金属矿山杂志

金属矿山杂志2024年第10期

• 缓倾斜厚大矿体机械化垂直分条上向分层干式充填采矿方法研究

  冯帆,徐剑坤,孙淑华,曹国华

  当采用传统的上向分层干式充填采矿法开采缓倾斜厚大矿体时,常常面临着机械化程度低、矿石贫损率高等问题。针对此问题,提出了一种缓倾斜厚大矿体机械化垂直分条上向分层干式充填采矿法。其核心是将矿体沿走向方向上划分为若干分条,采用上向分层干式充填采矿法逐条回采,并在矿房一侧留设废石混凝土挡墙,随后在充填体上铺设耐磨钢板,且配备铲运机等机械化设备进行出矿和充填,从而提高机械化程度,降低矿石贫损率。首先,介绍了缓倾斜厚大矿体机械化垂直分条上向分层干式充填采矿法的采场布置方式、回采工作、充填工艺,并阐述了其技术优势。其次,以某地下金矿为例,将该方法与上向分层尾砂胶结充填采矿法进行了经济比较。研究表明:当采用该方法回采矿体时,每个采场可多获得收益105 万元。研究成果可为类似矿山条件下缓倾斜厚大稀有贵重金属矿体安全高效回采提供技术指导。

• 深井条形矿柱安全系数计算公式优化研究

  姚桂宏,金长宇,丁成功,祝贺超,韩滔,杨智博

  随着我国矿山进入大规模深部开采阶段,越来越多的矿体开采面临高应力环境,这将导致开采扰动诱发的高应力破坏现象愈发显著,因此采场稳定性成为影响矿山生产的重要安全问题。矿柱作为主要承受上覆岩体自重应力与水平构造应力的结构,是矿房回采作业过程中最有可能发生破坏的部位,因此其宽度是采场设计的主要参数。为确定深部采场矿柱的合理宽度,开展深井条形矿柱安全系数计算公式优化研究,本研究提出了一种适用于深部矿柱强度修正经验公式。该公式通过引入Hoek-Brown 准则,对原有强度折减经验系数K 进行了确定,建立了K 值的计算方法,并采用理论分析和数值模拟提出了适用于该矿区深部矿柱荷载值计算的修正经验公式,最终基于矿柱安全系数公式确定了某超深部矿山高阶段空场嗣后充填法的矿柱宽度。

• 非均匀充填采场上隔离矿柱安全回采关键参数研究

  王平,任艺,陈国兴,郑先伟,冯俊

  针对崩落采场和充填采场之间设置的水平隔离矿柱在后期回采中引发的安全问题,以大冶铁矿-170 m隔离矿柱为工程背景,基于弹性力学理论,考虑隔离矿柱下非均匀充填体影响,通过分析采场巷道底板应力应变特征,构建充填体上隔离矿柱分析模型,采用数值模拟的方法,研究充填体上巷道底板的位移分布,得出3 种不同类型底板上巷道间距和巷道尺寸对采场稳定性的影响规律。综合考虑,建议隔离矿柱崩落开采巷道沿用当前工程3. 6 m×3. 2 m 的巷道尺寸;巷道间距采用10 m 时,巷道均可针对上分段脊部残留矿柱,回采率高,但需增加底板安全控制措施;采用15 m 时,巷道均位于底部矿房或矿柱中间,相互影响小,支护成本低。为有效回采隔离矿柱,建议采用“3. 6 m×3. 2 m 的巷道尺寸+10 m 的巷道间距+二步骤采场矿柱顶、底部分段1∶4 胶结充填”的回采方案。

• 放矿作用下改性尾砂覆盖层颗粒磨蚀性实验研究

  张亚宾,黄琛泷,马姣阳,陈超,李胜辉,陈丽媛

  作为覆盖层的改性尾砂损耗程度对露天转地下矿山的安全起着重要作用。为此,依托庙沟铁矿露天转地下矿山回采条件,采用模型试验方法,研究了改性尾砂作为覆盖层在放矿过程中的运动规律与磨蚀性。实验结果表明:受侧面墙体限制的左右区域的改性尾砂颗粒,其整体运移要比中间区域的改性尾砂颗粒整体运移量大;在放矿过程中改性尾砂颗粒的质量损失与其运移距离成正比;根据区域初始总质量、放矿循环数与放矿后的区域质量拟合得到放矿循环数与放矿后改性尾砂颗粒整体质量的关系式,由此得到了改性尾砂颗粒磨蚀性在前三个循环放矿过程中不断降低,之后其磨蚀性相对稳定的结论。研究成果对覆盖层磨蚀导致的安全问题有一定的理论参考价值。

• 深部地热与矿床流变协同作用下的尾矿胶结 充填体孔隙水压响应研究

  贺斌,洪伟,郑晨,周洋,鲁功达

  在不断提高的安全生产标准和环境保护压力推动下,尾矿的地下处置逐渐成为实现矿产资源绿色清洁开采的重要途径。然而随着浅埋矿产资源日益枯竭,矿山开采不断向地球深部发展,因此尾矿充填技术将面临极端温度环境和矿床流变特性的严峻挑战。本研究基于孔隙热弹性理论框架建立蠕变加载条件下的尾矿胶结充填体非等温孔隙水压演化模型,进而计算分析不同初始温度的充填体单元在持续热量交换和围岩蠕变变形协同作用下的孔隙水压演化规律。计算结果表明,虽然水泥水化过程会消耗自由水进而促进水压耗散,但水化反应放热与高温岩体传热共同造成的水热增压效应以及采场围岩蠕变造成的体积压缩作用也将导致持续的压力增长,因此充填体孔隙水压的演化规律将最终取决于以上耗散与增长机制之间的相互竞争效应。具体而言,对于本研究的充填体配比,40 ℃条件下的水化反应不会造成显著的水压变化;同时,虽然快速的岩体变形速率恒为充填体水压发展的控制性因素,但30 ℃初始温度条件下的充填体降温过程则将抵消低速蠕变(1×10-10 s-1 )造成的水压增长,研究成果对揭示深部开采条件下的充填体多物理场响应机理,进而实现深部矿山安全清洁生产具有重要的理论和工程意义。

