金属矿山杂志

金属矿山杂志2024年第4期

• 无底柱分段崩落法矿石残留体物理模拟实验研究

  宋德林,王春旺,李少普,张浩

  无底柱分段崩落法在地下金属矿床开采中广泛应用,损失贫化大是其主要问题之一,而矿石残留体的存在对放矿效果有着很大影响,直接影响开采过程中的损失和贫化,为了取得良好回采指标,需对矿石残留体的组成、空间位置和形态进行研究。针对目前矿石残留体研究缺乏完整揭露手段问题,首先,基于注液胶结提出一种能完整揭露放矿后散体内部矿石残留体的方法;其次,进行垂直走向进路布置方式的无底柱分段崩落法物理模型放矿实验,用所提方法对矿石残留体进行了完整揭露并用三维扫描仪进行了三维建模,在此基础上对矿体残留体的组成、空间位置和形态进行了揭示,同时研究了矿岩混杂部位及靠壁残留体随放矿的变化规律。所提方法弥补了传统放矿物理模拟实验的不足,在此基础上揭示的矿石残留体特征和规律,更利于指导开采措施制定。

• 深凹露天矿山挂帮矿安全回采工艺研究及实践

  李得,李翠,刘磊,孙明志,覃陆均

  为充分回收挂帮矿资源,根据攀西某深凹露天矿山挂帮矿赋存条件及内排土堆排情况,本文提出“内排土连续回填、挂帮矿分步回采”工艺。利用内排土修筑临时道路至回采平台,为回采工作创造设备运转空间;同时连续回填采坑,缩短挂帮矿回采完成后边坡暴露时间。采用靠帮预裂爆破,控制单响起爆药量在250 kg 以下,使用等效载荷加载于回采区域,经计算,边坡最大振动速度1. 6 cm/ s,满足边坡安全速度要求。建立边坡三维模型,计算了回采工艺全过程中边坡位移变化情况,回采完成后边坡整体位移均小于0. 5 cm,不会出现大范围边坡失稳。经现场实际应用,累计采出矿石超过58. 34 万t,且边坡稳定。为矿山下一步全面回采挂帮矿资源提供技术支撑,可供类似矿山参考借鉴。

• 考虑压力和温度养护条件的胶结充填体 早期强度特性研究

  贾冲,赵越,郭利杰,刘光生,彭啸鹏

  为在实验室模拟矿山原位充填环境的压力、温度等因素对胶结充填体的固结影响,本文设计了一种考虑压力与温度协同控制的胶结充填体养护方法及试验装置。采用该试验装置开展了养护压力与养护温度对胶结充填体早期固结强度的影响研究。结果表明:养护压力、养护温度对胶结充填体早期强度有明显影响;养护压力对充填体早期强度发展有利;随着养护温度升高,胶结充填体强度呈先升高后降低的趋势,养护温度为55 ℃时,胶结充填体强度呈下降趋势。在养护压力和养护温度的耦合影响下,高温有利于胶结充填体的早期强度发展。

• 预制裂隙砂岩巴西劈裂特性试验研究

  张明远,姚华彦,江浩,刘武,王旭洋,朱艺媛

  为研究裂隙对岩石宏观破裂形态的影响,开展了单裂隙、共线双裂隙、平行双裂隙3 种裂隙类型下砂岩的巴西劈裂试验,分析3 种裂隙类型不同裂隙倾角下的破裂形态并对其分类,同时分析不同裂隙倾角下3 种裂隙类型抗拉强度的变化。试验结果表明:裂隙会削弱岩石的抗拉强度,裂隙数量、裂隙倾角及裂隙间几何排布对试样的破裂形态及抗拉强度造成影响;单裂隙、共线双裂隙与平行双裂隙砂岩试样分别存在5 种、4 种与3 种类型的破裂形式,岩石非均质性导致同一裂隙倾角下试样的破裂形态有所不同;单裂隙与共线双裂隙砂岩的抗拉强度总体在0°裂隙倾角时最大,随着裂隙倾角的增大,单裂隙砂岩抗拉强度呈先下降后上升再下降的变化规律,共线双裂隙砂岩抗拉强度呈现下降趋势,而平行双裂隙砂岩的抗拉强度在45°裂隙倾角时最大。

• 径向不耦合装药孔壁冲击压力特性

  楼晓明,武硕,姚炳金,解叶龙,胡艳,陈必港

  径向不耦合装药结构广泛应用于实际爆破工程中,为探究径向不耦合装药孔壁冲击压力的变化规律,基于冲击波理论,利用激波管模型对径向不耦合装药条件下孔内波系作用过程进行简化分析。研究了孔内爆炸冲击波在各介质面的冲击压力,获得了径向不耦合装药条件下孔壁初始冲击压力的计算表达式,模拟了径向不耦合装药时冲击波的作用过程。研究结果表明:径向空气层的存在极大削减了爆炸冲击波压力,孔壁峰值压力在不耦合系数1~2 时发生指数型衰减,在不耦合系数大于2 时,其衰减速度较缓慢。冲击波作用在孔壁处时存在多个波峰,且初始峰值压力最大,后续峰值压力随时间的延长逐渐减小;随着不耦合系数的增大,初始峰值压力逐渐减小且到达峰值压力的出现时间也逐渐延后;不耦合系数越大,多波峰特性越明显,不耦合系数较小时峰值压力较大,会对围岩产生较大的破坏。为减小对围岩的破坏且满足相应的爆破要求,应充分利用不耦合系数较大时的多波峰特性,根据岩石性质选择合理的径向装药系数。

