金属矿山杂志

金属矿山杂志2023年第08期

• 硫化铜钼矿浮选分离抑制剂研究进展

  祁梦瑶,彭伟军,曹亦俊,陈湘根,晁彦德,王伟,张龙玉,黄宇坤

  铜钼是重要的有色金属,对战略性新兴产业发展具有重要作用。 硫化铜钼矿是铜钼金属的主要来源,其中黄铜矿和辉钼矿共伴生关系紧密且可浮性相近,两者的浮选分离一直是矿物加工领域的难题和研究重点。 硫化铜钼矿常用的浮选分离工艺有“抑铜浮钼”和“抑钼浮铜”两种,分别通过添加黄铜矿抑制剂或者辉钼矿抑制剂来扩大黄铜矿和辉钼矿可浮性差异,进而实现两者的深度分离。 近些年来,黄铜矿无机抑制剂如氰化物类、诺克斯类药剂因环保和安全问题已被严禁使用,目前在工业上使用较多的是硫化钠类抑制剂。 与此同时,黄铜矿有机抑制剂的开发和研究逐渐增多,巯基类、硫脲类、羧酸类等小分子抑制剂和生物大分子、聚合物类抑制剂都被广泛关注。 除此之外,使用臭氧、次氯酸盐、过氧化氢等氧化剂或电催化氧化、加热氧化等手段来预处理抑制黄铜矿的研究也逐渐增多。 对于辉钼矿来说,常用的抑制剂有木质素磺酸盐、果胶、卡拉胶、O-羧甲基壳聚糖、黄腐酸等。 详细总结了目前已报道的黄铜矿无机抑制剂、黄铜矿有机抑制剂、黄铜矿组合抑制剂、黄铜矿氧化剂及氧化手段和辉钼矿抑制剂,并对它们的作用机理和优缺点进行了对比分析。 黄铜矿无机抑制剂虽然药效较好,但用量和对环境危害较大;黄铜矿有机抑制剂虽然也有很好的选择性抑制效果,但复杂的生产工艺和昂贵的生产成本严重限制了其工业化应用;相比之下,氧化预处理在“抑铜浮钼”工艺中具有很大的应用前景,但仍需寻找开发更绿色、低耗的氧化方法。 辉钼矿抑制剂一般为一些有机大分子,其中含有的大量亲水官能团会使得药剂在浮选过程中丧失选择性,因此辉钼矿抑制剂的设计可以考虑从与其表面吸附的特异性离子进行作用入手或基于辉钼矿晶面的各向异性,设计开发与辉钼矿“棱面”暴露的钼原子具有选择性作用的抑制剂。 抑制剂是黄铜矿和辉钼矿浮选分离的关键所在,新型抑制剂的设计开发对于整个铜钼分选行业的绿色可持续发展具有重要意义。

• 氮杂环硫酮类浮选捕收剂研究进展

  傅荔莹,刘广义,黄耀国,刘俊,张志勇

  浮选药剂的发展促进浮选技术的进步。 随着矿产资源以“贫、细、杂”为突出特点,矿物间的浮选分离效率逐渐下降,目前,解决这一技术难题的主流方法是对已有捕收剂进行改性和复配。 然而,新近出现的氮杂环硫酮类捕收剂有望进一步高效浮选分离与富集复杂金属矿产资源。 为此,论文综述了氮杂环硫酮类化合物用作螯合浮选捕收剂的研究进展,系统评述噁二唑硫酮、噻二唑硫酮、三唑硫酮、氨基三唑硫酮和四嗪硫酮等表面活性剂的合成与性质及其对铜、铅、锌、铁硫化矿物和氧化铜矿物的浮选行为和机理,并展望其浮选应用前景。 氮杂环硫酮类螯合剂用作浮选捕收剂,为矿产资源的高效开发利用提供新策略。

• 低阶煤浮选捕收剂及其作用机理研究进展

  屈进州,罗畅,李朋玉,朱红霖,周启文,李欣怡,朱张磊,李振,苗佳雨

  低阶煤约占我国主体能源煤炭的 57%,其洁净高效加工利用对煤炭行业落实国家“双碳”目标具有重要意义。 浮选是处理细粒( -0. 5 mm)低阶煤最为有效的方法。 但因低阶煤天然可浮性差、浮选捕收剂消耗量大等难题,其工业化至今未能实现。 为了降低低阶煤浮选捕收剂消耗量,提高其浮选性能,综述了非离子型、离子型和复配型表面活性剂类捕收剂,探讨并总结了其与煤表面的作用机理。 表面活性剂类捕收剂主要通过氢键作用、静电吸附等与煤粒表面作用。 非离子表面活性剂类捕收剂中苯环的存在有助于其极性基团中极性氧原子在低阶煤表面的吸附;离子表面活性剂类捕收剂对煤表面酚羟基的掩蔽作用强于羧基;复配表面活性剂类捕收剂的吸附是由表面活性剂与煤表面之间的静电与氢键作用、药剂长链对煤表面极性基团的覆盖作用、不同捕收剂之间的协同作用共同实现的。捕收剂的乳化有助于提高药剂的分散效果,复配表面活性剂形成的活性油泡可作用于煤表面的特定部位(疏水和亲水位点),明显提高药剂的选择性和黏附强度,降低低阶煤浮选药剂消耗量。

• 矿物浮选中常见黏土类脉石抑制剂研究进展

  车宇航,陈伟,朱阳戈,漆静,赵刚,杨柳

  黏土矿物主要是各种层状硅酸盐,由于硬度小,在矿物浮选体系一般以微细粒形式存在,往往会严重影响目的矿物的浮选,因而开发黏土矿物浮选抑制剂越来越重要。 综述了目前浮选体系中常见的黏土矿物晶体结构特性,并分类总结了常见的层状镁铝硅酸盐及已报道的浮选抑制剂类型和作用机制。 抑制剂类型可分为以水玻璃、磷酸盐为代表的无机抑制剂;以有机酸为代表的有机小分子抑制剂;以多糖为代表的有机高分子抑制剂,它们在结构上多具有磷酸根、磺酸根、羟基、羧基等作用基团,主要调节黏土矿物、目的矿物及气泡之间的疏水作用和静电作用。 指出各种黏土矿物影响目的矿物浮选的机理并利用抑制剂消除该影响机制,以及该过程中抑制剂的构效关系,是该领域未来的研究重点和药剂设计方向。

