金属矿山杂志

金属矿山杂志2025年第5期

• 我国金属矿山智慧化转型实践与展望

  柳小波,丛峰武,张宝金,马新博,陈晓云,张兴帆,王连成

  矿产资源安全供给是实现我国高质量发展和国际竞争力提升的重要保障。然而,由于我国部分关键矿产资源先天禀赋不足,致使对外依存度居高不下,严重威胁了国内资源安全。随着新一代智能技术的快速革新,智慧矿山建设不仅有助于实现行业转型升级,更是成为破解我国矿产资源开发利用瓶颈的关键途径。在此背景下,深入研究智慧矿山的理论体系,持续探索其创新模式,不断推动智能技术与传统矿业工艺的深度融合,对于建设更加安全、高效和环保的矿山具有重大意义。针对当前我国金属矿山高质量、可持续发展面临的多重挑战和新机遇,提出了智慧化转型是打造矿山行业新质生产力的必由之路,资源战略引领、管理创新驱动、技术智慧赋能三位一体是推动智慧化转型的必要保障,并建立了以点突破(技术瓶颈攻关)、线联动(矿石流、信息流、能量流协同优化)、面覆盖(矿业新生态数智赋能)为代表的3 个阶段的智慧矿山建设创新模式。同时结合本研究团队与鞍钢矿业利用深度学习、数字孪生等技术在采矿作业无人化、地质资源数字化等方面研究和实践成果,以鞍钢某地下金属矿山为例,对其“点—线—面”创新模式下智慧化建设过程中的总体架构、具体措施和实施效果进行了深入剖析。最后分别在企业、行业和国家层面对我国金属矿山智慧化转型进行了展望,认为未来应聚焦于通过数智赋能促进矿山企业实现更高层次的安全、低碳和高效开采,全面推进矿山行业的跨界融合和智慧新生态建设,打造矿山行业新质生产力,共同践行国家高质量可持续发展战略规划。

• 露天金属矿典型运输工艺发展现状及展望

  汪昕,李贲,张媛,毕林,代碧波

  露天金属矿运输工艺的改进和优化对降低成本、提高生产效率及减少开采对生态环境的影响具有重要意义。近年来,诸多学者对露天金属矿运输工艺进行了深入研究,涌现出一系列优秀的研究成果。全面梳理了卡车—电铲间断运输工艺(TS)与半连续运输工艺(IPCC)在经济效益、安全性和社会指数、环境影响和可持续性等方面的研究现状。鉴于IPCC 工艺在露天金属矿中展现出的广阔应用前景,对国内外露天金属矿IPCC 工艺优化技术的研究成果进行了归纳和总结,从最佳过渡时间(深度)和安装位置、最佳生产调度与破碎站搬迁计划、最优最终坑界(UPL)与输送机布局等方面深入分析了各种优化技术的研究进展。然而,IPCC 工艺在露天金属矿山的应用上仍存在不足之处,即:① 在露天金属矿运输工艺评价方面,多数研究仍停留在单一指标维度,少数涉及多指标综合评价的工作尚未建立统一的评价框架,无法全面准确地反映运输工艺的整体性能;② 现阶段多数研究主要通过数学建模或仿真模拟预测露天矿运输工艺的性能,但这类研究方法缺乏考虑如设备故障、天气条件等不可预测事件对运输性能的影响;③ 目前IPCC 运输工艺优化模型主要关注成本效益,较少涉及环境和社会等因素,且在求解模型时通常采用启发式算法,模型收敛速度和解的全局最优性受限于具体问题特征与算法参数取值。针对以上不足之处,面向“十五五”时期以及更长远的高质量发展要求,露天金属矿运输工艺的研究与优化应向以下方向深化:① 构建多维度、多层次的综合运输工艺评价体系,充分考虑各关键指标之间的协同与制约关系;② 引入机器学习、深度强化学习等智能算法,提升运输工艺的动态优化与预测能力;③ 基于启发式与元启发式相结合的算法框架,开发覆盖经济、环境、社会等多维目标的综合优化模型;④ 探索“区段—块段—条带”开采模式下的阶段式移动破碎新理念,提出面向矿石流的“短程转载—移动破碎—大倾角提运”的广义连续运输新工艺,为新一代智能矿山建设提供理论支持与技术路径参考。

• 竖井井壁结构设计理论研究现状及发展趋势

  陈弦,张基伟,张佳鑫,吴卫东,潘锋,张叔胤,张忍杰

  随着我国深部矿产资源开发需求的不断增加,竖井井壁结构设计理论面临着严峻的挑战。尤其是在千米级深井建设中,传统设计理论的滞后性与复杂的地质条件之间的矛盾日益突出,亟需进行系统的理论研究与技术创新,以满足深部资源开发的实际需求。系统梳理了单层、双层及复合井壁结构的发展历程,深入分析了其在不同地层环境下的力学响应特征。在此基础上,总结了传统井壁结构在深部高地应力、高渗透水压及高温耦合作用下的失效机制,并进一步揭示了井壁—围岩相互作用机理。通过构建多参数耦合的井壁厚度优化计算模型,定量评估了埋深、围岩强度等关键参数对承载力的影响,明确指出了传统设计在千米级深井中安全冗余不足的问题。基于上述研究,提出了多维参数耦合分析模型,将地质受力评估、结构体系优化与井壁设计理论有机结合,为适应深部复杂地质条件提供了新型结构优化方案。同时,通过对比分析了国内外竖井井壁设计规范中载荷结构法的理论体系及其工程适用性,系统探讨了各规范基于厚壁圆筒理论的差异化设计准则。总结了拉麦公式在浅层匀质岩体中具有普适性,但在深部复杂地质条件下存在显著局限;多姆克公式虽然改进了冻结壁厚度计算方法,但是其结果与实际工程需求存在深度悖反现象;包神公式引入流固耦合作用机制,实现了技术突破;锚注结构衬砌支护公式通过预锚注技术实现围岩—支护协同承载,为千米级深竖井设计提供了创新路径和理论框架。研究表明:① 相较于传统圆形断面,椭圆形竖井在深部建井工程中展现出显著的稳定性优势,其特有的应力重分布特性可有效降低岩爆等动力灾害发生概率。② 现有井壁稳定性理论体系在千米级以浅竖井工程中已初步验证有效,但在千米级以深竖井应用中尚未系统涵盖高地应力与温度应力的多场耦合效应,在结构参数动态优化、非均匀地质适配及深部多场耦合效应解析精度等方面存在亟待突破的技术瓶颈。③ 现行井壁设计规范提高了竖井井壁的安全性能,可为高水压环境下的支护设计与施工提供指导。④ 通过构建考虑围岩—支护动态响应的预锚注初期支护力学模型,建立了基于三维数值仿真的锚注结构衬砌支护理论体系,为深部复杂地层支护设计提供了理论基础。在上述分析的基础上,剖析了深竖井工程在超2 000 m深度面临以下挑战:传统理论难以解析高水压、高地温和复杂应力的耦合效应;二维模型在三维应力场中的精度不足;化学腐蚀导致的材料劣化缺乏完善的评价体系。“十五五”乃至更长一段时间内,竖井井壁结构设计的研究应聚焦于以下方面:研发自适应应力调控与纳米复合增强材料;构建数字孪生平台,实现全生命周期管控;推动低碳化转型,推广3D 打印再生混凝土技术;突破深部恶劣环境下的长效服役技术,开发多层梯度复合材料井壁,并优化椭圆形井壁的应力调控机制,提升极端条件下井壁的耐久性和可靠性。上述分析对于破解深部竖井工程中高地应力、高温、高水压多场耦合作用下的井壁失效难题具有参考意义。通过建立多维参数耦合分析模型及新型复合井壁技术体系,为千米级深井井壁结构设计提供了理论基础。