• PPGF-灰岩胶结面剪切力学特性试验研究

  杨超,姜淑印

  为探究浆液—裂隙胶结面的剪切开裂破坏规律与力学响应机制,以新型石墨烯基注浆材料PPGF 为研究对象,开展了不同石墨烯掺量、不同裂隙粗糙度以及不同法向载荷条件下的PPGF-灰岩胶结体直剪试验,得到了石墨烯、裂隙粗糙度与法向载荷对胶结面开裂、剪切应力与法向位移的影响规律。结果表明:随石墨烯掺量的增加,最大剪切应力呈先增大再减小的变化规律,并且掺量为0. 036%时增幅最大。当胶结面的剪切破坏以爬坡滑移为主导时,石墨烯与法向载荷对剪胀位移的影响较小,当剪切破坏以剪断滑动为主导时,石墨烯和法向载荷对剪胀位移影响较大。石墨烯可以增加PPGF 的黏结强度,延缓胶结面开裂。开裂剪切位移随粗糙度的增大而增大,随法向载荷的增加而减小。

• 高强预应力锚杆力学性能实验与支护研究

  岳喜占,杨子仪,李迎富,孙茂如

  高强预应力锚杆支护是传统锚杆支护技术的进一步优化发展。由于深部巷道具有围岩破碎、高应力等复杂地质特征,更多的高强预应力锚杆替代传统锚杆应用于其中。本文通过理论分析,预应力转化试验,左右旋锚杆拉拔试验以及锚固力试验,对比分析高强预应力锚杆的力学性能,揭示了新型左旋高强预应力锚杆加固围岩的支护机理。研究结果表明:① 理论分析锚杆在围岩中的作用机理,阐明了预应力锚杆对围岩的加固作用;② 滚丝锚杆扭矩转化成预紧力的效率约为等强全螺纹锚杆1. 7~1. 9 倍;不同直径的左旋滚丝锚杆力学性能均优于右旋全螺纹锚杆,左旋螺纹钢锚杆锚固力大于右旋螺纹钢锚杆;③ 分析新型左旋高强预应力锚杆的结构,其具有预应力高、锚固力高、有效断面大等优势。本研究为深部巷道围岩支护技术的优化与创新提供了有益的参考和借鉴。

• 硬岩水力定向压裂裂缝扩展对天然裂缝的响应行为

  王伟澄,黄明清,黄敏,唐绍辉

  水力压裂是硬岩金属矿山崩落法开采的关键预处理手段,但矿体中天然裂隙的存在限制了水力裂缝定向扩展与空间展布形态。为研究在含天然裂缝的铜矿体中天然裂缝的长度和水平距离对定向水力裂缝扩展路径的影响,利用ABAQUS 建立了嵌入黏聚力单元的有限元模型,模拟不同天然裂缝长度和水平距离条件下的水力压裂行为。结果表明,天然裂缝的长度和水平距离对裂缝的扩展具有积极影响。天然裂缝长度与水力裂缝扩展半径呈指数关系,天然裂缝水平距离与水力裂缝扩展半径呈线性关系。在0~1. 5 MPa 低地应力差条件下,随着天然裂缝水平距离的减少或天然裂缝长度的增加,水力裂缝的扩展半径越大。研究结果对硬岩天然裂缝条件下的水力压裂裂缝定向扩展与调控有积极的指导意义。

• 含油率影响下油页岩力学性质与破坏断裂特征研究

  甘泽,杨曦,李富平,甘德清

  油页岩的含油率存在巨大差异,这种含油率的变化会引起其力学性质与破坏断裂特征的差异。选取含油率为6. 5%、6%、5%和3%的垂直层理油页岩试样,对其开展单轴压缩实验、场应变与声发射监测。研究发现:含油率的提升会降低油页岩抗压强度,并使其由脆性向延性转变。高含油率油页岩易发生剪切—张拉破坏;低含油率油页岩破坏模式偏向于张拉破坏。加载过程中,油页岩试件主应变场由均匀分布向应变集中分布转变,垂直层理油页岩的应变场更容易形成多条平行应变集中条带,当含油率不断降低时,主应变场变化过程中的剪切现象减弱。高含油率的试样振铃计数表现为阶梯型增长,破坏后,依然出现了较高的振铃计数;低含油率油页岩只在破坏时出现较高的振铃计数。相同弹性能条件下,低含油率油页岩在储能阶段的变形更小。高含油率试样具有一定延性,在试样到达应力峰值点后,弹性能并没有完全释放,仍保留一部分弹性能。低含油率试样的抗变形能力较强,所以,在相同应变条件下,其耗散的能量更高。

• 不同碎裂程度岩体三轴压缩力学特性及破坏特征

  张杰,顾秀华,熊赞民,温震江,王筱添

  深部开采条件下地质条件劣化,破碎岩体很容易出现大变形破坏问题。本文利用3DEC 软件中离散断裂网络(DFN),建立考虑地下深部不同碎裂程度的合成岩体(SRM)模型,开展了围压加载条件下高应力碎裂岩体的力学特性研究,建立了岩体完整性系数与抗压强度和弹性模量关系式。试验结果表明:碎裂程度较大的岩体,在单轴压缩试验中表现出较强的延性破坏特征;同一碎裂程度岩体随加载围压增大,围岩应力—应变曲线在屈服阶段的抗压强度和塑性变形显著增大,峰后应力跌落幅度变缓;岩体内部微裂隙最先萌生于节理面端部及其交汇部位,节理数量越大裂纹发展、贯通越快;高围压加载时,岩石模型试样破坏模式由张拉破坏向剪切滑移破坏转变。碎裂岩体破坏特征和其碎裂程度与应力加载环境紧密相关,是工程施工与设计的重要参考依据。