• 矿物捕收剂滑石对孔雀石的捕收作用及其机理

  印万忠,龙恺云,张西山,龙逸云

  为解决传统的孔雀石硫化浮选使用的药剂对环境污染较大的问题,进行了孔雀石的浮选试验,研究了以微细粒滑石作为“矿物捕收剂”直接浮选孔雀石的相关规律,并采用动电位、接触角、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和 X 射线能谱仪( EDS)结合等检测手段,探讨了微细粒滑石对孔雀石的捕收作用机理。 结果表明:滑石的粒度越小,比表面积越大,孔雀石表面滑石的吸附量越多,对孔雀石的捕收作用越明显,且其可浮性随着滑石吸附量的增加而增大。 机理研究表明,在 pH<7. 4 时,滑石通过静电作用吸附在孔雀石表面,依靠滑石的天然疏水性提高了孔雀石的可浮性;在滑石粒径 d50 = 96. 64 nm、比表面积为 505. 724 9 m2 / g、作用时间 8 min、用量 800 mg / L、pH 值为 5 的条件下,对孔雀石的捕收作用最强,此时孔雀石浮选回收率可达到 76. 72%,孔雀石表面滑石吸附量达到14. 44 mg / g,与仅添加起泡剂时比,孔雀石回收率提高了约 54 个百分点。 故微细粒滑石可作为孔雀石的矿物捕收剂。

• 辉钼矿浮选中无定形二氧化硅的流变学效应

  卜显忠,孙健,薛季玮,刘军,王森,宛鹤,张崇辉

  无定形二氧化硅常作为脉石矿物存在于辉钼矿中,但其对辉钼矿浮选的影响尚不明确。 采用 X 射线衍射与工艺矿物学相结合的方法定量分析了钼矿中无定形二氧化硅的含量。 分析可知,金堆城钼矿南、北露天矿和黄龙铺西沟钼矿中均存在无定形二氧化硅,含量分别为 4. 74%、17. 34%、9. 31%。 通过矿浆流变学试验、泡沫层高度测量试验和泡沫均匀性试验以及采用聚焦光束反射测量技术、实时在线颗粒录影显微镜,揭示了辉钼矿浮选中无定形二氧化硅的流变学效应及其对辉钼矿浮选指标的影响。 结果表明,无定形二氧化硅含量由 0%增至 6%,絮体特征粒径小幅增加,适度提高矿浆黏度,泡沫层高度增加,脉石矿物回收率降低,气泡尺寸适中,浮选精矿品位和回收率提高;无定形二氧化硅含量超过 6%后,絮体特征粒径大幅增加,矿浆黏度显著提高,泡沫不易生成,且脉石矿物回收率增加,造成浮选指标恶化。

• 三种常见捕收剂体系中 Ce3+ 对萤石和方解石浮选行为的影响

  汤家焰,何嘉宁,赵芳,时景阳,曹钊,王介良

  白云鄂博矿中存在稀土矿物,在浮选回收萤石时,Ce3+便成为了难免金属离子。 通过浮选试验、溶液化学分析以及 X 射线光电子能谱(XPS)分析研究了在油酸钠、十二烷基磺酸钠、苯甲羟肟酸 3 种常见捕收剂体系下,Ce3+对于萤石和方解石浮选行为的影响。 研究表明萤石和方解石表面对 Ce3+ 的吸附不同。 在酸性和中性环境中,Ce3+以 CeF3·0. 5H2O(s)的形式存在于萤石表面,增加了 Ce 活性位点,有助于萤石的浮选;Ce3+以 Ce2(CO3) 3·8H2O(s)的形式存在于方解石表面,由于结晶水和空间位阻效应的影响会使方解石浮选受到抑制。 强碱性环境,Ce3+ 大多以Ce(OH) 3 (s)的形式存在,会增加萤石和方解石表面亲水性,起到抑制作用。 由 3 种不同的捕收剂体系比较可知,苯甲羟肟酸体系中,Ce3+可显著提高萤石和方解石的选择性分离效果,所以应优先选择苯甲羟肟酸作为白云鄂博萤石浮选的捕收剂。

• 月桂酰胺丙基甜菜碱对赤铁矿反浮选性能及机理研究

  郭颖,刘文宝,刘文刚,沈岩柏,赵盼星

  两性表面活性剂月桂酰胺丙基甜菜碱(LAB)溶解性好、毒性低,还具有优异的发泡性能,具备作为捕收剂的基本条件。 将 LAB 作为捕收剂首次引入赤铁矿反浮选脱硅体系中。 为探究 LAB-35 对石英和赤铁矿的浮选性能,通过单矿物和人工混合矿浮选试验,分别考察了矿浆 pH 值、淀粉用量和 LAB-35 用量对石英和赤铁矿可浮性及分选性能的影响。 通过接触角、红外光谱、Zeta 电位和吸附量检测分析了 LAB-35 与石英和赤铁矿的作用机理。 结果表明:LAB-35 对石英具有良好的可浮性,对赤铁矿的可浮性较弱;在 pH 值为 6. 2、LAB-35 用量为 20 mg / L 和淀粉用量为 3 mg / L 的条件下,可获得铁品位为 66. 17%、回收率为 95. 34%的浮选指标;机理分析表明,LAB-35 与石英表面以静电吸附的形式发生作用,且在酸性至弱碱性条件下对石英的吸附能力较强。 综上所述,LAB-35 作为捕收剂在铁矿反浮选领域具有巨大潜力。

• 细粒级孔雀石浮选矿物表面的分段硫化机制研究

  马英强,汪子涵,杨绵延,宋振国,饶峰,印万忠

  为了探究细粒级孔雀石浮选中矿物表面的分段硫化机制,在细粒级孔雀石分段硫化浮选试验基础上,采用矿物表面动电位测定、药剂吸附量检测以及 X 射线光电子能谱等方法对药剂作用前后矿物表面电性、药剂吸附量以及矿物表面元素的种类和相对含量进行了分析。 结果表明,细粒级孔雀石的最佳硫化浮选段数为三段,此时孔雀石回收率最高达到 89. 54%,继续增加浮选段数回收率下降;三段硫化浮选的细粒级孔雀石矿物表面电负性最强,且此时细粒级孔雀石矿物表面生成的一价铜的多硫化物含量最高,硫化效果最好,有利于捕收剂的吸附,提高矿物的浮选回收率。

