点的向量映射成低维稠密向量,首先对图嵌入层的上下文向量进行均值化处理,用于保持网络的全局属性。再将交叉熵损失函数的范式加入分层强化学习的基准函数中,用于衡量2 个不同驾驶车辆间的差异分布程度。试验结果表明:该算法在复杂的矿区环境下能够实现高效、安全、智能的路径选择,且模型收敛速度、时间花费上的优化效果优于传统算法和专业求解器,并具有良好的适应性和泛化能力。研究结果对于提高矿区无人驾驶的自主性、效率和安全性具有重要意义。

基于多视觉传感器的矿井移动机器人目标定位模型研究

孙逍远, 薄煜明

2024, 53(11): 199.

摘要 ( 30 )

PDF (1782KB) ( 65 )

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矿井作业环境具有复杂性和危险性,很大程度上降低了井下移动机器人的定位精度,为此提出了一种基于多视觉传感器的矿井移动机器人目标定位模型。首先,设计了一个包含多个相机和深度传感器的传感器系统, 以获取丰富的环境信息。这些传感器通过与移动机器人协同工作,可以提供准确的三维场景感知能力。其次,提出了一种基于深度学习的目标检测和识别算法。通过训练一个区域深度卷积神经网络,可以从传感器获取的图像数据中准确地检测和识别井下的目标物体,如设备、人员等。然后,发展了一种融合定位算法,将传感器获取的视觉信息与机器人的运动模型相结合,实现移动机器人在井下的精准定位。该算法能够根据传感器数据和机器人的运动信息,实时更新机器人的位置和姿态,从而达到精确定位的目标。在实际矿井环境中对所提定位模型的有效性和鲁棒性进行了试验验证,结果表明:该模型能够在复杂且危险的井下环境中准确定位目标物体,为井下移动机器人安全和高效运行提供了可靠支持。

基于分数阶微分和聚类分析的矿岩三维图像裂缝提取算法

蒋　楠, 魏毅强, 隋丽丽

2024, 53(11): 205.

摘要 ( 36 )

PDF (1527KB) ( 62 )

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针对矿岩三维图像存在较大阴影和非均匀背景导致浅层裂缝容易误判的问题,提出了一种基于分数阶微分和聚类分析的矿岩三维图像裂缝提取算法。首先采用分数阶微分最小邻域值方法,消除图像背景噪声并增强裂缝边缘信息;其次改进MASK 匀光算法,提升算法的自适应能力,进一步用于提升图像对比度;最后采用K-means 聚类分析算法对矿岩三维图像进行裂缝提取。试验结果表明:该方法能够有效降低低光照情况下阴影对裂缝提取的影响,对噪声具有平滑效果,实际矿岩三维图像裂缝提取的准确率达到了91. 5%,为矿岩图像信息提取与判读分析提供了有效方法。

基于改进随机森林的矿井空气质量评价系统设计及应用

刘国榜, 朱　政, 方　挺, 黄锦坤, 董　冲, 刘强庆

2024, 53(11): 210.

摘要 ( 37 )

PDF (2288KB) ( 62 )

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为满足矿井变频通风系统对井下空气质量监测的需求,提出了一种基于改进随机森林的矿井空气质量评价方法,旨在精确监测矿井内部的空气质量,为变频通风系统推广应用提供重要参考,有效保障安全生产和矿工身体健康。首先,分析了矿井空气中污染物来源及其对矿工健康的潜在危害,选取CO、SO2、H2S、NO2 和粉尘这5 项主要污染物作为评价因子,建立了评价标准。其次,利用受试者工作特征 (Receiver Operating Characteristic,ROC)曲线下的面积(Area Under Curve,AUC)改进随机森林算法,对矿井空气质量进行了综合评价。试验结果表明:模型性能较优,泛化误差最小值仅为0. 017 7,测试数据分类准确性最高达97. 72%。基于改进算法开发的矿井空气质量评价系统, 能够有效实现对矿井空气质量评价,具有较高的鲁棒性和准确性,为智慧矿山建设和矿井空气质量评价提供了新思路。

极寒地区大型选矿厂智能通风系统研发与应用

宋政文, 费圣城, 朱国燕, 张　龙, 魏　涛, 刘　洋, 李小川

2024, 53(11): 219.