• 基于能量守恒原理的巷道混凝土损伤蠕变模型

  任月敬,阎蕊珍

  为了更好地获取深部地下混凝土结构的长期变形特性,采用TAW-2000 试验系统开展了混凝土的单轴力学特性和蠕变特性试验,分析了不同应力作用下混凝土的蠕变变形规律以及获得了混凝土的长期强度。在不考虑岩石内部热交换的情况下,由能量守恒定律重点研究岩石加速蠕变,建立了一维状态下基于能量守恒原理的混凝土损伤蠕变模型。在此基础上,假设深部地下工程中混凝土结构的力学参数和流变参数都是关于时间的函数,构建了基于能量守恒原理的非定常蠕变模型。结果表明:基于能量守恒原理的混凝土损伤蠕变模型可以较好地描述混凝土的蠕变全过程曲线,且模型曲线和试验曲线的相关性系数均在0. 95 以上,这说明了本文所建立蠕变损伤模型的正确性。该模型不仅准确地反映衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特性,也较好地描述了加速蠕变的缺点。

• 加载速率对煤岩力学特性及红外辐射规律研究

  彭岩岩,韩攀嵘,王艳丽,王翀峘,樊啸

  为了研究煤岩在不同加载速率下的力学特性及其失稳破坏时的红外前兆信息,利用TP 耦合试验机和高精度红外热成像仪,选取0. 01、0. 02、0. 03、0. 04 和0. 05 mm/ s 5 个加载速率对煤岩进行单轴压缩试验。结果表明:煤岩线弹性变形阶段占比在原生裂隙闭合阶段、线弹性变形阶段、失稳破坏阶段中随加载速率增大明显降低;煤岩平均红外温度最大最小温差随着加载速率增大逐渐缩小;煤岩失稳破坏时表现出降温前兆现象,增大加载速率对其提前发生具有抑制效果。

• 考虑温度和时间双重影响的混凝土蠕变模型构建

  向学敏,文祝,郭莉梅,徐辉,王楠

  为了研究温度对混凝土结构蠕变特性的影响,开展不同温度作用下混凝土三轴蠕变试验,分析了不同温度作用下混凝土结构的轴向蠕变特性。在温度作用下,混凝土的内部损伤与非均匀程度参数有关,建立非均匀程度参数与温度之间的关系;假定混凝土蠕变模型是关于温度和时间的函数,结合上述损伤变量和微元体强度分布概率模型,建立了考虑温度和时间双重影响的混凝土蠕变模型。基于最小二乘法和试验数据对模型的准确性进行验证,并采用西原模型对其优越性作进一步验证。结果表明:不同温度作用下蠕变损伤模型与试验数据的吻合度都较好,且相关性系数在0. 95 以上,说明了所建立模型的正确性;同时,该模型与试验数据的吻合度要优于西原模型,并且在描述加速蠕变方面具有一定的优越性。该理论模型为地下工程中混凝土支护结构的长期变形预测研究提供理论依据。

• 浸水作用下磁铁矿动态损伤及能量演化机制

  路燕泽,甘德清,王社光,刘志义,王庆刚,王立杰

  为分析浸水作用下磁铁矿的动态损伤特性以及能量运移规律,对磁铁矿进行不同时间的浸水处理,利用霍普金森压杆试验系统(SHPB)对浸水磁铁矿开展了不同冲击载荷值的动态压缩试验。结果表明:浸水作用下磁铁矿动态破坏变形过程分为弹性变形,屈服损伤变形以及失稳破坏3 个阶段;磁铁矿动态抗压强度随浸水时间增加而减小,两者呈指数递减关系,而磁铁矿的动态抗压强度减少值先增大后减小,当浸水时间为14 d 时,动态抗压强度减小值最大;随浸水时间增加,磁铁矿破碎程度增大,但浸水时间为14 d 的整体破碎均匀度最佳;浸水磁铁矿能量演化过程分为弹性储能,能量转换,能量耗散3 个阶段;增加动态载荷值可提高浸水时间14 d 的磁铁矿能量利用率,在此浸水时间下磁铁矿能耗密度最大,表明开展磁铁矿浸水处理可以有效改善矿石破碎的不均匀度,减少二次破碎工作量,一定程度上降低爆破能耗。研究结果为富水矿体安全高效开采提供一定理论指导。

• 聚丙烯酰胺类抑制剂对一水硬铝石和高岭石可浮性 差异调控的影响

  邵秀峰,张素红,马悦

  针对捕收剂在一水硬铝石与高岭石表面的吸附选择性较差的问题,添加3 种不同类型的聚丙烯酰胺抑制剂调变捕收剂在矿物表面的选择性吸附差异,研究抑制剂类型对捕收剂丙撑基双十二酰胺丙基二甲基氯化铵(DAPDPAC)在矿物表面的吸附量差异和相互作用变化,以及抑制剂对两种矿物的浮选影响。浮选试验结果表明:与非离子聚丙烯酰胺(NPAM)和阴离子聚丙烯酰胺(APAM)相比,阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)显示了捕收剂对两种矿物显著的浮选调变差异,且CPAM 在浓度80 mg/ L 时,一水硬铝石的回收率受到明显抑制,而高岭石的回收率几乎不变,且在酸性至弱碱性环境下,可以较好地实现一水硬铝石和高岭石的浮选分离。红外光谱测试结果表明:添加的抑制剂CPAM 有效地阻碍了DAPDPAC 在一水硬铝石表面的吸附,而在高岭石表面的吸附无明显变化。吸附量、Zeta 电位及XPS 测试结果表明:CPAM 用量大于80 mg/ L 时,DAPDPAC 在一水硬铝石和高岭石表面的吸附量差值保持在9. 76×10-7 mol/ g 以上。因此,CPAM 可有效调控DAPDPAC 在一水硬铝石和高岭石表面的选择性吸附,有利于强化DAPDPAC对一水硬铝石和高岭石的浮选分离。