• 氨基三亚甲基膦酸在闪锌矿和方铅矿浮选分离中的应用

  王子豪,丰奇成

  氨基三亚甲基磷酸(ATMP)是一种被广泛使用的表面活性剂。 为探究 ATMP 作为一种潜在的闪锌矿抑制剂实现闪锌矿和方铅矿浮选分离的可能性。 通过微浮选试验,探究了 ATMP 在闪锌矿和方铅矿浮选分离过程中的作用效果,同时采用接触角测定、溶液化学计算、Zeta 电位检测以及 XPS 分析,研究了 ATMP 对闪锌矿的选择性抑制机理。 微浮选试验结果显示,ATMP 作为一种潜在的闪锌矿抑制剂具有实现闪锌矿和方铅矿浮选分离的潜力。 接触角测定结果表明,ATMP 能显著提升闪锌矿的表面润湿性。 Zeta 电位检测结果表明,经 ATMP 处理后,闪锌矿表面正丁基黄药(SBX)的吸附量显著降低。 XPS 分析表明,ATMP 在闪锌矿表面的吸附与其分子中的膦酸官能团有关。 ATMP 作为一种潜在的闪锌矿抑制剂具有实现闪锌矿和方铅矿浮选分离的潜力。

• 方解石与萤石同质转化及浮选分离机理研究

  谢顺昕,李育彪,陈锦凤,杨旭,刘瑞庆

  碳酸盐-萤石型矿物是萤石矿产资源最主要的赋存形式之一,其中与萤石具有相似晶体结构的方解石往往作为主要脉石矿物,二者在浮选体系中具有相近的表面化学性质,难以有效分离。 通过对阴离子预处理后的矿样进行浮选试验,探讨萤石及方解石阴离子对浮选行为的影响,基于溶液化学计算、分子动力学计算、接触角及吸附量分析,结果表明:方解石表面生成了萤石,萤石表面生成了方解石,两种矿物存在同质转化效应,揭示了方解石与萤石浮选分离困难的原因。 此外,在方解石与萤石共存的浮选体系下,F-对方解石表面的药剂吸附具有促进作用,CO32- 对萤石表面的药剂吸附具有抑制作用。 研究结果为含钙矿物的高效浮选分离提供了科学依据。

• 金属离子对微细粒锂辉石与长石浮选矿浆流变性的影响

  杨志兆,张博远,朱光杰,周贺鹏,罗仙平

  微细粒锂辉石浮选回收难度大,金属离子可在锂辉石矿物表面生成羟基络合物及氢氧化物沉淀,从而改变微细粒锂辉石矿物表面动电位、矿物颗粒分布状态和矿物颗粒尺寸等性质,使矿浆流变特性发生改变。 为充分了解金属离子对微细粒锂辉石和长石矿浆流变特征及其浮选行为的影响,开展了流变特性测试、浮选试验、表面动电位测试、EDLVO 理论计算和矿浆流体形态观测等试验研究。 结果表明:Mn2+、Ca2+和 Fe3+均能改变微细粒锂辉石和长石矿浆的表观黏度和屈服应力等流变特性,Mn2+在增大微细粒锂辉石矿浆表观黏度和屈服应力的同时也能提升其浮选回收效果,而 Mn2+在碱性条件下能抑制微细粒长石的浮选回收,从而扩大微细粒锂辉石和长石的可浮性差异;在Mn2+的活化作用下,微细粒锂辉石和长石颗粒间作用力以疏水作用吸引力为主导,矿物颗粒间的聚集效应加剧,使得矿浆悬浮液中网络状空间结构的强度进一步增强,改善了微细粒锂辉石浮选回收效果,为微细粒锂辉石矿浆流变性的定向调控及其浮选分离回收提供新的思路。

• BHA浮选锡石体系中锌组分活化机理的量子化学计算研究

  代龙富,刘建,李达,郝佳美,秦晓艳,高虎林

  锌的生物毒性和环境影响远小于铅,以锌替代铅组分活化锡石的浮选研究具有重要意义。 利用 MaterialStudio 软件中 CASTEP 模块探明了在苯甲羟肟酸(BHA)浮选体系中锌组分活化锡石表面的机理。 计算结果表明:锡石(110)面上 O(顶位)原子活性较强,可作为药剂吸附位点。 以 Zn( OH) +为代表的锌组分均可在锡石(110)面上以不同形式与 O(顶位)原子位点间发生吸附作用,形成 Zn—O 键;且在双桥形式吸附中,生成的 Zn—O 键稳定性更好。在 BHA 浮选锡石体系中,BHA 以双键 O 原子与锡石(110)面的 Sn 直接吸附,未形成螯合吸附,吸附稳定性差;然而,加入 Zn(OH) +对锡石(110)面作用后,BHA 分子中双键 O 原子和—OH 基团与 Zn 原子作用形成稳定的五元环螯合结构,提高了 BHA 在锡石(110)面的吸附能力和稳定性。

• 氟硅酸钠对金红石和石榴石浮选分离的影响及作用机理

  肖巍,杨娟,李和付,刘剑飞,赖春华,余俊甫

  为分离金红石与石榴石,在以亚硝基苯胲胺作捕收剂,硝酸铅做活化剂的体系中,研究抑制剂氟硅酸钠对金红石与石榴石浮选分离的影响,同时借助 Zeta 电位、接触角及 X 射线光电子能谱(XPS)分析了氟硅酸钠选择性抑制石榴石的作用机理。 单矿物浮选实验表明氟硅酸钠对石榴石具有明显的选择抑制效果,在 pH = 6. 5,抑制剂浓度80 mg / L 条件下,石榴石回收率仅为 6. 13%,金红石仍保持较好的可浮性,回收率高达 81. 53%,两者回收率差异高达75. 40 个百分点,接触角及 Zeta 电位试验表明氟硅酸钠在石榴石上的吸附强度明显高于金红石,石榴石与氟硅酸钠发生了化学吸附,氟硅酸钠中的SiF62-是抑制石榴石的主要组分,XPS 证明了 SiF62- 中的氟元素和石榴石表面的铁元素之间形成 Fe—F 化学键,石榴石表面没有了足够的活性位点供捕收剂作用,从而起到抑制石榴石的作用。