• 不同宽高比矿柱偏心压缩失稳破坏规律研究

  吕欣建,马强英,王薪荣,张哲浩,路增祥

  研究非等跨采场结构下,矿柱偏心压缩失稳破坏规律,可以为矿柱结构参数优化提供技术支撑。通过偏心加载装置,以岩样模拟矿柱,开展了不同宽高比岩样偏心压缩试验。结合数字图像相关方法,得到了宽高比(w /h)分别为2∶1、1∶1、1∶2 和1∶3 时矿柱偏心承载性能和加载过程中位移场及应变场的演化规律。结果表明:① 偏心压缩条件下,矿柱抗压强度随着宽高比增加逐渐增加,弹性模量则反之;在考虑偏心荷载作用的矿柱设计时,应适当增加矿柱宽高比,从而保障采场安全性。② 当w / h =2∶1 时,偏心承载矿柱破坏形式主要为压剪破坏,表现为偏心荷载侧局部劈裂破坏;当w / h =1∶1 时,矿柱以压缩破坏为主拉伸破坏为辅;当w / h<1 ∶2 时,矿柱破坏以偏心拉伸破坏为主。③ 不同宽高比矿柱的水平位移场在距偏心荷载较远一侧发生较大变形,剪切应变场也为压—拉应变场;当w / h≥1∶2 时,矿柱的破坏主要是由压应变局部化带引发;w / h =1∶3 时,矿柱破坏主要由拉应变局部化带引发。

• 基于收敛—约束法的剪胀—软化型隧道围岩 —支护结构相互作用

  赵浩,刘文学,周书东,张光雄,刘红岩

  目前的隧道围岩支护结构计算方法未能很好地同时考虑围岩剪胀及软化特性和中间主应力的共同影响。首先介绍了考虑岩石剪胀及软化效应的隧道围岩力学模型及考虑中间主应力的广义SMP 强度准则。而后,根据收敛—约束法中隧道纵向变形曲线、围岩特征曲线、支护特征曲线的相互关系,建立了能够同时考虑隧道围岩剪胀及软化特性和中间主应力影响的隧道围岩—支护结构相互作用力学模型,并验证了其合理性。最后,采用敏感性分析分别探讨了地应力参数、支护结构参数和岩石参数对围岩最终位移、支护结构最终支护力及变形量的影响。结果表明:地应力的增加将导致围岩变形及塑性区增大,所需支护力增加。中间主应力系数对计算结果有较大影响,应予以考虑;支护结构弹性模量的增加可以提高支护力,并大幅度减少围岩和支护结构变形;岩石弹性模量及临界软化系数的增加可以降低围岩变形及支护结构受力。

• 超细尾矿充填体动力学性质试验研究

  杨曦,崔久云,张羽熙

  在地下开采中,充填体会受到爆破振动等动载荷的扰动,严重威胁其稳定性,加之充填体使用超细尾矿后,会进一步降低其强度,因此,急需开展超细粒尾矿胶结充填体动力学性质研究。以超细尾矿充填体与粗尾矿充填体为研究对象,采用霍普金森装置对其进行不同应变率下的冲击试验,并进行对比分析。研究结果表明:与粗尾矿充填体相比,超细尾矿充填体弹性阶段较短,进入屈服阶段后,由于内部孔隙被压缩提升了其强度与抗变形能力,使其屈服阶段较长。粗尾矿充填体的破坏阶段表现出应力跌落现象,超细尾矿充填体在破坏阶段则表现出峰后塑性。平均应变率相近的超细尾矿充填体动态抗压强度远小于粗尾矿充填体动态抗压强度,超细尾矿充填体和粗尾矿充填体的平均应变率分别达到60 s-1 和80 s-1 左右后,动态抗压强度趋于平缓。随着平均应变率的增大,超细尾矿充填体的单位体积吸收能不断增加,粗尾矿充填体的单位体积吸收能在平均应变率超过80 s-1 后才显著增加。在平均应变率相近时,超细尾矿充填体的破坏程度明显大于粗尾矿充填体,两者强度的差异主要受到细颗粒含量与颗粒接触状态两方面的影响。

• 单轴压缩下冻融灰岩力学特性及裂纹扩展机理研究

  王伟,任韬哲,候超,李达,杨光

  为研究冻融灰岩的物理力学特性及受载破裂过程,基于单轴压缩和电镜扫描试验,获得了冻融环境下灰岩基本力学参数和微观形貌演化规律,并结合PFC2D 颗粒流程序,分析了冻融灰岩在荷载作用下的微裂纹扩展和最大主应力场演化规律。结果表明:随着冻融次数的增加,灰岩的峰值强度和弹性模量均呈指数型递减,而损伤变量呈指数型递增;单次冻融循环作用下灰岩峰值强度和弹性模量的平均损伤率分别为0. 58%和0. 53%,对应的半生命周期分别为111. 13 和120. 79 次。灰岩受单向压缩荷载时拉—剪微裂纹占比最高,其次为拉伸和压—剪微裂纹,微裂纹演变趋势可分为无裂纹阶段、微裂纹缓慢发展阶段和微裂纹快速发展阶段。随着冻融次数的增加,微裂纹起裂应力、最大拉应力和压应力均呈指数型递减,表明试样的受载能力降低。研究成果有助于从多尺度认识冻融环境下灰岩的损伤特性和渐进破坏过程,为寒区岩体工程稳定性分析与控制提供理论依据。