• 陶瓷介质搅拌磨对炼焦中煤解离特性与分选 潜势的影响

  郭克奇,寇宗洋,郭旺,李永改,邢耀文,桂夏辉

  为研究炼焦中煤在搅拌磨机中的选择性解离特性,以涡北选煤厂的炼焦中煤为对象,进行了样品性质、磨矿条件优化、磨矿产品解离特性及颗粒形状特性等研究,对比了相同磨矿细度下搅拌磨机和棒磨机磨矿产品的浮选效果。研究结果表明:在搅拌磨机磨矿时间4 min、陶瓷球直径6 mm、介质填充率60%、磨矿浓度55%的最优磨矿条件下,-0. 074 mm 含量79. 39%的磨矿产品经过浮选,可得到产率61. 49%的精煤(Ad =11. 50%)产品;在相同的磨矿细度下,搅拌磨机所需的磨矿时间更短,产生的高灰细泥产率低,磨矿产品浮选精煤(Ad =11. 50%)产率较棒磨机高9. 82个百分点,说明搅拌磨机解离效果更好;SEM 分析进一步证实,搅拌磨机磨矿产品表面微细粒脉石矿物较少,颗粒球形度(R0)低,伸长率(EW)高,有利于颗粒与气泡的黏附;研究结果可为炼焦中煤选择性解离提供工艺思路。

• 含氟废水中氟化钙颗粒结晶行为及其可浮性研究

  张雨茜,次曲,李军霄,孔令豪,钱玉鹏,黄鸶云,刘东斌

  为解决氟资源加工利用过程中的环境污染问题,并提高含氟废水中氟资源的综合利用率,系统研究了含氟酸性废水中形成的氟化钙结晶颗粒的沉降行为和粒度特征,探索了氟化钙结晶颗粒的浮选特性,并结合VisualMINTEQ 软件模拟氟化钙化学沉淀形成过程,利用XRD 表征结晶颗粒的物相组成,采用Zeta 电位测试分析NaOL 与氟化钙颗粒的作用机理。研究结果表明:用氯化钙处理含氟酸性废水时,在强酸条件下,无法形成氟化钙结晶颗粒;在pH>5 时,能获得稳定的氟化钙结晶沉淀产物,且废水中F- 浓度越高,结晶颗粒数量越多,粒度越大,所获得氟化钙结晶纯度高,几乎不含其他杂质;油酸钠在pH 为5~9 时,能够吸附在氟化钙结晶颗粒表面,使其具备良好的可浮性,且油酸钠用量与废水中F-浓度呈等比例关系,浮选回收效果良好。该研究结果可为处理含氟废水和回收氟化钙资源提供理论参考。

• 黄药体系中气泡与不同粗糙度黄铜矿表面碰撞 黏附机理研究

  章程,陈雨婷,彭耀丽,谢广元,夏文成

  在黄铜矿浮选过程中,矿物表面的粗糙度及黄药浓度的变化会直接影响气泡与矿物表面的黏附和铺展,从而影响浮选效果。为了探究黄铜矿表面的粗糙度和黄药浓度对气泡与黄铜矿碰撞黏附行为的影响,使用砂纸对黄铜矿进行打磨,得到不同粗糙度的样品,然后进行气泡在矿物表面的碰撞黏附试验,并对气泡局部速度、气泡碰撞黏附时间、三相接触线长度随时间的变化、气泡接触角进行了测试分析。结果表明:粗糙度较大的黄铜矿表面有尺寸较大、数量较多的粗糙结构,会促进气泡与矿物表面之间水化膜的薄化和破裂,有利于黏附的形成,但黏附产生后黄铜矿表面的粗糙结构阻碍了气泡在矿物表面的进一步铺展;黄药浓度的增加使得黄铜矿表面生成的疏水性薄膜厚度增加,增强了对样品表面粗糙结构的覆盖作用和黄铜矿表面的负电性,提高了黄铜矿的疏水性,不利于气泡与黄铜矿形成黏附,但有利于气泡在黄铜矿表面形成黏附后的进一步铺展。该成果可用于黄铜矿的高效浮选回收利用研究。

• 缅甸某低品位复杂难选铁锡矿石综合回收试验研究

  田小松,武立伟,赵洵,梁泽跃,戴惠新,吕玉辰,王飞旺

  缅甸某低品位铁锡矿石含铁29. 79%、锡0. 495%,脉石成分主要为SiO2,主要有价矿物为磁铁矿和锡石,二者紧密共生,粒度较细。为确定该矿石的高效开发利用工艺,基于原矿性质研究,采用湿式弱磁选铁—锡石回收(摇床重选—摇床中矿再磨后高梯度强磁选除铁—摇床重选)—锡综合粗精矿浮选脱硫磁选除铁(弱磁选+高梯度强磁选)流程进行了选矿试验。结果表明:该工艺最终可获得锡品位57. 956%、锡回收率69. 08%的锡精矿,铁品位65. 21%、铁回收率48. 22%的铁精矿,硫品位46. 35%、硫回收率38. 31%的硫精矿,铁、锡和硫精矿所含杂质均未超标,总尾矿的锡品位降至0. 153%,实现了铁锡矿石资源的综合回收利用。

• 氟碳铈矿还原焙烧相变及浮选行为研究

  赵英杰,汤家焰,何嘉宁,赵芳,王晓平,王介良,曹钊

  白云鄂博矿选铁过程中常使用还原焙烧方法,焙烧过程中稀土矿物会发生物相转变,并对其浮选行为产生影响。通过XRD 分析测试、SEM-EDS 测试、浮选试验、接触角测试、Zeta 电位测试、X 射线光电子能谱(XPS)分析等手段研究了氟碳铈矿经过400、450、500、550 ℃焙烧后的物相变化,以及在两种捕收剂辛基羟肟酸(OHA)和二乙基己基磷酸酯(2ZHP)作用下对氟碳铈矿和500 ℃ 焙烧氟碳铈矿浮选行为的影响。XRD 和SEM-EDS 测试结果表明,450 ℃焙烧氟碳铈矿为REFCO3,500 ℃焙烧氟碳铈矿部分分解为RE3O4F3,550 ℃焙烧氟碳铈矿时彻底转变为新物质RE3O4F3。捕收剂OHA 对500 ℃焙烧氟碳铈矿生成的新物质RE3O4F3 浮选效果较差,2ZHP 对氟碳铈矿REFCO3 和500 ℃氟碳铈矿焙烧产物RE3O4F3 的捕收能力相当。接触角测试表明,2ZHP 更能够强化氟碳铈矿和500 ℃焙烧氟碳铈矿的表面疏水性,Zeta 电位测试表明,相比较OHA 而言,2ZHP 能更有效地在焙烧后的氟碳铈矿表面吸附。XPS 测试表明,OHA 和2ZHP 通过在矿物表面吸附起到捕收作用,2ZHP 在焙烧后的氟碳铈矿表面吸附量更大,2ZHP 也更适合用于焙烧后的氟碳铈矿的浮选。