• 田菁胶对镜铁矿/石英浮选分离效果及作用机理研究

  张鹏鹏,杨诚,高翔鹏,王海川,李明阳

  镜铁矿在自然界中常与石英伴生,为提高镜铁矿 / 石英反浮选分离效果,通过单矿物浮选试验、Zeta 电位分析、吸附量测试以及 X 射线光电子能谱(XPS)研究了新型植物胶类抑制剂田菁胶在镜铁矿 / 石英浮选分离中的效果及吸附机理。 单矿物浮选试验表明田箐胶粉对镜铁矿具有明显的选择抑制效果,在 pH = 10、抑制剂浓度 30 mg / L条件下,镜铁矿回收率仅为 22%,石英仍保持较高可浮性,回收率高达 78%,两矿物回收率差异为 56 个百分点;Zeta 电位及吸附量试验表明田菁胶在镜铁矿上的吸附强度明显高于石英;XPS 结果证明产生抑制的主要原因是田菁胶中的羟基与镜铁矿表面的 Fe 产生了化学吸附。

• 抑制剂PBTCA对菱镁矿与白云石浮选分离的影响

  朱奥妮,唐远,李倩倩,徐长明,李智力,何东升

  菱镁矿与其主要伴生矿物白云石具有相似的晶体结构和表面性质,导致二者在常规浮选体系中难于有效分离。 采用新型螯合抑制剂 2-膦酸基-1,2,4-三羧酸丁烷( PBTCA)对菱镁矿和白云石进行单矿物和人工混合矿浮选研究,并通过动电位、接触角、红外光谱等检测手段对其选择性作用机理进行分析讨论。 结果表明,油酸钠捕收剂体系 PBTCA 对白云石浮选具有较强的抑制作用,而对菱镁矿浮选的影响较小。 在油酸钠用量 80 mg / L、PBTCA 用量40 mg / L、矿浆 pH = 9. 3 时,得到的混合矿浮选精矿 MgO 品位为 46. 95%、MgO 回收率为 82. 21%,菱镁矿与白云石可实现有效分离。 检测分析结果表明,PBTCA 通过化学作用与油酸钠在白云石表面发生竞争吸附,显著降低了白云石表面的疏水性,对白云石表现出较强的抑制作用,从而实现菱镁矿与白云石的浮选分离。

• 基于柴油微乳液的铝电解阳极炭渣浮选分离优化

  张宁宁,武美圻,李朋玉,石忠钰,韩瑞,朱张磊,李振

  铝电解阳极炭渣富含炭和电解质,两者的浮选分离中存在烃类油捕收剂分散性差、耗量大等问题。 以云南某电解铝厂的阳极炭渣为研究对象,分别以普通柴油和由 Span 80 与 CTAB 改性制得的微乳柴油为捕收剂进行浮选效果对比,并通过单因素试验和响应面试验对微乳捕收剂的浮选过程参数进行优化。 结果表明,铝电解阳极炭渣样品磨矿时间为 20 min 时浮选效果较好;柴油微乳捕收剂平均粒径 62. 22 nm,在水中较柴油具有更好的分散性;单因素浮选得出微乳捕收剂用量 400 g/t、矿浆浓度 15%、搅拌转速 1 800 r/min、充气量 0. 15 m3/h 时,碳回收率为75. 28%、浮选完善指标为 66. 80%;响应面优化分析得出当捕收剂用量 252. 47 g/t、矿浆浓度 27. 94%、搅拌转速 2 200r/min、充气量 0. 19 m3/h 时所得碳回收率与 1 200 g/t 常规柴油浮选时相当,捕收剂节约率达 78. 96%、柴油节约率达94. 15%。

• 聚天冬氨酸对菱镁矿与白云石可浮性的影响

  王鑫,刘榴,姚金,印万忠

  以油酸钠为捕收剂,在碱性条件下考察调整剂聚天冬氨酸( PASP)对菱镁矿与白云石可浮性的影响;通过接触角测量、红外光谱、XPS 分析以及吸附量测试分析了聚天冬氨酸在两种矿物表面的作用机理。 单矿物可浮性试验表明,油酸钠用量为 160 mg/L、pH = 11 的条件下,PASP 用量 3 mg / L 可以使菱镁矿与白云石之间获得 80. 78 百分点的显著单矿物浮选差;在人工混合矿浮选试验中,发现 PASP 可以选择性抑制白云石实现菱镁矿与白云石的分离。 接触角测量结果表明,PASP 显著降低了白云石的接触角,增强了白云石的亲水性。 红外光谱分析发现,PASP 在白云石表面发生化学吸附,阻碍了油酸钠对白云石的捕收,但由于 PASP 在菱镁矿表面的吸附很弱,对菱镁矿的可浮性基本没有影响。 XPS 分析表明,PASP 更容易吸附在白云石表面的 Ca 位点。 吸附量测试结果显示,PASP 能显著降低油酸钠在白云石表面的吸附量,而对油酸钠在菱镁矿表面的吸附影响较小。 因此,聚天冬氨酸是一种对白云石选择性作用较强的调整剂,可以实现菱镁矿与白云石的浮选分离。

• 深部金属矿超前序次释压机理与调控方法研究进展

  赵兴东,朱乾坤,代碧波,李怀宾

  深部金属矿开采已经成为金属矿床开采的重要组成。 在深部“三高一扰动”复杂工程环境下,采动地压灾害日趋凸显,严重制约矿山安全高效开采。 结合国内外深部采矿研究进展和多年工程经验,提出深部金属矿超前序次释压机理与调控方法,将采动地压调控分为基本地压调控和二次地压调控。 基本地压调控含采矿方法选择、回采顺序优化和隔离矿柱留设,二次地压调控含卸压爆破、锚喷支护和释能支护,并就地压调控技术分别进行详细阐释。 基本地压调控在采前即已完成,二次地压调控在开采中或开采后进行,调控策略选择基于采动地压灾害风险评估等级。 地压监测技术是确保地压调控技术成功实施的关键,诸多现场工程实践表明多点位移计、微震监测和钻孔电视是可行的监测手段。 随着数值模拟技术发展,矿山尺度精细三维数值模拟融合微震监测信息具有良好的应用前景,可以为深部矿山采动地压调控与防灾减灾提供借鉴。