摘要 ( 29 )

PDF (3050KB) ( 62 )

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东北极寒地区大型选矿厂冬季封闭保温需求高,造成浮选车间通风不畅,引起夏季室内高温、选矿药剂气味滞留和浮选泡沫爆裂产尘聚集,严重威胁了车间作业人员职业健康。以东北某金属选矿厂为例,提出“疏通风流通道、调节通风流向、智能高效调风”的技术思路,开发了以顶部自动通风天窗、车间下部智能调风系统、车间环境监控系统组成的智能通风系统,解决了大型封闭车间温度、气味和粉尘聚集带来的职业健康威胁。通过现场试验和数值模拟等手段探明了通风系统性能,采用机器学习方法优化了车间风流调控策略,并制定了车间智能通风方案。结果表明:该系统通风效果显著,完全满足浮选车间的空气质量控制要求;在春秋两季只需启用内外侧4 台风机,即可实现低能耗下的车间最优风流调控;基于原型网络与多标签分类方法建立的风机启动项智能判别模型能根据车间各处的温度显示自动选择合适的风机启动项,其预测精度达到87. 69%,为管理人员选择风机最优启动项提供了依据。

对撞式喷吹与环形隔板协同改进除尘滤筒清灰性能研究

邢真强, 钟建芳, 吴泉泉, 高康泰, 李建龙

2024, 53(11): 227.

摘要 ( 27 )

PDF (4321KB) ( 60 )

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针对干式过滤除尘器的滤筒存在清灰“盲区”且整体清灰效果不足的问题,通过数值模拟研究了环形隔板安设和对撞式喷吹策略对滤筒内喷吹流场的影响,考察了环形隔板尺寸、喷吹压力比PR 对喷吹强度、喷吹均匀性、综合静压和喷吹耗气量的影响,分析了对撞喷吹与环形隔板对滤筒清灰的协同作用效果,探究了环形隔板及对撞喷吹最佳清灰参数。研究结果表明:① 环形隔板有利于减少滤筒顶部开口面积,抑制反弹的喷吹气流从开口处逸出,减小能量损失,环形隔板尺寸外径和内径[R,r] =[120,45] mm 时滤筒的清灰性能最佳。② 提高对撞式喷吹的PR 值有利于对撞形成的相对高压区域在滤筒内上移,但PR 过大会导致底部喷吹气流径直通过环形隔板中心而失去有效阻挡;分段对喷PR =[1. 00,1. 00,1. 33,2. 00]模式在保证喷吹性能的同时可以降低消耗的压缩气体,与环形隔板协同作用时尤其有利于促进滤筒上部区域对撞形成静压的蓄积,显著提升喷吹效果。③ 在推荐的最佳清灰参数([R,r] = [120,45] mm、喷吹压力比PR =[1. 00,1. 00,1. 33,2. 00])条件下,较普通单向喷吹时滤筒上部区域喷吹静压提升了 249. 1%、整体喷吹强度提升了63. 0%、综合静压提升了111. 6%、均匀性提升了26. 7%。

OCAA 两相泡沫除尘剂制备及关键性能参数研究

张　鑫, 李奇繁, 张　童, 胡胜勇, 张玉龙, 尹　海, 杨建敏, 张　宇

2024, 53(11): 236.

摘要 ( 29 )

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矿井机械化和智能化水平的提升使得矿山粉尘污染问题日益突出,泡沫降尘由于操作简单、除尘效率高被广泛应用于井下粉尘治理。起泡性能、稳定性能和湿润性能是制约泡沫除尘剂作用效果的关键参数。提出并制备了一种综合性能强的新型泡沫除尘剂OCAA,并对其性能参数和除尘机制进行了研究。首先对13 种典型的表面活性剂单体及其复配体的起泡性能和稳定性能进行测试,优选性能最佳的表面活性剂单体和复配体。其次选取不同性能的稳泡剂对复配体系的稳泡性能进行改善研究,确定复配体系中稳泡性能最佳的稳泡剂,并制备得到CAA 溶液。最后通过润湿剂对CAA 溶液的润湿性能进行提升,通过对比不同润湿剂的作用效果,确定了湿润剂成分为璜基琥珀酸二辛酯钠盐(OT-45),并制备得到了OCAA 两相除尘泡沫除尘剂。研究结果表明:当起泡剂成分脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、改性成分烷基糖苷(APG)、稳泡剂成分椰油酸甲基单乙醇酰胺(CMMEA)、湿润剂成分磺基琥珀酸二辛酯钠盐(OT-45)质量比为5∶5∶3∶1 时,OCAA 降尘剂具有最佳的起泡性能、稳泡性能和湿润性能。利用红外光谱表征OCAA 除尘剂的微观结构,研究了降尘剂作用前后煤体表面亲水官能团和疏水官能团变化规律,并结合OCAA 两相除尘泡沫除尘剂分子结构和分子之间的作用,揭示了OCAA 除尘剂与粉尘颗粒相互结合机理,从而得出煤分子表面亲水性增加的原因。研究结果进一步反映出OCAA 降尘剂可以改善粉尘表面官能团分布,增加表面亲水官能团数量,降低疏水官能团数量,从而提升其湿润性能。