• 氢氧化镁的制备及机理研究进展

  王美佳,白丽梅,马玉新,赵留成,李绍英,程子朦

  氢氧化镁是重要的镁基矿物材料,是实现镁资源高值化利用的重要途径。然而,氢氧化镁的形貌变化受制备原料、方法及条件的影响,直接影响着氢氧化镁的应用。因此,对物理粉碎法、直接沉淀法、氧化镁水化法等制备方法的制备工艺及优缺点进行了详细分析,指出氢氧化镁具有热稳定性高、比表面积大等特点,分析了氢氧化镁形貌与其作为高分子材料阻燃、重金属废水吸附处理及染料废水降解等不同途径应用之间的关联,以期为氢氧化镁的更多潜在应用提供借鉴。提出了在氢氧化镁晶体生长过程中,可以通过添加晶面调控剂、掺杂阳离子等方式改变晶面生长习性,而且溶液过饱和度变化也会对晶体成核和生长产生促进或抑制作用,从而影响氢氧化镁的形态。指出工业化生产高纯度和特定形貌的氢氧化镁仍面临着挑战,不同条件下氢氧化镁晶体缺陷形成机制尚不明确,仍需进一步研究晶体中可能存在的位错、间隙缺陷等类型,以提高氢氧化镁的性能、扩展镁资源高值化利用领域。

• 新型绿色浮选体系中菱锰矿与碳酸盐脉石矿物的 浮选行为研究

  朱子正,唐云,邓政斌,吴波

  以菱锰矿与碳酸盐脉石矿物白云石、方解石和菱铁矿为研究对象,通过浮选试验和Zeta 电位、FTIR 和XPS 分析,系统研究了在新型绿色浮选药剂体系中矿浆pH 值与药剂用量对4 种碳酸盐矿物浮选行为的影响和界面作用机理。结果表明,捕收剂ZJS 与抑制剂JBS 可以发挥协同作用,是菱锰矿与碳酸盐脉石矿物反浮选分离的最佳组合药剂;在ZJS 用量为60 mg/ L、JBS 用量为20 mg/ L 时,菱锰矿的浮选回收率仅为10%,白云石的浮选回收率大于40%,方解石和菱铁矿的浮选回收率均超过55%。Zeta 电位、FTIR 和XPS 分析结果表明,在ZJS 捕收剂浮选体系中,抑制剂JBS 均以物理吸附方式作用于4 种碳酸盐矿物界面,且JBS 在菱锰矿界面的吸附能力强于其他碳酸盐脉石矿物,使菱锰矿亲水性增强,有利用反浮选分离;该新型浮选体系有望实现中高品位碳酸锰矿石中部分钙、镁、铁碳酸盐的脱出,为碳酸锰矿石进一步提质、降杂提供依据。

• 黄土梁峁地形大采高煤层开采地表移动规律 数值模拟研究

  陈红凯,郭庆彪,郭广礼,马洪浩,罗锦

  相较于平原地区,黄土梁峁地形下的煤层开采地表移动特征存在明显不同。为分析并揭示梁峁地形下煤层开采地表沉陷异常形变机理,结合现场实测与数值模拟手段,以山西某矿1313 工作面为研究对象,对黄土梁峁地形大采高综放开采引起的地表沉陷进行了现场实测,分析了地表移动特征及相关参数取值;利用Rhino 软件建立考虑地形的三维模型,导入离散单元法软件 3DEC 进行数值模拟计算,分析了开采过程中的岩层移动以及梁峁内部塑性破坏演变。研究表明:1313 工作面地表移动剧烈,地表下沉起动距小于30 m,超前影响距为73 m,超前影响角为68. 7°,走向边界角与上山边界角为40. 3°,走向移动角与上山移动角为37. 8°,以水平拉伸变形2 mm/ m 为移动边界的危险移动范围明显大于以下沉值10 mm 确定的地表移动盆地范围;利用数值模拟分析黄土梁峁采动滑移过程发现,当工作面自开切眼沿走向回采30 m 时,采空区周围岩体应力平衡被打破,顶板在自重以及上覆岩层的载荷作用下产生剪切破坏,采空区周边岩体发生塑性屈服,当工作面回采到120 m 时,煤层处于非充分开采阶段,梁峁底部岩体剪切破坏带出现贯通现象,坡体在重力作用下发生向邻空侧的剪切滑移,相较于地表坡度15°的截面,地表坡度18°和22°的截面X 轴负方向最大水平移动提升了107. 3%与246. 5%。