• 石人沟铁矿采空区分段充填治理方案研究与应用

  田欣,何荣兴,张贤,张星宇,任凤玉

  石人沟铁矿开采 M2 矿体期间因下部民采空区突然冒透-210 m 水平,形成埋深大、规模大、不规则且位于主要生产区域的 M2 主空区。 空区形态三维探测结果表明,空区活动剧烈,顶板和周边围岩边界不断扩展,严重威胁了矿山安全生产。 根据石人沟空区特征和生产现状,提出了 4 个区段的分段胶结充填治理方案,通过室内充填料浆在冒落散体中的渗流特性及散体胶结充填体的强度特性实验,确定了充填料浆的浓度为 68%,底部充填区段料浆灰砂比为 1 ∶4,-270 m~ -165 m 水平充填料浆灰砂比为 1 ∶8,顶部充填灰砂比为 1 ∶12 的充填技术参数。 并利用 3DEC 模拟了分段充填后顶部围岩冒落范围的变化情况,结果表明,充填能够有效控制空区顶板和周边围岩的冒落和扩展,至少要充填至-210 m 水平,才能保证相邻矿体探采的安全性。 经过 2 个阶段的充填后,空区的冒落活动明显降低,只存在-165 m 水平以上的小范围零星冒落,空区充填效果显著。

• 超埋深高应力复杂地层巷道围岩损伤分区与承载结构特征研究

  雷显权,刘福春,严庆文,张帅帅,郭奇峰,王勇兵,汪小东

  巷道围岩损伤分区与承载结构是巷道岩层控制与支护设计的重要依据。 以云南某深井开采矿山 1 500m 埋深巷道为例,采用弹塑性理论分析、松动圈测试和数值模拟相结合的方法,研究了不同地层巷道围岩的损伤分区和承载结构特征,分析了不同围岩承载结构的差异及其与巷道稳定性的关系。 结果显示:① 巷道围岩松动圈深度范围为 0. 9~ 1. 9 m,平均为 1. 38 m;灯影组、宰格组、大塘组和摆佐组松动圈平均深度分别为 1. 7 m、1. 15 m、1. 17 m 和1. 5 m。 ② 数值模拟揭示巷道围岩破碎区深度范围为 0. 92 ~ 1. 63 m,平均为 1. 20 m;塑性区深度范围为 1. 48 ~ 2. 50m,平均为 1. 87 m;不同地层围岩损伤区深度由大到小排序为灯影组>栖霞—茅口组>宰格组>大塘组>摆佐组。 ③ 不同地层围岩承载区厚度差别不大,但承载区深度存在明显差异;关键承载区厚度范围为 1. 09 ~ 1. 34 m,平均为 1. 28m;关键承载区的内边界深度范围为 1. 22~ 2. 18 m,平均为 1. 58 m;不同地层围岩关键承载区深度由大到小排序为灯影组>栖霞—茅口组>宰格组>大塘组>摆佐组。 研究表明:在巷道规格及所处环境相同条件下,岩体强度是影响围岩承载结构和巷道稳定性的最主要因素;岩体强度越大,承载区深度越小,损伤区深度越浅,围岩变形量越小,巷道越稳定;对于锚杆支护,锚杆有效长度等于围岩关键承载区的内边界深度是比较合理的取值。

• 深部破碎矿体分段空场嗣后充填法采场结构参数优化

  刘鹏鹏,王贻明,周科礼,熊国雄,石大庆

  为确定深部破碎矿岩条件下采场合理结构参数,通过理论分析、现场测试以及数值模拟研究相结合的方法,对深部矿体采用分段空场嗣后充填法的采场结构参数进行分析与模拟。 首先,通过对井下不同岩体进行取样实验与工程地质调查,获得不同岩体的岩石力学参数与节理裂隙参数,采用 RMR 法与 BQ 法进行岩体分级,开展岩体质量评价,评估矿岩稳定性。 其次,采用 Mathews 图法,确定了铜绿山铜铁矿现有赋存条件下的采场结构参数合理范围。 最后,利用 Flac3D 三维数值模拟软件,对开采过程进行仿真模拟,结合采矿过程中的应力、应变等的变化,分析采场的稳定性,验证采场结构参数的合理性。

• 基于AHP-TOPSIS模型的某矿采场结构参数优选

  李加州,马俊杰

  为科学选择符合矿山实际生产条件的采矿方法及采场结构参数,以某矿山为例,将层析分析法( AnalyticHierarchy Process,AHP)与逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)相结合,提出了一种基于 AHP-TOPSIS 模型的采场结构参数优选方法。 研究表明:通过将损失率、贫化率、生产能力及采矿成本等因素作为评价指标构建的模糊评价矩阵能够准确优选出相应的采矿方案,通过综合评价,分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法为最佳采矿方法。 在此基础上,构建了基于 AHP-TOPSIS 的采场结构参数综合评判模型,并从 9 种采场结构参数方案中优选出了最佳的采场结构参数,即阶段高度为 65 m,矿房长度为 25 m,矿柱长度为 28 m。 矿山生产实践结果反映出,当采用上述采场结构参数时,采矿损失贫化率降低,出矿效率高,回采时能够有效控制地压,确保回采过程安全。

• 混合尾砂料浆配比优化及其强度特性试验研究

  钱涛,冯建,张骥,王邦策,李翠平,颜丙恒

  为了获得满足强度要求的充填料浆配比,对不同料浆配比的充填体强度影响特性进行研究。 首先,采用 Talbol 理论对球磨尾砂、溢流尾砂与粗砂进行级配分析,得到混合尾砂最佳级配范围。 然后,进行了料浆配比强度试验,探讨了尾砂级配、固结剂掺量和质量浓度对充填体单轴抗压强度的影响,建立强度增长规律模型,发现不同质量浓度与尾砂级配下的充填体抗压强度遵循指数增长规律,随着粗砂掺量的增加,整体强度呈现先增大然后减小的趋势。 其次采用响应面法试验设计,建立了以强度为响应值的回归模型,分析了固结剂掺量、质量浓度和尾砂级配单一或交互作用对充填体强度的影响规律,结果表明:单因素在不同龄期下对充填体强度影响显著,显著性大小的顺序为:固结剂掺量(x1) >质量浓度(x2) >尾砂级配(x3);固结剂掺量与尾砂级配交互作用下对充填体强度影响显著。 最后,利用 RSM 对料浆配比进行优化,得出达到所需强度的最优料浆配比条件为:当 x1 = 7%、x2 = 53%、 x3 = 12%,7 d 强度可达到 1. 09 MPa,28 d 强度可达到 1. 725 MPa。