高硫铁矿石预热氧化焙烧过程中SO2 的释放及原位固定研究

陈晓娇, 高文君, 赵　娜

2024, 53(11): 245.

摘要 ( 25 )

PDF (2023KB) ( 62 )

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在弱磁性难选高硫铁矿石的还原焙烧前进行预热氧化焙烧可以有效脱硫,为后续获得低硫铁精矿创造条件。为了更高效、低成本地解决脱硫问题,开展焙烧过程中硫的迁移、释放和固硫机理等研究至关重要。研究以硫含量2%的赤铁矿石样品为对象,开展氧化焙烧温度、气体流量对SO2 释放规律的影响试验,并利用X 射线衍射 (XRD)分析了焙烧熟料的物相组成和SO2 的释放机理。研究表明,添加20%固硫剂CaO 的固硫效率达77. 10%;DFT 理论计算出SO2 在CaO(100)表面的吸附能为-74. 856 kcal/ mol,电子转移量为0. 284 e;态密度分析揭示了反应机理: S 原子与CaO 表面O 原子之间发生了更大程度的电子转移,形成了较强的化学键。研究结果为实现脱硫从末端治理向过程控制的转变提供了基础理论。

基于CiteSpace 的钢渣处理与资源化利用研究动态可视化分析

范智禹, 李维娟, 王一雍, 李继东, 王耀武, 庞启航

2024, 53(11): 250.

摘要 ( 34 )

PDF (2161KB) ( 61 )

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为了更好地促进钢渣处理与资源化利用研究的发展,利用CiteSpace 软件对2000—2023 年相关文献年发文量、文献来源、作者机构和关键词进行了可视化分析。结果表明,年发文量总体呈上升趋势,发文作者和机构较多,但联系不紧密;关键词包括转炉钢渣、吸附、膨润土、力学性能、改性、去除率、废水处理、微晶玻璃、混凝土和安定性等;研究内容有钢渣-膨润土复合颗粒处理废水、钢渣基水泥的力学与胶凝性能、钢渣气化脱磷与循环利用技术等,其中钢渣-膨润土复合颗粒吸附水中金属离子是该领域的研究热点,钢渣碳酸化的安定性处理在近几年的关注度较高。

石墨固废基电热储能保温复合板材的性能研究

杨雨晴, 任子杰, 宋昱晗, 杨云平, 吕　阳, 李相国

2024, 53(11): 257.

摘要 ( 26 )

PDF (1489KB) ( 61 )

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石墨固废因其导电率高、稳定性好等特性,在电热复合板中表现出较强的应用潜力,为石墨固废的综合利用和石墨开发利用工业的可持续发展提供了可能。基于此,以分层涂抹方式,用石墨固废基电热板材与储热材料、保温材料复合制备出一种新型电热复合板材,并通过测试球形石墨尾料不同掺量和不同温度、湿度下复合板的体积电阻率,以及通电电压大小和相互连接方式对其发热性能的影响,探究了复合板材的应用性能。结果表明,电热层中球形石墨尾料最佳掺量为9%,复合板渗流阈值在8%~9%;调节交流电压为36 V 时复合板发热性能较好,发热速率较高,复合板表面温度升温较快;与串联方式相比,复合板间的并联具备更好的发热性能,表面发热速率为串联方式的2~3 倍。在此条件下制得的复合板性能较稳定,几乎不受环境温度、湿度的影响,为石墨固废基多功能复合板的实际应用提供了新的理论依据。

助磨剂对钢渣基胶凝材料性能的影响

刘淑贤, 黄　宏, 徐平安, 易春健, 苏　严, 聂轶苗, 王　玲, 于晓东

2024, 53(11): 269.