• 高压电脉冲致裂煤岩增透技术研究进展与展望

  蒋长宝,吴家耀,闫发志,彭守建

  我国大部分煤层低透气性的特点严重制约了煤层气高效开采,高压电脉冲作为一种安全、环保且重复可控的煤岩致裂增透技术,在煤层增透领域展现了广阔的应用前景。结合业内多年研究成果,回顾了高压电脉冲技术的基本概念及发展历程,剖析了该技术的致裂增透机制,并围绕放电参数、煤岩电学特性、煤岩矿物分布及孔裂隙特征、赋存条件4 个方面系统梳理了高压电脉冲煤岩致裂增透理论的研究进展。研究表明:2015 年以来,高压电脉冲技术研究热度显著上升,其典型作用机制包括液电效应和电破碎效应;高压电脉冲击穿煤岩过程可分为电场加载、极化、击穿和稳定4 个阶段,煤岩孔隙结构在应力波作用下经历了扩孔、破裂、贯穿和扩展裂隙的演化模式,从而提高了渗透性;放电参数决定裂隙网络的优化程度,煤岩电学特性影响击穿难度与能量传递,矿物分布及孔裂隙特征控制等离子体通道的形成与裂纹扩展,地应力与气体压力的耦合作用则共同调控煤岩裂隙演化与渗透性变化。基于上述分析,指出了该领域发展存在的主要问题,包括信息获取困难、致裂增透机制尚不明确及击穿场强较高等,展望“十五五”乃至更长时期,认为该领域未来发展的着力点在于:① 发展高压电脉冲致裂煤岩的实时监测技术;② 构建高精度的热流固化电多物理场耦合模型;③ 探索高压电脉冲协同多技术致裂煤岩增透。以期突破现有瓶颈,推动该技术的进一步发展。

• 矿井粉尘防治技术研究进展及发展趋势

  司俊鸿,王雨晨,李林,范若婷,郭晓洁

  粉尘对矿井的工作环境和作业人员的职业健康造成威胁,制约着矿井安全生产。为进一步改善工作环境,从粉尘产生原因、特性和危害出发,系统梳理了国内外近20 a 矿井粉尘防治技术的研究进展,建立了矿井粉尘防治技术体系,通过对比技术优劣势,指明了现阶段矿井粉尘防治技术的研究方向。结果表明:矿井粉尘防治技术主要包括抑尘剂降尘、煤层注水、喷雾降尘、除尘器捕尘、通风排尘、密闭控尘和个体防护7 大类,其中:① 抑尘剂降尘技术的研究聚焦于绿色复合抑尘剂开发、抑尘作用机理分析和特殊工况产品定制;② 煤层注水技术和喷雾降尘技术聚焦于技术创新、参数优化和技术联合应用;③ 除尘器捕尘和通风排尘致力于实现智能低耗管理目标,研发高性能系统或设备;④ 密闭控尘注重材料结构的升级和智能化系统研发;⑤ 个体防护材料的研发重点是兼具高性能与舒适感的轻便防护用品。基于上述分析,剖析了各类技术研究存在的薄弱环节,并给出了未来发展方向。认为:① 煤层注水工艺参数与实际煤层地质条件的适配性差,导致向煤层注入的水分呈不均匀分布,降尘效率低;② 抑尘剂降尘与喷雾降尘技术受环境波动影响大;③ 喷雾降尘技术、除尘器捕尘技术和通风排尘技术在参数优化与调控方面存在技术应用滞后问题,密闭控尘结构负压适配差,有逸散风险,在智能监测、负压调控及协同联动方面存在不足;④ 个体防护难以平衡舒适性与防护性能的关系。该领域未来研究重点在于:突破粉尘防治理论研究瓶颈,完善矿井粉尘防治理论体系;加大粉尘防治技术与设备的研发及应用力度;积极引入人工智能和大数据技术,提升矿井粉尘防控的智能化水平。

• 基于知识图谱的煤矿液态二氧化碳防灭火技术 研究进展与展望

  白刚,王新阳,周西华,张潇文,王继仁,宋双林

  在矿山开采领域,火灾始终是困扰安全生产的重大难题之一,传统的防灭火技术虽各有特点,但都存在着一些不足,而液态二氧化碳因其独特的物理化学性质受到关注,近年来相关技术研究快速发展,为其在矿井防灭火领域的应用提供了有力支撑。在此背景下,就中国知网中检索2000—2024 年收录的190 篇文献,利用文献可视化分析软件VOSviewer 对我国液态二氧化碳防灭火技术研究进展进行探究,分析作者共被引、关键词共现等特征,并结合文献计量学方法,讨论了我国液态二氧化碳防灭火技术的发展历程、时空分布与热点方向等发展特征。研究结果表明:2000—2024 年液态二氧化碳防灭火技术研究整体呈上升趋势,利用VOSviewer 的作者共被引功能,发现目前存在6 个科研成果产出较高的学术团体;VOSviewer 的关键词共被引聚类图表明,目前已形成了3 个相关性密切的关键词聚类,分别为采空区防灭火研究、液态二氧化碳防灭火技术研究、二氧化碳相变特征研究。在此基础上,剖析了我国液态二氧化碳防灭火研究存在的不足:① 技术应用存在局限性;② 二氧化碳灭火机理研究不足;③ 监测评估体系不完善;④ 关键技术突破与设备研发面临瓶颈。未来发展方向应聚焦于:① 构建全流程综合应用策略,强化技术集成与协同创新;② 深化微观机理探索,构建系统性理论模型;③ 完善监测体系建设,优化评估方法与手段;④ 攻克输送技术难题,研发智能管道安全设备。

• 低品位厚大矿体下向扇形深孔爆破精细控制 与参数寻优方法

  安龙,符洲云,张家华,韩琳

  阶段空场嗣后充填采矿方法因其大产能、高效率、低成本的优势,被应用于开采低品位厚大矿体。该方法在增大产能的同时也对爆破提出了更高的要求。由于爆破参数不合理,极易造成大体积超欠挖与大块增多等问题,从而影响了矿山高质高效开采。为此,从爆破边界与块度控制角度出发,提出了一种基于经验设计与影响权重分析相联合的爆破参数寻优方法。通过经验设计方法初步确定爆破参数的取值范围,分析了主要爆破参数对爆破超欠挖和块度分布的影响规律与影响权重,以超欠挖和大块率最小为目标确定最优爆破参数。以山东某金矿为例,获得了孔径、抵抗线、孔底距以及微差时间对爆破超欠挖以及大块率的影响规律,采用加权最小二乘法计算得到炮孔直径对爆破效果的影响最大,而孔网参数最小。在此基础上优化爆破参数,当孔径100 mm、抵抗线2. 5 m、孔底距3. 3 m、微差时间75 ms 时,预测的爆破超欠挖量以及不合格块度占比最小。现场工业试验反映出,采用以上参数进行回采爆破边界清晰,爆堆块度分布均匀。所提爆破参数寻优方法,对于扇形深孔爆破控制具有一定的参考价值。