• 爆破动载下全长锚固玻璃钢锚杆累积受力特征研究

  刘超,王文杰,黄永祥,贾稳宏,朱大铭

  汉 430081;3. 金川集团股份有限公司三矿区,甘肃 金昌 737100)摘 要 针对全长锚固玻璃钢锚杆在多次爆破冲击作用下的损伤失效问题,依据金川三矿区玻璃钢锚杆支护参数及爆破振动现场实测数据,基于应力波反射拉伸破坏理论简化了锚杆动载受力模型并建立了数值计算方案,研究了单次及多次爆破动载下的全长锚固玻璃钢锚杆轴向受力特征,并通过全长锚固玻璃钢锚杆冲击试验结果验证了数值计算结果的可靠性。 研究表明:在动载强度不变的情况下,不同爆破次数下的全长锚固玻璃钢锚杆轴向应力均沿杆体长度方向呈指数型下降,且锚杆最大轴向应力始终在孔口位置;随着爆破次数的增加,锚杆各部位轴向应力均不断增大,锚杆最大轴向应力增加更为明显,且轴向应力分布范围不断向锚固段深处延伸;随着爆破次数增加,玻璃钢锚杆最大轴向应力持续增大直至破坏,但金属锚杆轴向应力快速增大至一定数值后便趋于平稳,两者具有明显差异性;随着动载强度的增大,玻璃钢锚杆失效前的最大受力次数整体上呈先快速下降后缓慢下降的指数型变化特征。研究结果可为爆破冲击作用下的玻璃钢锚杆支护设计及爆破控制提供理论依据。

• 深井膏体自流充填压力与满管率优化研究

  姚高辉,李小松,刘鹏鹏,肖柏林

  以谦比西铜矿东南矿体深井充填为工程案例,通过室内实验、理论分析、现场验证相结合的方式,研究了自流充填管网系统的压力分布及提高深井垂直钻孔满管率的措施。 首先分析当前管网压力分布及满管率,随后开展管道压力和满管率优化,最后结合现场研究了部分使用小管径、提高膏体浓度等方法对压力和满管率的影响。 研究表明,南采区 2 条管路当前满管率仅在 17% ~ 41%之间,水平管阻力损失约 1. 4 MPa / km,自流对垂直管的冲刷极大;采用 150 mm 内径管部分替代 175 mm 内径管,每替换 100 m 可提高 0. 63%和 0. 71%满管率;膏体浓度若由 69%提高到 71%,最大倍线下满管率分别从原来的 37%和 41%增加到 70%和 82%,然而垂直管底部压力分别由 3. 72 MPa 和1. 75 MPa 大幅增加到 6. 7 MPa 和 3. 06 MPa,增加了堵管爆管风险。 工程中,可通过适当增加浓度、部分减少管径、提高倍线等多种方法相结合的方式获得较高满管率。 本研究可为深井自流充填提供良好工程借鉴。

• 结拱能视角下溜井结拱稳定性分析

  张嘉豪,马姣阳,常健,文嘉伟,王博超,郑晓明

  溜井结拱严重影响了矿山生产效率,而其结拱稳定性是溜井堵塞疏通的关键技术指标。 为经济高效处理结拱问题提供理论依据,提出了结拱能与结拱能测定的原理与方法,并依此构建了结拱能测定物理模型,以正交实验法,探究了矿石湿度、矿石粒径、溜井角度及料位高度对结拱稳定性的影响程度,并对结拱稳定性进行了评级划分。研究结果表明,矿石粒径是影响溜井结拱稳定性的最主要因素,矿石湿度、料位高度、溜井角度对结拱稳定性无显著影响。 依据结拱能和矿石粒径方差对比折线图,将粒径 4~ 6、6~ 8、8~ 10、0~ 2 mm 矿石结拱的稳定性依次划分为不稳定、较稳定、稳定、极稳定。 实验结果对实际工程中疏通溜井的方法选取及节能设计有一定的参考价值。

• 河南省某铁矿区隐伏铁矿体深部找矿研究

  张学武

  河南省某铁矿区主要地质面貌为平原和丘陵,已发现并且开采的铁矿有近 20 条,已探明储量高达 6. 7亿 t,属于全国铁矿产量前十的矿区之一。 通过高精度磁法勘探技术进行找矿勘探并圈定异常点,再通过可控源音频大地电磁法勘探技术对异常点进行找矿勘探,圈定找矿靶区和预测钻探深度,最后通过实际工程勘探,对预测结果进行了验证。 研究表明:① 区内共有 6 个异常点,其中 M2、M6 异常可能是地下存在铁矿石所引起的磁场异常;② 区内圈定找矿靶区两处,分别为 C1 勘测线 45# ~ 47#监测点(1#靶区)和 C2 勘测线 11# ~ 21#监测点(2#靶区),经过地质信息分析获得 1#、2#靶区的钻探深度均为 1 000 m。 ③ 通过实际工程勘探,验证了所圈定的靶区深部存在隐伏铁矿体。

• 基于岩层移动理论的急倾斜煤层采后地表移动变形规律研究

  郭文彬

  为了探究急倾斜煤层开采对地表沉陷的影响,以及进一步保护地表构(建)筑物,采用理论分析和数值模拟计算方法对急倾斜煤层开采后地表沉陷规律进行了系统研究。 利用新修正后的概率积分法进行开采区域二重积分,得到了急倾斜煤层采空区上方地表沉陷的理论计算公式,对急倾斜煤层倾角及埋深对地表沉陷影响进行了分析,同时通过 FLAC 软件对急倾斜煤层上覆岩层的运移规律进行了数值模拟分析。 结果表明:① 对于急倾斜煤层,当倾角相对较小时,地表最大沉降量较大,且地表下沉曲线呈现非对称特性,随着煤层倾角增大,地表最大下沉量逐渐减小,下沉曲线由非对称性逐渐向对称性转化,当倾角为 90°时,下沉曲线完全对称。 ② 当急倾斜煤层采深较小时,地表最大沉降值较大,但影响范围较小。 随着煤层采深增大,地表沉降值逐渐减小,但影响范围增大。