• 深部砂岩破裂—损伤力学机制及细观模拟研究

  曹军,张传玖,任建慧,李宣良

  深部岩体损伤破裂是围岩大变形失稳破坏的热点问题之一,开展深部砂岩损伤破裂研究对采场围岩稳定性控制具有重要理论意义及工程价值。通过三轴压缩试验开展了不同围压下砂岩力学行为及裂纹演化规律研究;采用岩石破裂过程分析系统(RFPA3D)建立了基于真实细观结构的砂岩数值模型,模拟研究了单轴作用下砂岩真实细观破裂过程,分析了试样破裂过程中声发射演化规律及破裂力学行为特征。结果表明:随着围压的增加,砂岩试样应力—应变曲线具有脆性向延性转变的趋势,且残余应力随着围压的增加而增加,这与物理试验结果一致。在低围压状态下,裂纹易于扩展,导致试样容易破碎;高围压状态下,裂纹扩展受围压限制,因此裂纹不易扩展,导致试样内部发生碎胀现象。砂岩试样内部具有大量软弱结构,试样受力过程中裂纹沿着晶粒边界或软弱面萌生扩展是其破坏的主要方式。声发射数量随着围压的增加而增加,主要集中在裂纹产生处。研究结果对采场围压稳定性控制具有指导作用。

• 高温循环作用含孔砂岩动态力学特性试验研究

  平琦,后健民,胡薇,钱明,孙栋

  为研究高温循环作用含孔砂岩动态力学特性,利用SHPB 试验装置对常温和经历200~800 ℃高温循环作用后含孔和完整砂岩试件开展冲击压缩试验。研究表明:随循环作用温度升高,砂岩试件由灰色逐渐变成褐色;质量损失率、体积膨胀率和密度降低率等物理参数均呈增大趋势,超过400 ℃时变化幅值显著增加;常温砂岩含有少量微孔隙,随循环作用温度升高试件表面微孔隙数量增多、宽度增大。高温循环作用后含孔试件动抗压强度呈二次函数关系减小趋势;动应变和动弹性模量则分别呈幂函数增大和线性函数关系减小趋势。随循环作用温度升高,试件破碎程度加剧,破碎块度减小,分形维数呈幂函数关系增大趋势;循环作用温度超过400 ℃时,试件动抗压强度、动应变、平均粒径和分形维数变化幅值均显著增大。研究成果对深部矿山资源开采和地热利用具有一定参考价值。

• 多元羧酸助磨剂强化低品级菱镁矿石分选行为 及机制研究

  刘文宝,郑杰,王子芊,商传浩,刘文刚

  在磨矿过程中,菱镁矿与含钙脉石矿物白云石易发生表面溶解,引起表面性质趋同,导致浮选分离困难。基于此,采用一种多元羧酸助磨剂(EGTA)优化菱镁矿的磨浮体系,并运用浮选、比表面积分析、Zeta 电位与ICPOES及SEM-EDS 检测手段研究了EGTA 的作用机理。试验结果表明,添加500 g/ t 的EGTA 可使磨矿产品74~38 μm合格粒级产率提高6. 6 个百分点,微细粒级-38 μm 产率降低2. 0 个百分点;在助磨剂EGTA 用量200 g/ t、pH= 10. 5、抑制剂STPP 用量300 g/ t、捕收剂NaOL 用量700 g/ t 的条件下,经一次粗选可获得MgO 品位47. 1%、MgO 回收率69. 50%的精矿。与未添加助磨剂相比,精矿MgO 品位提高了0. 4 个百分点;Zeta 电位研究表明,EGTA 可以选择性吸附在白云石表面,降低白云石的Zeta 电位;ICP-OES 和SEM-EDS 分析表明,添加EGTA 可促进白云石溶解,降低菱镁矿石表面钙含量,同时EGTA 可以螯合矿浆中的Ca2+ ,抑制溶解的Ca2+反向吸附,加大矿物表面性质的差异,强化菱镁矿石浮选分离效果。

• 某尾矿强磁选预富集产品的工艺矿物学研究及 可选性分析

  郑海雷,高起方,龚明辉,孙昊延

  西南某多金属原生矿现场尾矿TFe 品位13. 88%,有害元素S 含量为1. 24%,主要脉石成分SiO2 含量为40. 82%,铁矿物主要以赤褐铁矿、菱铁矿及磁铁矿的形式存在,属复杂难选铁尾矿资源。为制定合理的二次资源综合回收工艺,从工艺矿物学角度出发,利用场发射扫描电镜(FESEM)、背散射电子成像(BSE)、X 射线能谱分析(EDS)、矿物特征自动定量分析系统(AMICS)等多种检测手段,对现场强磁选预富集产品开展了矿物组成、铁矿物粒度分布、主要元素赋存状态、嵌布特征、解离特征以及热分解特性等系统的工艺矿物学研究。结果表明:采用预氧化—低温还原磁化焙烧—弱磁选选冶联合工艺,预富集产品经550 ℃预氧化7. 5 min 后,在450 ℃、还原势R = 0. 6 的条件下磁化焙烧7. 5 min,可获得作业产率90. 84%、铁品位30. 02%、磁化率95. 05%的磁化焙烧产品;磁化焙烧产品再磨至-38μm 占89. 5%,经两段弱磁选铁,可获得作业产率28. 94%、铁品位60. 18%、铁作业回收率63. 86%的铁精矿。研究结果可为后续开展合理的资源高效、综合回收试验提供理论支撑。

• 新型季铵盐捕收剂对锂云母与石英和钠长石分离 的影响及其机理

  杨浦,印万忠,姚金,祁治伟,贾煜坤

  双癸基二甲基氯化铵作为新型阳离子双链季铵盐表面活性剂,具有良好的起泡性能且对环境较为友好。为研究新型季铵盐捕收剂对锂云母的捕收作用,通过浮选试验探究了双癸基二甲基氯化铵(DDAC)体系下pH值、捕收剂用量、抑制剂用量等对锂云母浮选行为及其与脉石矿物浮选分离效果的影响,通过红外光谱(FTIR)、X 射线光电子能谱(XPS)等检测手段和量子力学模拟研究了捕收剂在锂云母表面的吸附机理。浮选试验结果表明,在pH=5. 0、DDAC 用量75 mg/ L、六偏磷酸钠用量6 000 mg/ L 时,浮选精矿产率为35. 79%,Li2O 品位为5. 08%,Li2O 回收率为80. 78%,尾矿中SiO2 和Al2O3 回收率均大于98%,说明在DDAC 体系下,六偏磷酸钠对钠长石和石英具有良好的选择性抑制能力;红外分析结果表明,DDAC 通过静电和氢键作用吸附在锂云母表面;XPS 分析结果表明,DDAC 与锂云母作用时无化学键断裂,DDAC 容易吸附在锂云母表面O 位点;模拟分析结果表明,浮选过程中,DDAC+在氢键和静电作用下取代H2O 吸附在锂云母表面,同时双链结构的非极性基使锂云母表面疏水的同时增加了锂云母矿粒黏附在气泡上的概率。因此,相比于油酸钠和椰油胺,DDAC 对锂云母有更好的捕收性能。