• 周边孔间距对巷道边界形成过程与形态的影响研究

  彭建宇,石勇辉,周远航,孙玉福,王晓南,刘杨

  为研究周边孔间距对巷道边界形成过程及最终成型效果的影响,开展了双孔爆破物理模型试验及数值模拟研究。首先预制了含周边孔待爆区的水泥砂浆试样,借助金属丝电爆炸产生冲击波,提出了周边孔爆破物理模拟方法。其次,利用罗氏线圈监测电流波形,结合理论分析,反演得到了金属丝电爆炸产生的载荷。然后,利用3D 扫描仪获取试样爆破后的形貌,研究破坏区轮廓和孔间断裂面的平整度随孔间距的变化规律。最后,建立了数值计算模型,进一步分析了应力波的传播过程和试样内部损伤的形成机制。研究结果表明:① 孔间距较小时,两孔间超挖现象严重;随着孔间距增加,两孔间的断裂面趋于平整,爆破效果得到改善。② 孔间距较小时,两孔间的应力波更快发生叠加,裂纹更易贯通,损伤较为严重;孔间距较大后,两孔间应力波碰撞时间延迟;裂纹贯通时间延后,诱发的损伤深度也相应降低。③ 损伤演化与应力的关联分析显示环向应力是孔间连线中点位置损伤形成的主要原因。

• 水淬渣基采空区灌注充填材料研发与应用

  江宁,孟书宇,周川,高志友,赵同超,白晨达,张阳阳

  为解决水泥基采空区灌注充填材料成本高、污染大的问题,选取固废水淬渣、粉煤灰为主体材料,以及脱硫石膏、石灰为激发剂制备出水淬渣基灌注充填材料。通过正交试验,系统分析了不同水灰比、水淬渣与粉煤灰质量比、脱硫石膏掺量和石灰掺量对浆液的析水率、结石率、流动度、黏度及结石体单轴抗压强度的影响,通过XRD 和SEM 测试探究了其微观机理,并进行了现场应用验证。结果表明:随着水淬渣目数增大,浆液结石体抗压强度逐渐增强;水灰比是决定浆液性能的关键因素,水淬渣与粉煤灰质量比对结石体抗压强度影响显著;综合分析得到水淬渣基灌注充填材料最佳配比为水灰比0. 6、水淬渣与粉煤灰质量比7∶3、脱硫石膏掺量2%、石灰掺量4%;结石体内部主要矿物成分为石英、方解石和莫来石,且反应过程中生成水化硅酸钙、水化硅铝酸盐凝胶、钙矾石等水化产物。通过工程实践应用反映出,水淬渣基灌注充填材料具备良好的适应性和综合性能,满足相关设计规范要求,具有一定的经济及环境效益。

• 矿冶全固废材料“ 搅拌+养护” 两段式载碳充填方法

  王富林,王楼,徐崇晰,何梓阳

  随着CO2 捕集封存与利用技术(Carbon Capture,Utilization,and Storage,CCUS)的发展,矿山胶结充填被赋予新的功能内涵,载碳方法、材料和机制成为载碳胶结充填技术发展的关键基础。为构建与矿山胶结充填工艺流程协同的CO2 捕集封存与利用技术,实现“更低价、更低碳、更稳定”的矿冶全固废载碳自激发井下充填目标,探究了基于膏体充填典型工艺流程的“搅拌+养护”两段式载碳充填方法。基于CO2 利用与储集方式,分析了矿山充填料浆制备、固结过程的载碳方式及机制,提出了“碳减排、碳利用、碳封存”三位一体的生态充填框架,设计了“搅拌+养护”两段式载碳生态充填流程,研制了室内两段式载碳试验装置。以粒化高炉矿渣、钢渣等矿冶全固废为研究对象进行了探索试验,结果表明:一段搅拌载碳矿化可有效提高充填材料的早期力学性能,对于缩短采充作业循环具有积极意义;二段养护载碳有助于早期强度形成,但固结体矿化不均匀且内部矿化程度普遍低于表层。在上述分析的基础上,剖析了搅拌和养护2 种载碳方法试验过程中存在的难点,研究结果对于完善矿山载碳充填的工程化应用有一定的参考意义。

• 尾矿坝数字孪生:内涵、系统架构与关键技术

  郑彬彬,杨阳,聂闻,王文松,杨永浩,王玉康

  尾矿坝是金属非金属矿山必要的生产和环保设施,也是人造泥石流危险源,如何充分发挥新一代信息技术优势,解决尾矿坝智能安全管理中的数据孤立化、信息孤岛化和应用离散化等问题已成为亟待解决的难题。介绍了尾矿坝数字孪生(Digital Twin of Tailings Dam,DTTD)的内涵,利用尾矿坝物理模型、传感器数据、运行历史数据等多源信息,在虚拟空间中构建尾矿坝及其运行环境的精确数字模型,实时动态反映尾矿坝实际运行状态、行为、功能和性能,为尾矿库安全管理提供决策支持。阐述了尾矿坝数字孪生六维模型,总结了尾矿坝数字孪生“形性关联、算测融合、虚实交互、两体一化”的特征,从基础支撑层、模型构建层、仿真分析层和功能应用层4 个层面搭建了尾矿坝数字孪生系统架构。剖析了尾矿坝数字孪生涉及的关键技术及应用场景,以期实现尾矿坝物理实体与虚拟模型的交互共融,达到安全风险智能感知与精准动态预警的目标。DTTD 的应用将支撑尾矿坝安全管理的感知、表达、监测、模拟、仿真、预测与控制,有望显著提高尾矿库智慧化安全管理效能。

• 鄂西磷矿智能矿山建设现状与发展方向

  柴修伟,张龙,胡建华,肖红星,彭亚利,刘光俊,徐亮,赵祥波

  湖北磷矿探明储量居全国第一,主要分布在鄂西地区,即宜昌磷矿、兴(山)—神(农架)磷矿和保康磷矿三大磷矿基地,矿床呈层状缓倾斜产出。基于鄂西磷矿缓倾斜薄矿体的特征,发展智能化采矿是矿山企业提质增效的重要举措。以鄂西磷矿树崆坪磷矿、挑水河磷矿和白竹磷矿为例,分析总结了鄂西磷矿矿山智能化建设的特色与不足,认为各矿山单一生产环节的智能化建设水平各具特色,但各系统彼此独立,关联兼容不足,多源异构信息数据融合还不够,容易形成信息孤岛。在上述分析基础上,讨论了未来发展方向,认为后续应加强矿山生产大数据与现代信息传输技术的深度融合,对传统缓倾斜薄矿体采矿工艺进行分步智能升级改造和矿山生产总体智能管控设计协同进行,逐步推进鄂西磷矿区矿山智能化建设的整体水平。