• 基于稳健遗传算法的矿山开采沉陷预计参数反演

  杨晓玉,朱晓峻

  概率积分法是我国矿山开采沉陷预计的主要方法,其预计的精度直接取决于参数的准确性,如何利用科学的方法准确地求取预计参数是实际应用中的关键问题。 本文针对利用遗传算法反演概率积分法参数时抗粗差能力差的问题,提出将稳健估计与遗传算法相融合的方法,提高反演参数过程中对异值点的抗干扰能力,保证参数求取结果稳健、精确。 通过实验得出:单纯采用遗传算法进行参数的反演时,当粗差出现在下沉盆地边缘时,其抗差能力较强;而当粗差出现在拐点处和下沉盆地中心时,其抗差能力较差,反演结果严重偏离理论值,而采用稳健遗传算法可以获得较为稳定、精确的参数。

• 乌东煤矿冲击地压监测预警平台搭建与应用

  冯攀飞,曹亚利,赵英杰

  为应对乌东煤矿越来越严峻的冲击地压预警与防治形势,提高冲击地压灾害预警准确性,保障煤矿安全高效生产,运用大数据分析方法和云计算技术,结合该煤矿特殊地质条件和复杂开采手段,搭建了集成微震、地音、矿山压力等多种监测手段的冲击地压预警平台,从“时—空—强”三个维度建立多系统多参量监测预警指标体系,构建冲击地压危险综合预警模型。 该平台实现了对监测矿井冲击危险的“全天候”、“全方位”的实时动态感知,主要功能包括:能够实时采集各监测系统的数据并完成前兆信息特征提取;展示各单系统预警指标及其临界值,并实现单系统单一指标预警到多系统融合预警的转变;可一键生成报表,实时查看设备状态,节省大量人力、物力。 该平台已在乌东煤矿应用,实现矿井的分区分级预警,有效提高了冲击地压监测预警的准确性和可靠性,指导现场冲击地压防治工作,辅助科学决策。

• 矿用带式输送机头部智能清扫器研究与设计

  武熙,李珂,孟庆灵,赵佳伟

  介绍了矿用带式输送机清扫器的类型,阐述了清扫器的清扫机理,分析了清扫器工作环境和工作特性,针对目前矿用带式输送机清扫器在清扫过程中出现的工作位置不稳定和清扫器磨损状态不确定等问题,根据清扫器的设计准则,设计了一种清扫效果稳定的头部智能清扫器。 介绍了清扫器设计方案,依据设计方案作出总体设计,并主要列举了该清扫器的机械系统和液压系统。 电气控制系统对液压系统输入信号,液压系统驱动机械系统进行清扫。 该液压系统使用双回路设计,采用带有蓄能器和压力传感器的主回路和辅助供液回路,通过实时监测液压缸无杆腔压力向泵站发出信号来实现压紧力的调节,压力传感器实时监测液压缸无杆腔压力,实现具有动态调节能力的清扫系统;蓄能器能保证在煤渣黏结顽固等极端条件下,清扫器不损伤输送带。 通过 AMESIM 软件对液压系统进行仿真验证,实现了在较大冲击工况下,避免清扫器损伤输送带的情况,同时具有高速的动态响应能力,验证了该清扫器可以达到稳定清扫的目的。

• ZY45LK型自动化连续换杆车研制

  阚志涛,钟自成,何玢洁,刘璞

  针对大功率自动化定向钻机配套钻杆质量大、钻杆仓储存钻杆数量有限、工人装填钻杆劳动强度大、作业效率低的问题,研制了一款移动灵活、携杆量大、巷道适应性强、上 / 卸钻杆效率高的 ZY45LK 型自动化连续换杆车,并对换杆车的钻杆箱、上杆装置、操作台等关键技术及工作流程进行了研究。 结果表明,换杆车结构设计合理,电液控制系统稳定可靠,大幅提高了大功率自动化定向钻机连续上 / 卸钻杆的施工效率,为进一步提高钻探装备的自动化、智能化水平提供可靠的装备保障。

• 基于改进的Hessian和Live-wire算法的岩石节理裂隙检测

  王艳,李晗,陈佳悦,陈卫卫,王梦菲,闫迪,李宏霞,王卫星

  在图像处理中,由于岩石节理裂隙是最复杂的线状目标之一,针对该对象的检测算法的研究一直是一个难题。 故此,研究了一种新的跟踪裂隙边缘线的算法。 首先,若图像尺寸太大,进行有选择的图像缩小,然后采用基于 Geodesic Shadow Removal 的算法进行图像平滑,再用一种基于 Hessian 矩阵算法增强模糊及微细节理裂隙;用一种基于 Live-wire Contour 思想的节理裂隙边缘线特征点提取的算法进行边缘特征点提取;最后基于特征点之间的距离及相应线段夹角来连接特征点以形成完整的线段。 选择了 200 幅图像进行实验,通过与十多种传统和新近的算法相比,新算法能够在复杂的岩石节理裂隙图像中,准确快速地提取节理裂隙边缘线,为在该领域引进深度学习等方法奠定基础。

• 基于U-Net和改进分水岭算法的露天矿爆堆矿石图像分割方法

  阚玉达

  爆破大块率是反映爆破效果的关键指标,其统计精度主要依赖于爆堆矿石图像分割的准确性。 由于爆堆矿石图像中存在矿石目标分布密集、边缘对比度低等问题,致使传统图像分割方法难以准确分割爆堆矿石图像。因此,提出了一种基于 U-Net 和改进分水岭算法的露天矿爆堆矿石图像分割方法,以实现大块率的精准统计。 首先利用无人机在哑巴岭露天矿爆破现场拍摄爆堆矿石图像,制作爆堆矿石图像数据集;然后利用深度学习算法建立了 UNet 网络架构,同时融合了高级语义信息和低级语义信息,建立了爆堆矿石图像分割模型,再利用训练后的模型对爆堆矿石图像进行初步分割,进一步采用基于距离运算的分水岭算法优化了分割结果;最后评估了该方法的分割精度。试验结果表明:该算法可准确分割露天矿爆堆矿石图像,为露天矿爆破大块率统计、爆破效果智能评价提供技术支持。