• 羧甲基纤维素对硼镁石/ 蛇纹石浮选的影响及其 作用机理

  李治杭,熊堃,左可胜,高鹏

  针对微细粒蛇纹石阻碍硼镁石浮选回收的问题,通过浮选试验、Zeta 电位分析、FTIR、XPS 等多种手段,研究了羧甲基纤维素(CMC)对硼镁石/ 蛇纹石浮选分离的影响。结果表明,当CMC 用量50~150 mg/ L 时,可明显抑制蛇纹石上浮,硼镁石浮选回收率可提升8~10 个百分点;当CMC 用量超过150 mg/ L 时,蛇纹石和硼镁石同时受到抑制,不利于提升浮选指标。机理分析表明,CMC 吸附于蛇纹石表面后可显著降低蛇纹石表面电位,CMC 通过氢键作用和化学吸附作用于蛇纹石表面,前者是CMC 结构中的—OH 与蛇纹石表面的Mg—OH 相互作用的结果,后者则是通过CMC 与蛇纹石表面Mg 原子作用而实现的。

• 黄冈某脉石英矿石的工艺矿物学及可选性试验研究

  顾雲翔,李育彪,靳晨杰,胡祥琳,向丞睿,孙雨欣

  为促进湖北黄冈某脉石英资源的高效高值化利用,在进行了工艺矿物学分析的基础上开展了提纯试验。结果表明:原矿石英纯度为99. 30%,主要杂质矿物为黑电气石、金云母、钠长石、伊利石等。金云母呈片状填充在石英颗粒结合处及其微裂隙中,长石与石英颗粒呈块状镶嵌连生;矿石采用破碎—筛分—4 段磁选—2 段擦洗—2段水洗—2 段浮选—2 段脱药—酸浸工艺提纯,可获得SiO2 纯度最高为99. 993%的石英砂产品,达到中端高纯石英砂质量标准,可显著提高该石英资源的附加值。

• 海藻酸钠-硫化钠在铜钼混合精矿浮选分离中 的抑制研究

  张鹏羽,陈伟,衷水平,曾广圣

  针对铜钼分离过程中硫化钠用量过大的环保压力,以及抑制剂选择性差导致钼精矿指标达不到产品要求的问题,采用浮选试验、动电位测量、吸附量测定等方法,进行了海藻酸钠-硫化钠组合抑制剂分离铜钼的试验研究。浮选结果表明,以海藻酸钠+硫化钠为组合抑制剂,水玻璃和氟硅酸钠为调整剂、煤油为捕收剂,采用硫化钠+活性炭+再磨+硫化钠工艺对某铜钼混合精矿进行脱药处理后,1 粗1 扫4 精闭路浮选工艺,可以获得钼品位为44. 60%、钼回收率为94. 84%的合格钼精矿。与单一硫化钠抑制剂方案相比,组合抑制剂工艺的硫化钠用量降低了约41%,取得了较好的环境和经济效益。动电位和吸附量分析表明,海藻酸钠与黄铜矿之间的亲和力强于辉钼矿,对黄铜矿浮选表现出较好的选择性抑制效果,是组合抑制剂提升分离效果的原因。

• 离子液体反浮选磷石膏脱硅工艺及机理研究

  严强,梅光军,任浏祎,程潜,王鹏飞,李怡霏,王君妍

  鄂西高硅型磷石膏采用传统的阳离子捕收剂浮选脱硅效果不理想,不利于磷石膏大规模资源化利用。近年来离子液体因其优秀的性能在浮选中被引入作为反浮选药剂,其绿色、稳定的特性符合现代选矿药剂的环保要求,因此,选用2 种离子液体为脱硅捕收剂开展浮选试验并通过SEM-EDS、Zeta 电位测试、FTIR 等测试技术进行了机理研究。浮选试验结果表明:在矿浆pH 值为7、MIBC 用量150 g/ t、离子液体MY 用量150 g/ t 的条件下,采用1 次反浮选工艺流程,得到的浮选精矿产率为83. 24%、CaSO4·2H2O 品位为93. 35%、回收率96. 34%,SiO2 含量降低至1. 94%,实现了磷石膏中硅杂质的高效脱除。Zeta 电位测试结果表明:离子液体MY 与石英作用后表面电位正移最大可达51. 49 mV,而与石膏作用后表面电位仅略微增加,导致离子液体MY 在石膏与石英之间发生选择性吸附。红外光谱分析结果显示:石英与离子液体MY、MZ 作用后都产生了新的特征峰,说明2 种离子液体均在石英表面发生了化学吸附。研究结果为高硅磷石膏资源化利用提供了可行的方案。

• 纳米陶瓷球在程潮选厂二段磨矿中的应用试验

  黄雯,刘曙,李鹏飞,王万平,黄轲,李超前

  程潮选厂为降低二段磨矿成本,引进新型纳米陶瓷球作为磨矿介质,以二段球磨给矿为研究对象,开展全陶瓷球、全钢球、陶瓷球+钢球不同磨矿介质的磨矿特性及磁选试验研究。试验结果表明:在磨矿时间3 min,介质充填率36%,磨矿浓度67%的条件下,采用质量比5 ∶5 的纳米陶瓷球(ϕ30 mm、ϕ25 mm、ϕ20 mm 球质量比为50% ∶30% ∶20%)与钢球(ϕ20 mm)为磨矿介质,与钢球磨矿介质相比,磨矿技术效率提高了16. 65 个百分点,比能耗降低13. 80%,噪音值降低2. 8 dB,磁选效率提高9. 65 个百分点。二段细磨采用纳米陶瓷球部分替换钢球,可减轻过粉碎,提高磨矿技术效率和铁矿物的解离度,优化磁选指标。