• 浸水与应力共同作用后岩体结构面本构关系试验研究

  张鹏海,贺忠媛,杨天鸿,刘溪鸽,侯俊

  水力耦合作用下结构面抗剪强度降低是诱发顺倾滑坡的主要原因之一,因此,研究浸水与应力共同作用下的结构面剪切力学行为可以帮助解译顺倾边坡的滑移失稳机制。以研山铁矿东帮顺倾含水边坡为工程背景,开展了不同浸水时长及应力水平共同作用后的贯通结构面剪切试验,在分析结构面剪切应力及应力—位移曲线变化规律的基础上,分别采用非线性回归及分阶段拟合方法构建了浸水与应力共同作用后的结构面剪切应力拟合公式及剪切本构模型。研究结果表明:① 随着浸水时长和预应力增大,结构面峰值及残余剪切应力、黏聚力和内摩擦角呈现负指数型下降趋势,黏聚力劣化程度明显高于内摩擦角;② 浸水时长及浸水过程中施加的预应力均会对结构面的剪切应力产生影响,且预应力大小的影响程度略高于浸水时长;③ 浸水、应力共同作用后,剪切法向应力的增加不仅提高了峰前阶段的剪切刚度,还降低了峰后阶段的刚度下降速率;④ 以屈服点、峰值点及残余应力点为分割点构建的新型剪切本构模型显著优于传统剪切本构模型,更加适用于描述浸水及应力共同作用后的结构面剪切行为。研究成果为理解和预测结构面控制型浸水边坡滑移失稳过程提供了坚实的试验基础,有助于提升对浸水边坡稳定性评估的科学性和准确性。

• 酸性干湿循环作用下岩溶区灰岩声发射特征研究

  张研,袁普龙,范聪,荆浩然

  为进一步探究岩溶区地表灰岩受酸雨侵蚀后的力学损伤特性,使灰岩分别在pH= 3、5、7 溶液中进行10、20、30、40 次干湿循环,再分别在围压为3、5 MPa 下进行常规三轴压缩试验,并采用声发射技术进行全程监测记录。针对不同工况下所采集的应力和振铃计数、累计振铃计数、RA、AF 值、声发射b 值等声发射特征值进行分析,研究结果表明:振铃计数与累计振铃计数随着酸性干湿循环次数增加而减少,灰岩受压破坏时间有所提前,灰岩表现出由脆性破坏转向延性破坏的趋势。相较于干湿循环次数,pH 值对灰岩性质劣化的影响更大。灰岩在三轴受压时的破坏形式与所处的酸性环境和干湿循环次数无明显关系,与围压大小有关。声发射b 值在灰岩破坏前易出现平静期,可以视作破坏前兆。研究结果可为岩溶区岩质边坡治理和灾害预警提供参考。

• 露天矿复杂采空区灾害风险评价分析及治理措施

  郭文砚,李伟,张秋园,陈清通,姚恒

  针对元宝山露天矿工作帮前方巷柱式与长壁采空区灾害问题,通过现场实测、理论分析和经验类比相结合的研究方法,评价分析了不同采空区类型顶板塌陷、积水、自燃和边坡失稳灾害风险,提出了采空区灾害治理措施和治理时序,划分了采空区灾害危险性类型,并提出了区域灾害防治重点。结果表明:巷柱式采空区煤柱失稳与顶板突发塌陷、残煤自燃灾害风险较高,计算的巷柱式采空区初始顶板安全厚度为60 m,煤柱稳定性系数为1. 36~1. 89;长壁采空区积水疏排量大,地表大型设备倾覆与局部陷落、工作帮侧向突水、残煤自燃及边坡失稳灾害风险较高,计算的长壁采空区侧向防隔水煤岩柱厚度为58 m;结合工作帮采剥进度、采空区条件和灾害风险程度,可将采空区划分为7 个区域和一般危险、较危险和严重危险共3 种类型,并提出了相应的区域灾害治理措施。

• 陕北采煤沉陷区覆岩层状结构对凹形黄土坡面形态的 影响及土壤侵蚀效应

  宋世杰,张家杰,王双明,柳青,程霞,牛瑞琳,白莉,郭利鹏

  采煤沉陷区的水土流失防治已经成为黄河中游生态保护与高质量发展亟需重点突破的关键问题。覆岩层状结构作为煤炭地质赋存的重要特征和地下采动效应自下而上传递的载体,在相同采矿条件下控制着采动后地表的基本形态,进而深刻影响着采煤沉陷区的土壤侵蚀效应及变化规律。以陕北黄土沟壑区2-2 主采煤层地质赋存特征为原型,以砂层系数(60%、67%、71%、75%、83%、88%)、砂泥比(6 ∶4、7 ∶3、8 ∶2)2 个覆岩层状结构关键特征及采厚(3 m、5 m)为变量,共构建了36 个不同类型的数值模型;基于FLAC3D 数值模拟软件,研究了不同覆岩层状结构类型下采煤沉陷区25°凹形黄土坡面的形变特征和规律,分别采用中国水土流失方程(CSLE 模型)和区域经验模型,计算与分析了凹形黄土沉陷坡面的土壤侵蚀效应。结果表明:① 在既定采厚且任意砂泥比条件下,凹形黄土沉陷坡面坡度的增幅随砂层系数的增加均增大,当砂层系数超过71%时,会消除不同采厚对凹形黄土沉陷坡面形态变化的影响差异,当超过75%时则基本丧失对凹形黄土沉陷坡面形态变化的影响;② 无论是年侵蚀降雨尺度(M1 )还是典型场次侵蚀降雨尺度(M2)下,凹形黄土沉陷坡面土壤侵蚀模数的增幅均会随砂层系数的增加而增大,并存在迅速增大、趋于稳定的两段式变化过程,M1 增幅为4. 18%~5. 39%,M2 增幅为6. 71%~8. 05%,当砂层系数超过75%时,基本丧失对凹形黄土沉陷坡面不同尺度土壤侵蚀模数变化的影响;③ 在既定砂层系数条件下,砂泥比≤60%对应的M1 和M2增幅明显高于砂泥比>60%;④ 砂层系数是影响凹形黄土沉陷坡面土壤侵蚀变化的首要覆岩层状结构特征,可作为陕北采煤沉陷区坡面尺度水土流失效应“地下超前防控”的重要地质依据。对于“砂层系数≤75%”的采煤沉陷区,可以通过控制地下采厚的方式实现坡面尺度水土流失效应的超前防控;对于“砂层系数>75%”的采煤沉陷区,地表坡面土壤侵蚀的加剧程度已不再对地下采厚敏感,以致在满足区域土壤侵蚀强度总体控制目标的前提下,还存在增大采厚、提高采煤效率的空间。