摘要 ( 38 )

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为了提高钢渣的胶凝活性及其在胶凝材料中的掺量,研究了不同单一助磨剂和复合助磨剂对粉磨产品的比表面积、筛余量、粒度分布的影响,以及对钢渣基胶凝材料试件抗折抗压强度的影响,采用X 射线衍射、扫描电镜和热重分析等手段探究了钢渣基胶凝材料试件的水化机理。结果表明:单一助磨剂对钢渣的助磨效果以及对钢渣基胶凝材料试件的抗折强度和抗压强度的提高幅度由强到弱顺序为三乙醇胺、1,2-丙二醇、乙二醇、丙三醇、硫酸钠;添加复配的复合助磨剂S2(三乙醇胺、乙二醇、1,2-丙二醇的质量比为5 ∶7 ∶7)粉磨60 min 的粉磨产品比表面积为495 m2 / kg,+45 μm、+80 μm 粒级产率分别为8. 7%、0. 8%;养护3 d 和28 d 试件的抗压强度比未添加助磨剂情况下分别提升53. 10%、36. 70%;助磨剂的添加使钢渣基胶凝材料试件的水化产物增多,水化程度进一步完全,添加S2 使钢渣基胶凝材料试件的水化产物Ca(OH)2 增多,微观形貌更致密、表面孔洞数量少,结构间空隙小,提高了钢渣基胶凝材料的强度。

H2SO4溶液作用下一元碱激发钨尾矿基胶凝材料强度及微观特征

夏炜燕, 刘之葵, 李善梅, 曹佳豪

2024, 53(11): 276.

摘要 ( 32 )

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针对碱激发材料的耐酸性,研究以NaOH、KOH 为激发剂,某钨尾矿为前驱体,设置3 种碱固比(碱激发剂质量与尾矿质量之比)、考虑3 种pH 值的溶液,分析了H2SO4 溶液作用下碱激发钨尾矿基胶凝材料试样的无侧限抗压强度变化规律,结合扫描电镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测试结果,探讨了H2SO4 溶液对碱激发钨尾矿基胶凝材料试样强度的影响机理。试验结果表明,蒸馏水对一元碱激发钨尾矿基凝胶材料试样强度的软化作用强于硫酸溶液,主要是由于难溶的硫酸钙以及生成的凝胶覆盖在试样表面减缓了酸腐蚀,且膜状凝胶抵抗酸侵蚀的能力强于三维网状凝胶。硫酸溶液作用下碱激发钨尾矿基胶凝材料试样的强度受碱类型、碱浓度和溶液浓度共同影响。研究结果可为钨尾矿资源化利用提供科学依据和参考价值。

无活性固废作为细骨料对充填体强度的影响与优化

张果瑞, 王赟潇, 刘羿甫

2024, 53(11): 284.

摘要 ( 33 )

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将无活性固废材料(污泥)部分替代细骨料制备污泥细骨料充填体,通过微观结构表征和物理力学试验,分析了不同掺量(0%、4%、6%、8%、10%)污泥细骨料充填体的流动度、初凝时间、终凝时间、吸水率、孔隙指数等物理特性和抗压强度,并优化了污泥细骨料的最佳掺量。结果表明:含4%、6%、8%和10%污泥细骨料的充填体试样流动性分别比不掺污泥细骨料的充填体试样降低了3. 0%、11. 2%、12. 2%和14. 3%。污泥细骨料掺量为4%、6%、8%和 10%的试样没有发生显著的流动性降低问题;养护28 d 后,掺入8%的污泥细骨料充填体试样力学性能最优,其抗压强度为51 MPa,较不掺污泥细骨料充填体试样(42 MPa)提升了21. 4%。污泥细骨料掺量为4%、6%、8%和10%的试样抗压强度较不掺污泥细骨料试样分别提升了9. 5%、19. 0%、21. 4%和14. 3%,反映出污泥细骨料的掺入显著提升了充填体抗压强度。在水中浸泡28 h 后,不掺污泥细骨料充填体试样较掺污泥细骨料充填体试样吸收了更多水,反映出后者孔隙指数低于前者,吸水率也较低。掺入6%的污泥细骨料充填体试验初凝和终凝时间最长,一定掺量下的污泥细骨料延长了凝结时间,污泥细骨料的最佳替代率为8%。

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