• 融合SBAS-InSAR 技术与GRO-BiLSTM 模型的 开采沉陷边界划定方法

  肖海平,范永超,陈兰兰,万俊辉,陈磊

  确定矿山开采沉陷边界有助于评估矿区生产活动对周围环境和基础设施的潜在影响,为制定有效的灾害防控措施提供技术手段。充分考虑到概率积分法等传统方法在划定矿山开采沉陷边界时的不足,采用在获取矿区大范围高精度地表沉降数据方面具有优势的SBAS-InSAR 技术,并结合淘金算法(Gold Rush Optimizer,GRO)优化双向长短期记忆(Bidirectional Long Short Term Memory,BiLSTM)模型的预测方法,实现矿区开采沉陷边界划定。以红会煤矿为研究对象,依据SBAS-InSAR 技术提取矿区沉降边缘高相干点在2018-11-29—2020-02-04 时间段内共37 期沉降数据,以下沉10 mm 等值线划定沉陷边界,利用GRO-BiLSTM 优化模型预测高相干点的地表沉降值,并将预测结果与LSTM 和BiLSTM 模型预测结果进行了对比分析。结果表明:GRO-BiLSTM 模型在整体测试集中均方根误差为3. 204mm,比LSTM 和BiLSTM 模型分别降低了22. 16%和8. 21%;平均绝对误差为2. 062 mm,比LSTM 和BiLSTM 模型分别降低了23. 96%和5. 43%,表明该方法可以有效监测和预测矿区边界地区的沉陷状况。

• 矿山应急救援虚拟现实引擎优选研究

  崔豫楠,李龙龙,宫成,李雨成,孙颍昊,党煜

  传统矿山救援培训存在训练手段单一、成本高、安全隐患大和可重复性差等弊端,利用虚拟现实技术可以为救护队员提供高仿真的交互体验和实操训练,是应急救援培训的可行方向和有效途径。其中引擎是实现高质量和沉浸式虚拟现实体验的核心。当前虚拟引擎的种类繁多,其架构和性能差异极大,基于矿山救援实际需求选择合适的引擎成为关键。本研究基于对虚拟引擎15 项指标特性分析,以矿山应急救援实际需求为出发点建立了引擎优选指标体系,通过层次分析法对各指标进行权重赋值并进行权重判断矩阵一致性检验;在此基础上,利用模糊决策参数分析法,辅助权威专家评判对Unreal、Unity3D 等主流引擎的9 项特征指标量化分析,结合指标权重对各引擎进行综合评估与适应性评价。研究结果表明:在当前矿山应急救援虚拟现实培训需求下,Unreal 引擎表现最佳,Unity3D、SourceEngine、CryEngine 虚拟引擎其次,而Cocos 3D 引擎适应性相对较差,研究成果为虚拟现实引擎的选用提供了一种有效方法。

• 矿井吊盘稳车的APP 远程监控系统设计

  黄良沛,李树民,蒋浪,朱永建

  思山岭矿井吊盘稳车的工作环境复杂,其监控终端的便携性是一个亟待解决的问题。针对这一挑战,本项目采用三菱FX3U 系列PLC 作为控制核心,它具备高速的处理能力、强大的控制能力以及稳定的性能,十分适合对复杂环境中的稳车进行控制与监控。为了实现远程监控,采用Modbus TCP 通讯协议与PLC 进行通讯,确保了数据传输的准确性和实时性。同时,引入多种传感器采集稳车设备的关键参数数据,如压力、速度、深度等,为监控提供全面的数据支持。为了方便矿井工作人员随时随地灵活地监控,本文采用Java 编程语言开发APP 端服务器环境以及一款Android APP,实现实时显示稳车设备的各项工况数据,并进行及时预警。该监控系统实现了对矿井稳车集成系统的灵活远程监控,进一步提高了稳车设备工作效率,降低了运维成本,同时,为矿井稳车集成系统的稳定性与安全性提供了有力保障,为矿井的安全生产提供了重要的技术支持。

• 基于MineSched 的卡车燃油消耗预测模型构建及应用

  曾冰勇,刘玉龙,闫国斌

  纳米比亚某露天矿年度采矿生产燃油消耗成本高达数亿元,卡车燃油消耗占总油耗约50%,是整个采矿生产燃油消耗成本的主要组成部分。然而,该矿山因缺乏合适的燃油消耗预测模型,无法准确预测因优化生产和排土次序带来的经济效益,且油耗阶段性预算与实际消耗偏差较大,无法满足矿山生产精细化管理要求。为解决该矿山卡车燃油消耗预测难题,以优化采矿生产和指导卡车运输管理,降低卡车燃油消耗,实现降本增效,通过Mine-Sched 排产软件,结合相应的年度排产计划方案,并利用Haulage 模块功能模拟卡车实际运输路线,以相应采坑、排土场地表作为约束条件,精准匹配实际开采位置和排土范围,从而获得不同道路坡度下运输物料的运输功。再结合设备厂家所提供的卡车发动机小时油耗计算表、矿山实测卡车在不同运输状态下的平均速度,以及卡车重载、空载等信息,将发动机小时油耗转换为卡车的吨公里油耗,以此构建出高精度的卡车燃油消耗预测模型。根据模型预测结果与历年实际油耗数据进行对比迭代,修正燃油消耗预测模型。利用该模型进行了抽样预测历史油耗、计算优化排土区域及次序经济效益、滚动预测卡车油耗、开展卡车油耗差异化原因分析等。结果表明:模型预测的燃油消耗与实际油耗的平均偏差控制在4%以内,模型精度高;通过优化排土场分区、排土次序和运输路径,计算出矿山全生命周期内可节约柴油消耗量约3 832 万L,节约燃油成本约3 亿元;基于模型建立了卡车的年、季、月燃油消耗预算体系,据此分析卡车阶段性油耗差异化原因,滚动优化和降低生产油耗,可为矿山采矿生产精细化管理提供支持。