• 基于集成学习的综掘面粉尘浓度预测模型

  王和堂,谭江龙,杨天龙,刘焱,王辉,杨景皓

  针对现有的粉尘监测预警技术存在数据延迟高、信息融合差和预测精度低等缺陷,利用杭来湾煤矿30202 综掘面粉尘监测数据集,集成机器学习和深度学习混合算法框架,构建了多变量特征耦合的粉尘浓度预测模型。基于偏差—方差均衡准则对预测模型进行了超参数优化,并采用均方误差(MSE) 与平均绝对百分比误差(MAPE)双指标评估模型预测效果。结果表明:① 机器学习算法的MSE 普遍低于深度学习算法,其局部准确性优于深度学习算法,MAPE 和整体稳定性则相反,XGBoost 和Bi-RNN 分别是机器学习和深度学习算法中预测结果局部准确性和整体稳定性最优的。② 机器学习、深度学习及混合集成模型较基学习器平均MSE 降低了23. 86、11. 82、24. 84;机器学习模型的MAPE 提高了0. 42 个百分点,其余2 种模型的MAPE 分别降低了0. 83、1. 08 个百分点,混合集成模型兼具机器学习局部准确率高和深度学习整体稳定性强的特点,整体预测效果最好。研究结果可为矿山智能精准高效降尘技术的发展提供理论基础。

• 基于贝叶斯优化集成学习的矿井通风阻变型故障诊断

  李兵磊,孙妍,张化进,宋方家,龙翼,蔡和

  通风阻变型故障会导致矿井风流供需失衡,影响矿山生产安全。针对目前机器学习易误判和陷入局部最优解的问题,提出了基于贝叶斯优化集成学习的矿井通风阻变型故障诊断方法,提升模型的准确性和稳健性。基于矿井通风网络故障诊断数据集,构建了6 种代表性集成学习模型,并通过贝叶斯算法优化其超参数,最后系统分析了集成学习在矿井通风阻变型故障诊断中的可行性和适用性。仿真试验结果表明:贝叶斯优化集成学习方法可有效辨识和诊断矿井通风阻变型故障,其中极度随机树、XGBoost、LightGBM 模型诊断准确率为100%,明显优于常见的机器学习模型。综合模型准确性和确定性程度看,推荐采用XGBoost 与LightGBM 算法进行矿井通风阻变型故障诊断,其诊断准确率高,不确定性程度低,可为矿井智能化通风提供理论依据与方法指导。

• 铁矿破碎硐室氨气时空运移规律及通风除氨优化 技术研究

  李世航,黄渝杰,侯钧,付士根,于振建,侯淦,户书达

  铵油炸药因成本低、制作简单等优势在金属矿山爆破开采中被广泛使用,但其爆破过程中产生的副产物氨气易附着于矿石表面和孔隙中,在矿石破碎过程中受到破碎机的挤压、撞击等作用易导致氨气释放。由于破碎硐室多为半封闭空间,通风条件有限,氨气难以迅速稀释和扩散,易造成氨气局部浓度过高,对矿山安全和工人健康构成威胁。为此,基于CFD 平台,结合组分输运模型与湍流模拟方法,提出了一种铁矿破碎硐室氨气时空运移规律分析及通风除氨优化技术思路,并以李楼铁矿为例对所提方法进行了应用验证。首先分析了氨气在破碎硐室中的时空运移规律,在此基础上研究了不同压风量对破碎硐室中氨气扩散的影响规律;其次在总压风量不变的情况下研究混合通风方式和抽风量对氨气扩散的影响规律。结果表明:在仅采用压入式通风条件下,破碎硐室内存在明显的通风死角,气流循环受阻,且随着压风量增加,氨气反而出现积聚趋势,表明单一通风模式难以满足复杂空间的有害气体控制需求;所提出的通风除氨优化技术通过在两侧破碎口设置抽风点并引入混合通风方式,在实现总风量平衡的前提下打破原有封闭气流结构,形成更合理的循环风场,有效降低了氨气在破碎口处的停留时间,在总压风量为400m3 / min、单侧抽风量为200 m3 / min 时,破碎硐室氨气浓度取得最佳的控制效果。

• 鹅公山火山盆地铀铜多金属矿化蚀变信息提取 及找矿预测

  许谱林,熊建,程博,刘龙,郭福生,张炜强,钟鹏飞,杨崇根

  鹅公山火山盆地位于钦杭多金属成矿带东段,也处于赣杭铀成矿带中段,区内已探明有3 个铀矿床、十余个铀矿点、矿化点以及永平大型铜矿床,具有较大的找矿潜力,但近些年该地区找矿鲜有突破。选取Landsat 8 OLI遥感数据,采用影像预处理、消除和抑制干扰因素、主成分分析和密度分割法提取铁染和羟基蚀变异常信息,并通过地质调查对蚀变异常进行评价,再结合地表矿化信息以及成矿地质要素开展了找矿预测。研究表明:① 铁染和羟基蚀变异常与已探明的铀铜多金属矿床吻合性较好,主要分布于赋矿围岩中,形态呈近EW 向、NE 向以及NW 向,受赋矿围岩、导矿、控矿断裂控制明显;② 基于铁染和羟基蚀变异常分布特征以及铀铜多金属矿化地质特征在研究区圈定了3 处找矿有利远景区,其中Ⅰ#、Ⅱ#远景区具有寻找铀钼多金属矿床的潜力,Ⅲ#远景区值得进一步开展铜金多金属矿产资源探索。研究进一步反映出借助遥感技术手段提取矿化蚀变信息、分析成矿要素,进而开展找矿预测的研究思路对于工作程度较高地区实现找矿突破有一定的借鉴意义。

• 西藏帮中锌铜矿地质特征及频谱激电法深部找矿预测

  邹俊,余舟,谢伟,强羽,袁宵,陈宁

  西藏林周县帮中锌铜矿区位于冈底斯成矿带中段,经历了复杂的构造—岩浆—成矿作用,具有良好的锌铜多金属成矿背景。为实现帮中矿区深部隐伏矿产找矿突破,结合矿区地质特征,开展了频谱激电工作。由于矿区地形陡峭、矿体产状近直立,基于频谱激电的四参数对低阻高极化体难以精准定位,无法反映出地层及矿体真实的空间分布特征。故采用由已知到未知的原则,在已知矿体上开展频谱激电剖面测量,选取不同频段的频散率、视电阻率进行了反演对比分析。试验结果表明:与频谱激电的谱参数反演结果相比,频散率、视电阻率经最小二乘法反演的地层和矿体产状恢复效果更好;同时,矿体和碳质岩体虽然在反演剖面上均表现为高极化特征,但在电阻率最小二乘法反演结果上可由空间位置与异常产状区分;通过多组频率的频散率和视电阻率进行L1 正则反演,最终确定1 Hz 与0. 125 Hz 的异常响应与已知矿体对应最好,矿体在L1 正则反演剖面上表现为陡立产状的高低阻接触带与“纺锤状”高极化异常。根据试验方案及处理参数,在工区北部发现了类似异常,经水平钻孔验证发现视厚度为25 m 的锌铜矿体。所采用优选的双频频散率和视电阻率进行L1 正则反演是一种新颖的找矿方法,对于复杂地区深部隐伏矿体寻找比较有效。