• 基于U2-Net 的广域InSAR 开采沉陷区自动识别 方法研究

  吝涛,范洪冬,孙叶,李向伟,庄会富

  我国井工煤矿量大面广,地下开采隐蔽性强,现有的人工调查、遥感探测、现场实测等方式难以满足大范围开采沉陷区自动识别实现要求,不利于实现高效监管、动态监测。为此,提出了一种基于U2-Net 的广域合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)开采沉陷区自动识别方法,该方法通过各种形变梯度和噪声水平的模拟数据集训练卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN),使其能够实现由差分干涉图一步输出包含开采沉陷位置信息的二值矩阵。试验表明:U2-Net 的平均像素准确率(Mean Pixel Accuracy,MPA)和平均交并比(Mean Intersection Over Union,MIoU)分别达到了0. 916 3、0. 911 9,均高于试验中的其他2 种模型,能够更好地抑制噪声,突出形变信号。在覆盖神东矿区不同时间间隔的InSAR 干涉图上,U2-Net 自动识别了覆盖面积超过54 600 km2的干涉图,检测出了多处边界信息清晰平滑的沉陷区,识别的平均准确率达到92. 45%。结果表明:对比其他网络,U2-Net 通过2 级嵌套的“U”形结构能够以较小的计算量融合多尺度和多层次特征,在噪声抑制和形变区域识别方面具有显著优势。由此可见,联合深度学习可服务于精细化开采沉陷区详细调查,促进InSAR 技术的应用,为广域开采沉陷区智能识别提供了一种新的技术方法。

• 陕蒙矿区深部开采导水裂隙带发育特征与高度 预测方法

  陈延康,郭广礼,孟浩,张连贵,郑辉,李怀展,张浩宇

  导水裂隙带发育高度是矿井防治水及安全开采的重要依据。由于陕蒙矿区地层沉积环境和沉积过程的特殊性,使得该区域导水裂隙发育高度与传统认识差别较大。考虑到目前围绕陕蒙矿区导水裂隙带发育高度计算方法缺失问题,以鄂尔多斯市营盘壕煤矿2217 工作面为工程背景,采用UDEC 模拟研究了不同开采进度下导水裂隙带发育规律及演化特征,分析了大能量事件与导水裂隙带发育的关联关系,进而基于GA-SVR 算法,建立了区域导水裂隙带发育高度精准预测方法。结果表明:直罗组砂岩巨厚的特性使得其在覆岩运动中表现出坚硬岩层的特点,裂隙带在其下充分发育,稳定后也形成“马鞍形”;微震监测数据能精准反映区域导水裂隙带发育高度,预测相对误差仅为3. 90%;建立的导水裂隙带高度预测模型的决定系数R2 为0. 81,相对平均误差r 为14. 55%,预测精度显著优于经验公式(R2 <0,r =59. 57%)。研究成果对于陕蒙矿区保水开采与安全生产设计及矿井水防治具有重要的实践意义。

• 金属矿山井下采场六足机器人运动分析及步态规划

  张旭飞,王运森,孟祥凯,王瑜,周红,李元辉

  六足机器人因其结构特殊带来的良好越障能力成为仿生机器人研究的热点,然而,金属矿山井下采场矿石堆积、崎岖不平的特点,给这类机器人的行走稳定性、越障性带来更多的挑战。因此,为使六足机器人在井下具有更好的通过性,对其运动能力和步态规划进行了相关研究。首先仿照自然界六足生物,设计六足机器人结构,对其腿部进行运动学分析;然后规划了用于采场的直行步态,结合采场路面环境设计了一种直线—摆线复合轨迹提升越障性,同时分析了机器人爬坡稳定性,对爬坡步态进行了优选;最后对规划步态进行仿真和现场模拟试验。仿真和试验结果表明,所规划的足端轨迹能跨越抬腿高度85%的障碍物,并且对矿石堆积形成的采场路面有更好的避障能力;三角步态爬坡时在坡底和坡顶过渡阶段容易打滑,而横向步态可以实现平滑的过渡,爬坡性能更佳。

• 基于轻量化图注意力机制的露天矿卡车调度优化算法

  黄石,陈钊宇,曾蕾

  有效地管理和调度露天矿卡车,有助于大幅提升运输效率、降低矿山运营成本。现有研究聚焦于利用深度强化学习(Deep Reinforcement Learning,DRL)构建学习模型求解路径优化问题,然而,该模型针对Transformer 架构的参数训练时,会产生大量参数冗余。为此,提出了一种轻量化图注意力机制的露天矿卡车调度优化算法。将微分方程数值解法———阿当姆斯(Adams)法用于Transformer 模型的权重学习中,通过Adams 的残差训练方法,可提高网络后期的优化精度,进一步压缩模型的规模,高效求解露天矿卡车调度优化问题。研究表明:该方法在降低最优间隙的同时将源模型的参数量压缩1/2,减少了对GPU 设备的训练依赖。采用随机生成的露天矿卡数据集算例对该算法性能进行了验证,反映出采用Adams-Transformer 模型有助于提升露天矿卡车调度效率。

• 基于SLAM 技术的矿区巷道巡检机器人路径规划优化

  林燕霞,苏丹

  针对矿区巷道环境复杂、道路狭窄等特点,提出了一种基于SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)技术的矿区巷道巡检机器人路径规划优化方法,实现机器人的自主定位和地图构建。采用激光雷达、RGB-D 相机等多种传感器相融合,获取矿区三维点云数据,并使用SLAM 算法实时构建矿区三维地图。同时,通过配准当前获取的点云数据与已构建的地图,实现机器人在矿区内的自主定位。针对矿山中存在的狭窄、弯曲、分支等复杂环境,提出了一种增量式A∗优化算法用于路径规划。该算法在传统A∗ 算法的基础上,引入了路径平滑、走廊宽度约束等优化策略,能生成满足矿区复杂环境约束的平滑可行路径。算法采用增量式方式更新,只需对改变的局部区域重新进行路径搜索,大大减少了整体路径规划的计算耗时。通过试验验证该算法性能,结果表明:与传统路线规划方法相比,该算法能够快速、精准地完成巡检任务,为矿区巷道巡检机器人推广应用提供了参考。