• 基于传感器融合的矿井运输车辆环境感知研究

  蒲德全,高振刚,李鹏洲

  针对矿井环境的复杂性以及单一传感器在井下感知中精度较低等问题,为降低矿井运输车辆发生安全事故的概率,提出了基于激光雷达与超声波雷达的信息融合状态估计算法。算法基于改进的迭代扩展卡尔曼滤波(Iterative Extended Kalman Filter,IEKF)进行设计,充分利用了激光雷达检测精度高、不受光线突变影响及超声波雷达可补偿近距离盲区的特点。将2 种雷达的坐标系标定到同一坐标系下,以超声波雷达数据为先验状态,再利用激光雷达数据更新先验状态,得到矿井运输车辆与障碍物、巷道之间的精确位置关系。采用PreScan 与Simulink 联合仿真验证算法的有效性。仿真结果表明:所设计的算法在基于PreScan 模拟的矿井环境中,能较为准确地检测矿井运输车辆与障碍物的位置关系,与单一传感器检测结果相比,既降低了检测距离的平均绝对误差,又有效解决了激光雷达近距离检测的数据漂移问题,有效提升了矿井作业的安全性,为矿井运输车辆防碰撞预警及智能驾驶提供了精确的环境感知信息。

• 基于机器视觉与图卷积网络的矿区无人驾驶车辆 异常行为检测

  张宏伟,曼茂立,王宇,刘磊

  无人驾驶车辆在矿山逐步得到关注与应用的同时,也存在一定的安全隐患。为提高车辆异常行为检测效率,提出了一种基于机器视觉与图卷积网络的矿区无人驾驶车辆异常行为检测方法。该方法通过分析矿区无人驾驶车辆行驶轨迹,利用机器视觉技术对车辆进行识别、跟踪和检测。首先获取无人驾驶车辆图像监测数据,进而进行特征提取,包括颜色、形状、大小等关键特征,并据此对车辆进行识别、跟踪和检测。其次,使用图卷积网络对车辆行为进行建模,将车辆驶过的路段视为图中的节点,不同路段之间的连接视为边,通过图卷积网络学习车辆的行为,并对车辆异常行为进行检测。试验结果表明:该方法可以在短时间内准确检测到矿区无人驾驶车辆的异常行为,并对异常情况及时报警,有助于提高矿山生产的安全性和效率。

• 矿山三维巷道参数化建模方法研究与应用

  赵琳,张元生,刘冠洲

  矿山巷道三维可视化作为数字矿山的一个重要组成部分,是开展相关应用研究的基础。针对当前巷道三维建模人工干预高、过度依赖建模软件等问题,提出了矿山三维巷道参数化建模方法。对于部分巷道转折处、分叉口处缺少导线点的情况,通过巷道数据处理,基于搜索算法进行虚拟导线点的补充插值,构建了巷道空间拓扑网络模型。针对巷道空间拓扑网络模型,根据任意2 条相交巷道沿角平分线对称的特点,采用基于角平分线对称的建模法,解决了巷道相交处、分叉口处的连通性问题和平滑拼接问题;通过集成方法实现了不同形态断面巷道的集成建模,从而实现了矿山三维巷道网络模型的自动化构建。以典型矿井的实测数据为例开展了应用研究,结果表明:巷道空间拓扑网络模型各个导线点处拓扑连接关系正确,矿山三维巷道模型在巷道相交处、分叉口处连通性和平滑拼接良好,该模型能够直观地展示巷道真实形态和巷道之间的空间关系,为矿山管理者和生产者提供重要的数据信息,方便进行辅助决策,对于矿山安全生产及智慧化管理具有较好的参考意义。

• 基于改进Retinex 和分数阶微分的矿井红外图像 增强算法

  杨云帆,孙宗剑

  矿井红外图像增强是提高井下工作环境安全性和可视化监控能力的关键技术之一。然而,由于井下光照复杂、红外图像质量较差等因素,现有算法在增强效果和细节保留方面存在不足。为此,提出了基于改进Retinex 和分数阶微分的矿井红外图像增强算法。首先针对现有Retinex 算法存在的局部对比度不足问题,引入颜色恢复模块,在进行反射传递函数估计时利用彩色空间信息增强图像的局部对比度。该模块通过计算多个彩色通道的统计特征,并结合颜色转换矩阵,实现了更准确的反射传递函数估计,从而提高了图像整体对比度。其次通过分析图像的局部灰度特征,根据分数阶微分算子的响应特性自动调整指数参数,以实现对不同纹理细节的合理增强。采用多组真实矿井红外图像对所提算法性能进行了试验验证,结果表明:该算法在图像增强效果和细节保留方面相对于Retinex 等算法具有一定的优势,为提升矿井复杂光照条件下的红外图像对比度提供了支持。