• 氟碳铈矿对赤铁矿磁化还原的影响规律研究

  吴李娜,孙永升,高鹏,张强

  磁化焙烧工艺是处理复杂难选铁矿石最有效的手段。为了深入探究氟碳铈矿对赤铁矿磁化还原的影响规律,对赤铁矿纯矿物体系及氟碳铈矿-赤铁矿二元体系进行了相同条件的磁化焙烧—磁选试验,并对焙烧产物进行了磁性、物相及微观形貌演变规律研究。结果表明:在相同还原条件下,氟碳铈矿-赤铁矿二元体系中赤铁矿的转化率始终高于赤铁矿纯矿物体系;振动样品磁强计分析显示,较低温度下二元体系的比饱和磁化强度更高;XRD 分析表明,在相同温度下,二元体系中磁铁矿的衍射峰数量更多、强度更强,说明磁铁矿的结晶度更高,且产物中的磁铁矿含量更高;扫描电镜分析结果显示,焙烧温度为550 ℃时,赤铁矿纯矿物体系基本还原为磁铁矿,而氟碳铈矿-赤铁矿二元体系已呈现过还原状态。以上分析表明,氟碳铈矿对赤铁矿的还原具有促进作用。

• 新型阴离子捕收剂YZ 浮选某高硅铝土矿石研究

  陈猛强,刘文刚,王永伦,刘文宝

  广西某铝土矿Al2O3 品位44. 45%、SiO2 品位16. 10%、铝硅比2. 76,矿石特点为低铝、高硅、低铝硅比,开发利用难度较大。研究采用自主研发的新型阴离子捕收剂YZ 开展了正浮选铝土矿试验,系统考察了浮选温度、矿浆pH 值(Na2CO3 调节)、抑制剂(Na2SiO3)用量、捕收剂用量及磨矿细度等因素对脱硅效果的影响。结果表明,在其他条件相同的情况下,YZ 浮选效果更优,工业现场1#捕收剂的效果优于传统捕收剂油酸钠;磨矿细度为-0. 074 mm占95%的矿石,以Na2SiO3 为高岭石等硅酸盐脉石矿物的抑制剂,Na2CO3 为矿浆pH 调整剂(pH= 10),在30 ℃下采用1 粗1 精2 扫、中矿顺序返回闭路流程正浮选,以YZ 为捕收剂的精矿指标总体优于现场1#捕收剂所对应的精矿指标,其中精矿Al2O3 回收率高2. 47 个百分点,铝硅比高0. 61,Al2O3 品位低2. 05 个百分点,YZ 所对应的精矿符合《铝土矿石》(GB/ T 24483—2009)规定的DLK4-45 质量标准要求。

• 四川某矿深部高锌铜硫多金属矿石浮选试验研究

  郭帅,傅开彬,魏浪,李贺,陈晓辉,刘琪

  为了解四川某铜矿深部高锌铜硫多金属矿石的可选性,以深部代表性岩芯样为对象,在工艺矿物学研究基础上进行了选矿试验研究。结果表明:① 矿石Zn、Cu 和S 品位分别为2. 62%、2. 02%、16. 34%,主要有价矿物磁黄铁矿、黄铜矿和铁闪锌矿含量分别为35. 48%、5. 29%、4. 06%,脉石矿物主要为石英、绿泥石、钠长石、钾长石等。磁黄铁矿呈半自形粒状、粒状及不规则状,大小0. 05~ 2. 00 mm;黄铜矿呈叶片状、粒状、针状及不规则状,大小0. 01~3. 00 mm;铁闪锌矿呈半自形粒状、粒状、针状及不规则状,大小0. 01~1. 50 mm,主要目标矿物单体解离相对容易,当矿样碎至-2 mm 的情况下,这些金属矿物大多呈单体形式存在,仅少部分与脉石矿物连生或被脉石矿物包裹。② 矿石在磨矿细度为-0. 074 mm 占60%的情况下,采用1 粗2 精3 扫流程浮铜、1 粗3 精3 扫流程浮锌、1 粗2 精3 扫流程浮硫闭路流程处理,可获得铜品位21. 20%、铜回收率90. 80%的铜精矿,锌品位37. 74%、锌回收率77. 23%的锌精矿,硫品位39. 15%、硫回收率47. 33%的硫精矿,分别满足三级铜精矿、近四级锌精矿和二级硫精矿质量指标要求,尾矿铜锌品位非常低,浮选效果良好,试验结果可作为现场工艺优化调整的依据。

• 山东某蚀变岩型金矿石选矿试验研究

  王凯金,吴凯,张照浩,马英强

  为了确定山东某蚀变岩型金矿石的合理开发利用工艺,进行了选矿试验研究。结果表明,矿石金品位为3. 85 g/ t,伴生可综合回收元素银品位为4. 15 g/ t;金主要以裸露金的形式存在,分布率为76. 62%,其次为硫化物包裹金,分布率为18. 18%。矿石在磨矿细度-74 μm 占50%,以硫酸铜为活化剂,丁基黄药为捕收剂的情况下,采用1粗2 精2 扫、中矿顺序返回闭路流程处理,可获得Au 品位72. 20 g/ t、Au 回收率95. 57%、Ag 品位75. 23 g/ t、Ag 回收率92. 45%的金精矿,尾矿Au 品位降至0. 18 g/ t、S 含量降至0. 02%、Au 损失率仅4. 43%,载金硫化矿物回收相当彻底,试验取得了理想的分选指标。

• 湖南某石煤钒矿浸出提钒及碳质富集试验研究

  张作庆,符剑刚,李鑫源,邓惠贤,柏景涛

  针对石煤钒矿焙烧—浸出工艺能耗高、环境污染严重,且不能有效利用自身碳质资源的问题,研究了助浸剂强化浸出提钒工艺处理湖南某碳质石煤的效果,并采用1 粗1 精1 扫、中矿返回浮选流程对浸出渣进行了浮碳试验。结果表明:在硫酸用量25%、复配助浸剂FS-1 用量4%、浸出时间8 h、浸出温度90 ℃、浸出液固比1∶1 的条件下,钒的浸出率为89. 15%,浸出效果较好;在磨矿细度为-0. 074 mm 占92%、复配抑制剂p-601 总用量900 g/ t、复配捕收剂XM612 总用量1 200 g/ t 的条件下,浸出渣浮选精矿的固定碳含量为26. 39%、灰分为67. 25%、热值达9 677. 97kJ/ kg,碳质得到了一定程度的富集。

• 黄陵矿区煤矸石浸出Al2 O3 试验研究

  张盼盼,杜美利,李云英,王亚超

  黄陵矿区煤矸石中富含硅铝质矿物,从中提取Al2O3 是实现区域煤矸石高附加值利用的有效途径之一。以黄陵矿区煤矸石为原料,根据其物相组成特点,设计了Na2CO3 助剂煅烧活化—HCl 浸取Al2O3 的工艺,系统考察了物料比、煅烧温度、酸浓度、液固比等因素对Al2O3 浸出率的影响;通过Design-Expert 和Box-Behnken 进行了响应面优化研究,并建立了回归模型,通过响应面优化图直观地反映了各影响因素间的交互作用,优化了Al2O3 浸出的工艺参数。结果表明,Al2O3 的最佳浸出条件:物料比5 ∶6、煅烧温度800 ℃、HCl 浓度8 mol/ L、液固比10 ∶1 mL/ g,对应的Al2O3 浸出率为94. 27%;诸因素对Al2O3 浸出率影响由大到小的依次为:煅烧温度、液固比、物料比、酸浓度。通过Design-Expert 建立了置信度高的回归模型,模型与试验误差小,能充分反应实际情况,研究对黄陵矿区煤矸石提铝工艺优化及其资源化利用具有重要参考价值。