• 基于离散小波域深度残差学习的矿区遥感图像 增强算法

  李亦珂,王春梅

  实现矿区遥感图像增强处理,有助于提升后续图像判别以及相关监测分析效率。以往矿区遥感图像增强一般采用滤波、灰度变换等方法,往往会导致图像大量细节信息丢失,在很大程度上影响了后续判读分析。近年来,深度学习方法逐步应用于图像增强处理,但该方法很大程度上依赖于模型设计和参数合理取值,需要进行大量的试验和优化方可取得理想效果。将深度学习方法(Deep Learning,DL) 与离散小波变换(Discrete Wavelet Transform,DWT)相结合,提出了一种基于离散小波域深度残差学习的矿区遥感图像增强算法。首先将图像进行单级二维离散小波变换,得到4 个子带;然后将4 个子带系数输入深度学习残差网络,预测相应的残差图像增加4 个子带图像和残差图像作为二维小波变换的新子带;最后通过二维离散小波逆变换得到增强图像。试验结果表明:所提算法相对于直方图均衡化和超分辨率重建等方法而言,无论在图像视觉效果以及峰值信噪比、结构相似性、均方误差等评价指标上都具有较好优势,反映出将离散小波变换与深度学习方法相结合,有助于提升矿区遥感图像视觉效果,方便后续图像解译判读工作。

• 冻融循环下地下开采对既有边坡稳定性影响数值分析

  高振宇,苗浩东,常远

  为研究不同地下开采工况下既有冻融边坡的稳定性,本文利用3DEC 对不同冻融次数下既有边坡的采动稳定性进行了数值模拟,从位移、应力、塑性区、安全系数和能量等方面分析了不同地下开采速度和冻融次数对边坡的影响。结果表明:冻融次数的增加会导致坡面位移及应力增大;空区顶板垂直应力以煤柱为中心呈现对称式分布,当开采速度由30 m/ 步变为50 m/ 步时(开采200 m),顶板最大垂直应力从10 MPa 增大到30 MPa。冻融边坡表面的张拉破坏范围会随着冻融次数的增加而逐渐增大,边坡安全系数随冻融次数增加而减小,在冻融20 次后存在失稳风险。冻融边坡的重力势能与耗散能受冻融次数影响较小,且当冻融次数相同时对开采速度变化不敏感;而冻融边坡释放的动能随冻融次数增多而增大,且当冻融次数增多时,不同开采速度下释放的动能差距增大。

• 复杂散体状顶板回采巷道围岩注浆改性控制分析

  张继远,任金武,辛亚军,张盼,张增光,吴春浩

  复杂散体状顶板巷道围岩破坏严重,变形量大,支护困难。通过对复杂散体状顶板巷道围岩变形破坏特征与失稳原因分析,研究了不同配比似膏体注浆材料的浆液密度、析水率、流动度特征,探明了不同水灰比、粉煤灰掺量对似膏体注浆材料强度的影响机制,确定了似膏体注浆材料优化配比与注浆加固支护方案。结果表明:复杂散体状顶板巷道围岩表现为顶板破坏严重呈网兜状下沉,高低帮呈整体“凹”型膨胀变形;散块体、弱胶结、高应力、软煤体、支护失效是巷道围岩失稳的主要原因;随着水灰比、粉煤灰掺量增大,浆液析水率与流动度呈增加趋势、浆液密度则呈降低趋势,水灰比对浆液流动度影响大于粉煤灰掺量;浆液结石体破坏强度随着水灰比与粉煤灰掺量的提高分别表现为加速衰减姿态与急剧下降—缓慢增加—缓慢下降趋势;似膏体注浆材料优化配比的水灰比与粉煤灰掺量分别为0. 6∶1 与80%;采用锚杆(索)+似膏体注浆控制技术方案30 d 后,顶板最大下沉量小于80 mm,两帮最大收敛量小于70 mm,巷道围岩稳定性较好。

• 瓜尔胶处理铝土矿矿泥强度特性及微观机制

  施航向,蒙剑坪,纪静茹,颜荣涛

  生物聚合物作为一种新型环境友好的土壤处理及改良材料,即使使用量很小,也能对土体具有显著的强化作用,因此近年来得到了广泛的运用。本文对不同胶土比(0%、1%、1. 5%和2%)瓜尔胶处理的铝土矿矿泥试样进行了界限含水率测试、快剪试验、核磁共振试验(NMR)和扫描电镜(SEM)等室内试验。试验结果表明,随着生物聚合物的增加,铝土矿矿泥的液塑限及抗剪强度均有所提高,其中2%瓜尔胶含量的铝土矿泥液限提升了26%,黏聚力提升了182%。NMR 试验表明了瓜尔胶能够使铝土矿矿泥试样的含水量增大,且其内部会出现大孔隙。而SEM 图证实了瓜尔胶和铝土矿矿泥颗粒形成瓜尔胶—铝土矿矿泥基质,从而提高了液塑限及抗剪强度。

• 晒旗河磷矿掘进巷道工作面钻孔卸压参数优化

  王其虎,周俊宝,姚囝,骆效兵,伍蒙,张震,凌济锁,黄兆云

  岩爆是困扰晒旗河磷矿安全开采的主要技术难题,该矿钻孔卸压参数与围岩应力分布不匹配,卸压效果有待提高。以该矿+80 m 工作面为研究对象,采用数值模拟对掘进巷道工作面不同钻孔卸压参数下巷道围岩的应力和弹性能变化情况进行分析,探寻最优的卸压钻孔参数方案。引入谷-陶岩爆判据,计算最大主应力和单轴抗压强度的比值,评价卸压钻孔参数优化前后的岩爆等级,验证钻孔卸压效果。研究结果表明:随着钻孔深度的增加,巷道围岩应力先减小后增大,当钻孔深度为10 m 时,围岩应力和弹性能最小;在保持钻孔数量不变的情况下,钻孔间距过小,钻孔周围形成的卸压区域重叠,整体卸压范围受限,钻孔间距过大,每个钻孔间形成的卸压区域无法起到协同卸压作用。卸压钻孔参数优化后最大主应力下降了14 MPa,岩爆风险等级由中等岩爆降为无岩爆。研究结果可为鄂西地区类似矿山卸压钻孔参数的选用提供参考。