• 土石混合体边坡力学特性及稳定性分析方法研究进展

  石广斌,周泽凯

  土石混合体边坡在我国分布比较广泛,在降雨、地震等外力作用下会产生滑坡等变形破坏现象。归类和分析了土石混合体力学特性物理模型试验和数值模拟试验以及边坡稳定性分析方法研究成果,得出块石尺寸和含石量是影响土石混合体剪切特性主要因素,块石排列可以忽略不计;雨水和冻胀等能够显著改变土石胶结介质力学参数,降低率约为20%;通过对比多种稳定性分析方法,认为离散单元法或数值流形法、连续—非连续耦合方法能够更有效分析具有强烈非均质体的土石混合体边坡。在总结已有研究成果和考虑土石混合体介质特点的基础上,提出了土石混合体力学特性和此类边坡稳定性分析方法研究上存在的不足之处,即:① 在获取土—石胶结接触面力学参数相关特性指标上,缺少精密的试验设备或仪器,无法准确地测得接触面参数;② 在土—石胶结接触面力学模型构建上,忽略了土体与块石间存在嵌入等情况,无法充分反映土—石胶结接触面在外力作用下的力学行为;③ 目前土石混合体边坡稳定性研究主要关注坡体力学特性以及降雨等作用下的相关参数变化,很少涉及多应力场(如降雨、地震、低温等组合作用)下的土石混合体边坡数值模拟,无法满足实际工程问题的相关需求;④ 现阶段构建三维土石混合体边坡数值模型上,仅有少数考虑结合数字图像等计算机技术还原真实块体下的三维数值模型,尚需进一步研究分析块石接触面差异分布、超大粒径块石模拟等相关问题。

• 融合时序InSAR 与MIDAS 的露天边坡稳定性 分析及预测

  蒙齐,吴彩燕,曾特林,谭宝会,贾应,应欣翰

  针对当前矿区地表形变监测技术监测范围小、周期长、采样率低等问题,以龙首露天矿为工程背景,融合SBAS-InSAR 技术、MIDAS 数值模拟与长短期记忆(Long Short Term Memory,LSTM)网络,提出了一种边坡稳定性的分析与预测一体化方法。利用SBAS-InSAR 技术获取研究区2014—2023 年地表垂直向形变时序反演结果,并分析其时空演化特征与形变机理。以典型形变剖面为研究对象,采用MIDAS GTS NX 软件模拟边坡在强震作用下的稳定性,并分析边坡破坏规律及形变特征。采用贝叶斯优化算法(bayesian optimization,BO)优化LSTM 网络,搭建并优化预测模型用于矿区地表形变预测。结果表明:南侧边坡垂直向形变相对严重,沉降速率达176. 3 mm/ a,累积沉降量达1 489 mm;在强震数值模拟中边坡产生严重位移变形并最终失稳;基于SBAS-InSAR 监测结果对各预测模型进行精度验证,验证结果表明BO-LSTM 模型的预测精度最优,平均绝对误差与均方根误差至少降低了18%和16%。采用该模型预测矿区未来地表垂直向形变,预测结果表明,未来2 a 内矿区形变速率放缓,边坡处于稳定状态。

• 膨胀土边坡水泥基生境基材外掺纤维改性研究

  刘振忠,党艳娜,王明,刘黎明,杨旭,陈健

  分析外掺纤维对膨胀土边坡水泥基生境基材护坡性能的影响,为膨胀土边坡防护及生态修复提供理论依据。分别外掺聚丙烯纤维、玄武岩纤维和棕纤维制备3 种不同的水泥基生境基材,通过边坡模型试验定期测定各边坡生境基材的物理、力学及生态指标。结果表明:① 与对照组(CK 组)相比,聚丙烯纤维、玄武岩纤维及棕纤维的掺入可显著改善基材的内部孔隙结构,其渗透系数降低范围分别为28. 43%~39. 39%、5. 58%~10. 13%、31. 36%~43. 14%;纤维掺入提高了基材的抗剪强度,其黏聚力提高范围分别为28. 37% ~32. 75%、12. 23% ~14. 82%、32. 52% ~37. 21%,内摩擦角提高范围分别为0. 07%~ 1. 62%、0. 41% ~ 1. 21%、1. 31% ~ 2. 07%。② 纤维的加入通过改善基材的孔隙结构,促进了植物生长,从全期平均含量来看,3 组外掺纤维组相较CK 组的地下生物量分别提高了26. 38%、8. 93%、51. 06%。③ 边坡土体在经历自然降雨后,土体含水率随深度的增加而减小,随降雨量的增大而增大,外掺纤维组降雨前后含水率差值明显低于CK 组,其作用效果依次为棕纤维>聚丙烯纤维>玄武岩纤维。综合分析得出:外掺纤维对膨胀土边坡水泥基生境基材的护坡性能有明显的提升效果;综合环保及成本因素,棕纤维运用于实际工程更符合可持续发展理念。该研究成果可对膨胀土边坡生态防护提供理论支撑及技术指导,并对其他特殊土边坡生态防护具有借鉴意义。

• 露天采场边坡岩体抗剪强度参数确定及稳定性分析

  王恒恒,韩流,纪小龙,王瑞峰,吴先荣,赵龙,李波

  为了探究露天矿边坡在不同抗剪强度参数测定方法下的边坡稳定性变化情况,分别通过室内直剪试验、RMR 岩体质量分级和Hoek-Brown 强度准则等方法测定了岩体抗剪强度参数,结合二维极限平衡法和三维有限元强度折减法对采场边坡进行了稳定性分析。研究结果表明,基于室内直剪试验和Hoek-Brown 强度准则获得的岩体内摩擦角相近,而黏聚力前者大于后者;所获得抗剪强度参数用于边坡稳定性分析时,基于室内直剪试验和Hoek-Brown强度准则获得的抗剪强度参数所计算的二维稳定性系数前者比后者高出了30. 09%,三维稳定性系数前者比后者高出了9. 33%,并且三维稳定性系数比二维稳定性系数在两种抗剪强度参数测定方法下分别高出了8. 12%和28. 85%。基于Hoek-Brown 强度准则计算出的抗剪强度参数考虑了岩石的非均质性和裂隙分布,能够更准确地反映岩体在自然状态下的强度特征;三维稳定性分析全面地考虑了边坡的空间效应、复杂几何形状和边界条件,对于几何形状复杂、地质条件多变的复杂边坡,宜采用三维稳定性分析。