• 基于离散元的立式螺旋搅拌磨机介质球运动轨迹研究

  王朝华,赵炎龙,瞿铁,宋现洲,纪昊男,马立峰

  介质球是立式螺旋搅拌磨机对物料进行超细粉磨的主要媒介,获取其运动轨迹对于解析并利用研磨机理,优化磨矿效果、提高磨矿效率至关重要。研究以立式螺旋搅拌实验磨机为对象,建立了筒体-螺旋搅拌器-介质球离散元模型;以距底高度和距轴心距离为参数设计的72 个代表性点位为介质球运动的起点,研究了各介质球的运动轨迹和路径长度,从而判定其研磨能力的强弱。结果表明,介质球的运动轨迹与其在筒内的位置有关,主要有3 种轨迹模式:近似圆弧状的平面运动、沿筒壁滑落至筒底运动、循环往复的近似螺旋状运动;相同高度下介质球(筒底介质球除外)的运动轨迹长度随着径向距离的增加先增大后减小;相同径向距离的介质球的运动轨迹长度随着筒体高度的增加先增大后减小。

• 基于SLAM 的矿井移动机器人定位算法

  朱磊,张潇文,张楠

  随着矿井自动化水平不断提高,机器人在井下环境中的定位问题变得尤为重要。提出了一种基于同步定位与地图构建技术的矿井移动机器人定位算法。该算法利用激光雷达(LiDAR)数据和惯性测量单元(IMU)数据进行融合,实现了在GPS 无法使用的井下环境中对移动机器人进行精确定位和状态估计。首先分析了井下环境特点,包括半结构化或非结构化的空间特征,以及传统定位系统如GPS 在该类场景中应用的局限性;然后通过前端迭代卡尔曼滤波和后端位姿图优化,以提高算法定位的准确性和鲁棒性;最后,在自采数据集上验证了该算法的性能。试验结果表明:与现有的激光SLAM 算法相比,所提算法在井下这类特殊的非结构环境中,定位精度更高,对于确保井下机器人安全高效运行具有一定的参考意义。

• 微塑料与植物根对废弃尾矿土复合体抗剪特性的 影响研究

  梁晓晶,郝喆,韩震宁,杨青潮,张倩

  为了探究植物根系及微塑料对尾矿土抗剪强度的影响,以鞍山某废弃尾矿库尾矿土为对象,开展了根含量、根径及微塑料含量对土复合体抗剪强度的影响研究。结果表明:① 尾矿土抗剪强度及黏聚力随含水率增大先增后减,而内摩擦角则呈减小的趋势。含水率对尾矿土抗剪强度的影响主要取决于黏聚力,而对内摩擦角的影响不明显。② 添加微塑料会降低尾矿土的抗剪强度,尾矿土添加微塑料后,含水率对尾矿土抗剪强度的负面影响显著提高,对尾矿土抗剪强度影响主要取决于黏聚力。③ 根系含量增加显著提升尾矿土抗剪强度。在相同含水率下,随着根含量增加,尾矿土内摩擦角减小,黏聚力增大。对抗剪强度的影响主要取决于黏聚力,而内摩擦角变化不显著(<2°)。随着根径增粗,抗剪强度先增加后减小,尾矿土内摩擦角先增大后减小,黏聚力则呈减小趋势。根径范围在0. 9~1. 2 mm 时抗剪强度达到峰值。无根系时,黏聚力与内摩擦角均对含水率敏感,添加根系后,含水率影响被弱化。④ 微塑料-尾矿土复合体抗剪强度低于素尾矿土,根-尾矿土复合体抗剪强度高于素尾矿土,根与微塑料共同作用时,根系可部分抵消微塑料的负面影响,但微塑料对黏聚力的削弱仍占主导。

• SiC 对转炉钢渣物相组成及其自粉化的影响研究

  郝帅,罗果萍,陈银胜,柴轶凡,宋巍,安胜利

  为了降低钢渣中铁氧化物与磷氧化物的含量,促进β-C2S 向γ-C2S 的晶型转变,实现钢渣的自粉化,采用X 射线衍射仪(XRD)和Factsage7. 1 热力学软件,对掺加SiC 的熔融钢渣的焙烧产物进行了主要矿物及平衡态下物相分析。结果表明,对试验钢渣掺加5%、6%的SiC 均能实现钢渣的自粉化,对应的粉化率分别为96. 5%和92. 4%;SiC 掺量从4%增加至7%,能促进钢渣中镁硅钙石(Ca3Mg(SiO4)2)的生成,抑制钙铝黄长石(Ca2Al2SiO7 )的生成;SiC的掺量超过8%,有利于β-C2S 物相的生成,不利于钢渣自粉化;以Factsage7. 1 热力学软件计算的高温段(1 450~1 600 ℃)平衡相中C2S 含量、液相量及碱度可作为间接判断钢渣能否粉化的依据。

• 新鲜洗选煤矸石抹灰砂浆性能优化研究

  孟文清,邓丙洋,孟文芳,张亚鹏,李泽康,李岳

  为提高煤矸石利用率、改善煤矸石砂浆的综合性能,期望通过添加外加剂的方式解决煤矸石砂浆需水量大、泌水等问题。研究以新鲜洗选煤矸石为细骨料制备抹灰砂浆,采用单因素试验方法研究了聚羧酸减水剂和羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)对新鲜洗选煤矸石抹灰砂浆工作性能和不同养护龄期硬化体力学性能的影响,分析了2种外加剂对洗选煤矸石抹灰砂浆性能的影响机理,对二者最佳掺量协同作用下的硬化体进行了SEM 分析。结果表明:减水剂能够提高砂浆的稠度和抗压强度,HPMC 可有效改善砂浆的和易性,但会降低硬化体的抗压强度,适量范围内两种外加剂均能提升砂浆的粘结拉伸性能。聚羧酸减水剂掺量1. 6%、HPMC 掺量0. 10%时,可明显降低洗选煤矸石砂浆需水量和2 h 稠度损失率,有效改善洗选煤矸石砂浆的和易性和硬化体的力学性能。洗选煤矸石砂浆形成的水化产物主要包括Ca(OH)2、C-S-H 凝胶和Aft,加入适量外加剂后,砂浆微观结构整体致密,砂浆界面粘结能力增强。