• 不同降雨工况对排土场安全性影响规律研究

  周忠良,连民杰,孙世国

  降雨是诱发排土场滑坡的主要因素之一。 结合工程实例针对 6 种不同降雨工况,应用数值模拟和极限平衡方法研究其对排土场安全的影响规律。 揭示了不同降雨工况对排土场边坡不同深度、不同空间位置应力、应变的影响机理。 阐明了降雨等级越大对浅层边坡体应力的影响变化越大,易产生局部滑坡破坏。 得出了不同降雨工况下排土场的整体安全稳定性大于局部稳定性,总体变化规律是降雨工况等级越高,排土场的稳定性越差。 排土场的安全稳定性应结合不同深度的应力、应变演化规律和边坡稳定状态综合考虑排土场的安全性。 对局部不稳定边坡应该采取必要的安全防护措施,避免其局部滑坡诱发坐落式滑坡破坏的风险。

• 降雨淋滤下废弃尾矿土重金属迁移及其与抗剪特性相关性研究

  景爽,郝喆,滕达,王晓明,张倩

  废弃尾矿在经过降雨淋滤作用后重金属含量会沿垂直剖面呈现出明显的规律性,对其抗剪强度也有较大的影响,探究它们之间的变化规律有较大理论和现实意义。 以辽宁省辽阳县某铜铅锌共生废弃尾矿库为背景,在实验室配制与现场实际分层情况相符的尾矿土壤样品,通过自制的大型土柱分层装填,开展淋滤试验。 分析分层土壤中重金属元素在不同降雨 pH 值、降雨强度、降雨历时综合影响下的垂向迁移特征基础上,通过直剪试验进一步探究淋滤作用对尾矿的抗剪强度的影响以及重金属污染物含量与抗剪特性之间的相关性。 结果表明:① 酸性降雨下,土壤中重金属 Cu 和 Zn 含量在 0~ 20 cm 深度显著降低,而碱性淋滤下含量稍有增大;随着 pH 值的增大土壤的抗剪强度总体是变小,内摩擦角逐渐变大、黏聚力逐渐变小;② 同一土柱中,Cu、Pb 和 Zn 浓度随分层深度增加逐渐减小;随降雨强度的增大而增大;淋滤作用能有效增大尾矿的抗剪强度;尾矿淋滤后的抗剪强度指标与降雨强度呈正相关;③ 分层土壤中 Cu、Pb 和 Zn 浓度随淋洗时间的增加,三者相比初始水平均有大幅度的减少,铅没有出现表层累积的情况;尾矿淋滤后的抗剪程度与降雨时长也呈正相关;但尾矿流量组的抗剪强度指标增加明显小于时间组的强度指标;④ 淋滤后的尾矿抗剪强度与重金属污染物含量呈反比关系。 研究结果可为我国废弃尾矿库污染物迁移以及稳定性分析提供重要参考。

• 自燃钼镍矿矿渣内部温度分布特征及拟合研究

  江攀和,陈磊,张明思,唐广,魏泽权,梁劲松

  利用 K 型高温热电偶测试了自燃钼镍矿矿渣不同深度的温度,基于反距离权重法( IDW)和统计学方法分别绘制了不同深度温度平面分布图及竖向温度曲线,分析了水平及竖向温度分布特征,查明了高温区分布及自燃趋势性最大的区域,初步确定了火源中心;建立了竖向温度一元三次函数拟合模型,根据相关系数、方差分析及测量误差理论,确定了研究区竖向温度最优拟合模型,采用 ZK5 实测温度值进行了验证。 以上研究结果为研究区自燃钼镍矿矿渣的修复治理提供了技术依据。

• 3D打印铁尾矿砂混凝土的力学和冻融循环耐久性研究

  张宁,申彦飞,吴凯

  研究铁尾矿砂掺量(0%、15%、30%、45%),加载方向(X、Y、Z),养护龄期(3 d、14 d、28 d)对 3D 打印铁尾矿砂混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度的影响。 结果表明:随着铁尾矿砂掺量的增加,3D 打印铁尾矿砂混凝土在 X、Y、Z 方向上的抗压强度均下降,当铁尾矿砂掺量为 45%时,3D 打印混凝土在 X、Y 方向上的劈裂抗拉强度较普通混凝土分别降低了 17. 4%、17. 6%,3D 打印混凝土在 X、Y、Z 方向上的抗弯强度较普通混凝土分别提高了25. 0%、31. 0%和 42. 4%;3D 打印铁尾矿砂混凝土较 3D 打印普通混凝土在 X、Y、Z 方向上的抗压强度分别降低了11. 1%、19. 0%和 3. 3%,3D 打印铁尾矿砂混凝土和 3D 打印普通混凝土在 X 方向上的劈裂抗拉强度最高,在 Z 方向上的抗弯强度最高;掺加铁尾矿砂有利于 3D 打印混凝土后期力学性能的提升;经历冻融循环 100 次后,3D 打印铁尾矿砂混凝土在 Z 方向的抗压强度损失率较高,在 Y 方向上的抗弯强度损失率较高。

• 超细矿粉对喷射混凝土力学性能的影响研究

  朱成,陈健斌,赵丹

  为了揭示纳米微粉改性路面粉煤灰混凝土的工作性能,推动其在路面工程中的应用,开展了不同粉煤灰取代率与纳米矿粉掺量的正交试验,对改性后的混凝土力学性能、抗冻融耐久性、干缩性及耐磨性进行了分析。 研究结果表明:粉煤灰取代率的增加使得混凝土力学性能呈先上升后下降趋势,且在粉煤灰取代率为 25%、矿粉掺量为0. 5%时达到峰值;改性后的混凝土耐磨性、抗冻性、干缩性随着纳米矿粉掺量增加而增加,且在掺量为 0. 5%提升幅度最大;综合考虑各方面力学性能,粉煤灰取代率为 25%、纳米矿粉掺量为 0. 5%,改善效果显著且经济效益高,建议该配合比作为路面混凝土的设计配合比;纳米矿粉可在混凝土颗粒中生成 C—S—H 凝胶体,逐渐填充混凝土内部孔隙,在孔隙中形成一道阻止裂缝扩展屏障,从而达到改善水泥基复合材料孔隙结构的目的。