• 高抗菌可降解纳纤膜制备及其长效低阻捕尘机理研究

  王志荣,杨婷,柯律,黄荣廷,朱金佗,何新建,徐欢

  煤矿粉尘、空气中细微颗粒物(PM)和病原体的存在,严重危害生态环境和工作人员健康。传统高分子纤维过滤膜在滤除粉尘、PM 和病原体方面显示出一定的作用。然而,传统高分子材料不可降解,易导致塑料污染和微塑料危害,亟需研发兼具高过滤效率、高抗菌效率的可降解纤维过滤材料。本文采用静电纺丝—喷雾相结合的技术,将二氧化钛(TiO2)纳米颗粒直接嵌入聚乳酸(PLA)纳米纤维(PLA@ TiO2 ),同时调控纺丝环境湿度形成串珠结构,从而有效提高纤维膜的电活性、驻极性能和过滤性能,并赋予优异的UV 屏蔽和抑菌性能。在气体流量为85L/ min 时,纯PLA 纤维膜对PM0. 3 的过滤效率仅有83. 9%,空气阻力高达654. 9 Pa,而PLA@ TiO2 纤维过滤效率显著提高且空气阻力明显降低,当TiO2 浓度为4%时,过滤效率高达97. 9%,空气阻力降低到260. 2 Pa。此外,PLA@ TiO2纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效率均达到100%。TiO2 嵌入PLA 纤维还能使纤维膜吸收紫外线辐射,PLA@ TiO2 纤维膜紫外线透过率(TUVB)与纯PLA 纤维膜相比下降到20. 1%,能够防止和避免皮肤损伤等疾病。纳米纤维驻极性能和串珠结构的结合提供了高效过滤、低空气阻力以及高抑菌效率,为减少和预防尘肺病的发生提供了有益的参考。

• 碱激发粉煤灰基铜尾砂充填膏体试块性能与环境 效应研究

  宋宝峰,李和玉,王丽

  为促进矿产资源的可持续利用,保护矿山生态环境,采用一定掺量的碱激发粉煤灰替代水泥制备铜尾砂充填体,通过开展系统的力学、渗透和重金属析出试验,评估了铜尾砂充填膏体试块的强度、抗渗性能和环境效应,结合X 射线衍射和扫描电镜结果分析了胶凝材料的矿物组成和充填膏体试块的微观结构特征,揭示了碱激发粉煤灰对充填膏体试块综合性能的影响及其微观作用机理。结果表明,碱激发可以显著提高粉煤灰的活性,在1 mol/ L 的NaOH 碱激发剂作用下,掺量20%的粉煤灰基铜尾砂充填膏体试块经过28 d 养护,其抗压强度较水泥胶凝试块提高了17. 8%,渗透系数降低了68. 0%,综合胶结效果显著;碱激发粉煤灰的掺入减少了铜尾砂充填膏体试块硬化过程中的重金属析出,有助于控制地下水资源的污染;利用粉煤灰的微细颗粒填充效应和复合胶凝效应,可有效降低铜尾砂的孔隙率,并形成新的水化产物,增强尾砂颗粒间的结合力,从而提高材料的强度和稳定性。

• 低硅铁尾矿制备轻质泡沫混凝土试验研究

  韩厚胜,李育彪,潘梦真,陈坤,张媛,顾雲翔,薛璐韬,蹇守卫

  为解决低硅铁尾矿堆存量大、利用困难等问题,以杨家湾尾矿库内低硅铁尾矿为矿物掺和料,水泥为胶凝材料,Al 粉为发泡剂,制备轻质泡沫混凝土,并考察了水泥掺量、水料比、发泡剂Al 粉掺量、激发剂CaO 掺量等因素对泡沫混凝土性能的影响。结果表明:在铁尾矿掺量55%、Al 粉掺量0. 14%、CaO 掺量5%、聚丙烯纤维掺量0. 3%、稳泡剂掺量0. 25%、水料比0. 55 的条件下,经20±1 ℃恒温恒湿养护28 d,可制备出抗压强度1. 84 MPa、干密度768. 61kg/ m3、比强度2. 394×10-3 Nm/ kg 的轻质泡沫混凝土,综合性能良好,符合JG/ T 266—2011《泡沫混凝土》之A08 干密度等级、C1 强度等级要求。机理分析表明:孔隙率的过度提高会破坏制品内部的孔隙结构,对制品强度造成负面影响;铁尾矿的添加有助于混匀料浆,促进Ca(OH)2 的生成,为料浆进一步创造碱性环境,促进钙矾石、C—S—H 凝胶等水化产物的生成,其与铁尾矿的交织分布会支撑起孔隙结构,改善力学结构,使泡沫混凝土即使在较低密度下仍表现出较好的力学性能。

• 响应曲面法优化含镍铜尾矿还原焙烧—磁选工艺提镍

  陈肖汀,肖军辉,陈正义,李成秀

  针对某含镍铜尾矿镍品位低、矿物组成复杂等问题,以焦炭为还原剂,NaCl、Na2CO3 和NaClO 为添加剂,采用还原焙烧方法对含镍铜尾矿进行预处理,焙烧熟料采用磁选回收镍。采用Box-Behnken 响应曲面法进行试验设计并优化含镍铜尾矿还原焙烧过程中各添加剂用量,分析各因素水平间的交互作用对磁选指标的影响,并建立自变量与响应值间的数学预测模型,确定还原焙烧—磁选工艺处理含镍铜尾矿的最优工艺条件为:NaCl 用量23. 723%、Na2CO3 用量14. 552%、NaClO 用量10%,在此条件下得到预测磁选镍精矿的镍品位为3. 528%。试验结果对优化含镍铜尾矿还原焙烧工艺具有可行性。