• 干湿循环作用下石灰土耐水性试验研究

  姚家雄,徐俊,侯国伦,危波涛,张福平,胡倡瑞

  为研究干湿循环条件下石灰土的水稳定性,对不同石灰掺量的石灰土试样进行干湿循环处理,开展无侧限抗压强度、密度和质量损失率试验,探究石灰土的强度和变形等物理力学性质。结果表明:石灰土在干湿循环作用下强度骤然降低,但随着干湿循环次数的增加强度有所提高并最终趋于稳定,长期干湿循环作用会使试样强度衰减37. 58%~51. 42%,但石灰掺量为15%时能有效抑制强度的衰减;石灰土在干湿循环作用下密度骤然增大16. 94%~20. 26%,初期表现出强烈的吸水特性,但随后密度不再增大;在干湿循环前期,石灰土试样会因土体内部火山灰作用和碳酸化作用而吸水,表现为石灰土质量先陡增后趋于稳定,反映出一定的抗水蚀性能;长期干湿循环作用下,试样破坏形态由脆性破坏转变为塑性破坏;建议在实际工程中将石灰土地基应用于干燥环境,采用15%的最优石灰掺量,即灰土体积比3∶7、含水率27. 64%,以保证干湿循环对石灰土地基的水稳定性影响程度最小。

• 褶高和褶数对褶皱滤袋过滤风速分布的影响

  胡隆基,王誉锦,赫伟东,林秀丽

  为获得褶皱滤袋过滤风速分布特征,采用数值模拟方法分析对比了袋长、褶高、褶数对褶皱滤袋过滤风速均匀性的影响,并通过减小袋口处褶高和滤袋顶部渗透率的方法来调整风速分布的均匀性。结果表明,袋长为4、6、8 m 的褶皱滤袋风速从滤袋顶部1/3 处开始迅速升高,8 m 长滤袋顶部过滤风速呈指数增长,袋口处阻力值明显大于袋底处阻力值;随着滤袋褶高的增加,气体通过滤袋的阻力变大,滤袋整体过滤风速分布更加不均匀;相同处理风量下,褶数越多滤袋阻力值越大,过滤风速分布越不均匀;减小滤袋局部渗透率能显著提高过滤风速分布均匀性,但过小的渗透率会导致滤袋阻力的增加;减小袋口处褶高不仅能提高过滤风速分布的均匀性,同时也降低了滤袋的阻力值。

• 基于Visual MODFLOW 大水矿山深部开 采矿坑涌水量预测

  李军强,王肖珊,丛宇,邓洪,王艳军,梁小明,张静

  矿产资源的不断开发导致矿坑涌、突水现象愈加频繁,此类问题多发生于大水矿山,为更好指导大水矿山深部开采工作,准确预测矿山深部开采矿坑涌水量至关重要。结合某矿区勘察资料、水文地质条件和观测井实测水位数据,利用Visual MODFLOW 软件建立矿区水文地质数值模型,进行稳态与非稳态校正以及相关参数敏感性分析;根据该矿区-150 m 水平矿坑真实涌水量拟合分析Drain 模块水力传导系数值,运用识别后模型对矿山深部开采矿坑涌水量预测,结果表明-200、-250、-300、-350 m 等不同水平矿坑正常涌水量为17 209. 82、18 896. 20、21 299. 31、23 494. 10 m3 / d,预测结果可为矿山防治水工作提供依据,以及为工程安全开挖提供保障。

• SRB 对AMD 湿地处理系统沉积物中重金属的钝化 作用研究

  徐秀月,王宁宁,任军,董慧林

  湿地沉积物既是重金属污染的汇,也是重金属污染的源,沉积物修复技术中的微生物钝化技术是实现重金属原位修复的一种重要手段。以酸性矿山废水(Acid Mine Drainage,AMD)湿地沉积物为对象,研究了硫酸盐还原菌(Sulphate Reducing Bacteria,SRB)对湿地沉积物中铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)和锌(Zn)释放及形态的影响,探究了SRB 对沉积物中重金属的钝化效果。结果表明:在沉积物中接种SRB 可不同程度地提高浸出液pH、电导率(EC)值,降低氧化还原电位(Eh)和硫酸盐(SO2-4 )浓度,当SRB 的接种体积大于100 mL 时,浸出液中Fe、Mn、Cu 的浓度显著降低,当接种体积为200 mL 时,浸出液Zn 的浓度显著降低;接种SRB 可使沉积物中Fe 由弱酸提取态和可还原态转为可氧化态,使可还原态Mn 向弱酸提取态及可氧化态转化,而沉积物中Cu、Zn 则由弱酸提取态向可氧化态转化;接种14 d 后,SRB 接种体积为200 mL 的处理组中沉积物中Fe、Mn 的钝化效率最高,接种体积为100 mL 的处理组中SRB对Cu 和Zn 的钝化效果最为明显。

• 洗选煤矸石在公路工程中的应用及特性研究

  李永翔,季奎良,高姝敏

  为了研究工业固废在道路工程中综合利用的可行性,选取煤炭洗选过程中排出的洗选煤矸石替代碎石,采用工业固废基地聚物替代水泥制备地聚物稳定煤矸石混合料,通过无侧限抗压强度、间接抗拉强度、抗压回弹模量、干缩试验、温缩试验,以及XRD、TG-IR、SEM 等测试对混合料性能和机理进行了分析。结果表明:地聚物稳定煤矸石—碎石混合料试件的7 d 无侧限抗压强度、28 d 间接抗拉强度和28 d 抗压回弹模量分别达到2. 18、0. 36、1 575MPa,满足高速、一级公路中轻交通和二级及以下公路重交通、中轻交通底基层的应用要求;地聚物稳定煤矸石—碎石混合料试件的干缩应变为104. 4×10-6 ~536. 8×10-6,温缩系数为19. 57×10-6 ~28. 36×10-6,混合料试件收缩性能良好,但较地聚物稳定碎石混合料性能差;洗选煤矸石含有高岭石等膨胀土矿物,且有机质含量高于天然碎石,是导致含煤矸石混合料试件强度较差的直接原因;选择多矿区洗选煤矸石进行对比表明,同类型煤矸石理化性质相似,说明同类的洗选煤矸石可以作为集料使用,经地聚物稳定后可用于低等级道路基层或底基层建设。