• Ca( OH)2 / Na2 CO3 激发的单组分偏高岭土基地 聚物的试验研究

  许崇帮,高晓静,钟惟亮,王润城

  研究提出了一种可用于制备地聚物的新型低碱度碱激发剂,并制备了一种施工便捷的单组分偏高岭土基地聚物。首先,提出了Ca(OH)2 / Na2CO3 组合的地聚物激发方法并制备了单组分偏高岭土基地聚物试块。对地聚物试块开展了超声波波速测试与单轴抗压强度测试,讨论了Ca(OH)2 和Na2CO3 掺量对地聚物物理力学性能的影响,确定了具有最佳力学性能的地聚物配合比。结果表明,Ca(OH)2 / Na2CO3 组合的激发方法可以成功激发偏高岭土活性。与水泥相似,在搅拌过程中仅需要添加水就可以制备单组分偏高岭土基地聚物。单组分偏高岭土基地聚物的抗压强度和弹性模量均随着Ca(OH)2 和Na2CO3 掺量的增加而增加。30% Ca(OH)2 和26% Na2CO3 制备的地聚物养护7 d 后极限抗压强度和弹性模量分别可达到12. 0 MPa 和2. 7 GPa,满足M10 级水泥砂浆的强度要求,是一种潜在的建筑原料。

• 不同矿物掺和量对路面混凝力学性能以及耐久性的 影响研究

  许丽丽,黄钰程,阚德明,卢滟伶

  以P·O42. 5 级普通硅酸盐水泥为原料,通过改变水灰比、矿物掺和量和赤泥掺和量,探讨了对路面混凝土力学性能和耐久性的影响。通过制备不同配合比的混凝土试件,进行了力学性能测试和耐久性测试,并采用扫描电子显微镜和能量谱分析等手段,对混凝土的微观结构和损伤机理进行了分析。结果表明:矿粉和脱硫石膏的掺和量均为5%时,混凝土抗压强度较佳。随着粉煤灰掺和量增加,混凝土抗压强度先增加后减小。当粉煤灰掺和量为2%时,混凝土抗压性能较好。掺入一定量的赤泥可提升混凝土的力学性能,赤泥掺和量约为4%时,混凝土相对强度系数较高。水灰比为0. 42,矿粉∶脱硫石膏∶粉煤灰掺和量比为5∶5 ∶2,赤泥掺和量为4%时,混凝土综合耐久性较好。冻融循环中,混凝土破坏主要由毛细孔通道扩大、内部孔隙增多和成分含量变化所致。硫酸侵蚀中,破坏主要由于水化凝胶产物减少、骨料与团聚体断裂脱离及微裂纹和空洞缺陷生成所致,进而引发内部孔隙结构破坏和离子交换效率提高,使得内部结构显著破坏。

• 机制砂滤饼制备高强陶粒试验研究

  孟辉,薛璐韬,唐瑞,李瑞,王字伟,李育彪

  为缓解堆场压力、促进机制砂滤饼的资源化利用,以机制砂滤饼和铝土矿为成陶基体,石灰石为造孔剂,通过系统试验优化工艺参数,探究高强陶粒制备的最佳原料配比和烧结条件。结果表明:在机制砂滤饼、铝土矿和石灰石质量比为5∶3∶1,水灰比为1∶4,烧成温度为1 125 ℃,保温时间为30 min 条件下,所制备的高强陶粒表观密度1 936. 538 kg/ m3、堆积密度1 023. 474 kg/ m3、吸水率9. 07%、筒压强度23. 1 MPa,满足《轻集料及其试验方法》(GB/ T17431. 1—2010)中1100 级骨料的相关标准。通过XRD、SEM 等表征手段揭示了陶粒微观结构的演变机理,建立的技术路径为破解机制砂行业固废处置难题提供了新思路,对推动建材行业“双碳”目标实现具有重要实践价值。

• 钢渣粉低碳胶凝材料组成与水化机理研究

  龚泳帆,贾梦晓,刘欣,吴帮伟,吴正光,袁雪莲

  为了更好地推进节能减排、低碳发展工作的开展,以钢渣粉、矿渣粉、石膏和铝酸钙为原料进行了钢渣粉低碳胶凝材料制备试验,研究了钢渣粉的细度对其胶凝活性的影响,并确定了钢渣粉的最佳细度范围;通过正交试验设计,确定了最佳配比,并分析了不同石膏类型对胶凝材料力学性能的影响。借助pH 计、电导率仪、微量热仪探明了胶凝材料的水化反应特征,并通过X 射线衍射和扫描电子显微镜对硬化浆体进行了微观结构分析。结果表明:机械粉磨15 min 的钢渣粉活性指数可达82. 70%。通过正交试验确定了最佳配合比,钢渣粉与矿渣粉的掺比为2 ∶3,铝酸钙掺量为5%,二水石膏掺量为20%。与半水石膏和无水石膏相比,二水石膏激发效果最显著,提供了大量的SO2-4 ,通过吸收Ca(OH)2 促进了体系中钙矾石的生成,降低了溶液的pH 值,早期反应水化放热较小,水化产物以钙矾石和C-(A)-S-H 凝胶为主。研究表明,低碳胶凝材料具有良好力学性能,对钢渣的资源化利用和节能减排具有重要意义。

• 煤矸石基全固废胶凝材料制备及性能研究

  陈明志,顾晓薇,孙一硕,韩长赫,邢峻嘉,张怡臻

  为了实现煤矸石等固废的大规模、高效综合利用,并降低胶凝材料的使用成本和碳排放,选用典型碱性固废电石渣、SDS 干法脱硫灰为固体激发剂,以S95 级高炉矿渣、煅烧煤矸石粉为前驱体,基于各固废的成分特点和地聚物胶凝材料的配合比设计理论,制备了一种新型全固废胶凝材料,并讨论了煅烧煤矸石粉和高炉矿渣掺量对砂浆的流动性能、砂浆试件的力学性能和胶凝材料的水化性能的影响。结果表明,由于煅烧煤矸石粉中含有大量的粘土质材料,随着其掺量的增大,砂浆的需水量逐渐增大、流动性逐渐降低;砂浆试件7 d 的抗压强度呈下降趋势、28 d 的抗压强度呈先升后降的趋势,煅烧煤矸石粉掺量为20%时28 d 的抗压强度达到峰值。水化产物性能分析表明,在煅烧煤矸石粉掺量为20%时,净浆试件中产生的水化硅酸钙最多,微观结构最致密,标准砂浆试件28 d 的抗压强度达44. 7 MPa,达到P·O 42. 5 号水泥的强度要求,是一种理想的低碳、低成本绿色水泥。

• 原状磷石膏制备矿山充填材料试验研究

  余俊,邬忠虎,晏旭龙,朱利顺,杨先超

  为实现磷石膏(PG)的资源化利用和低成本充填采空区,以原状磷石膏、高炉矿渣(GGBS)、钢渣(SS)和生石灰为原料,探讨了制备性能优良、环境友好的磷石膏基矿山充填材料(PBM)的可能性,并利用XRD 和SEM-EDS手段分析了充填体试块的微观特性,同时进行了毒性浸出安全性评价。结果表明:所制备的磷石膏基矿山充填料浆或充填体的流动度、凝结时间、抗压强度均满足工程应用要求;当PG 掺量为75%,GGBS、SS 和生石灰掺量分别为21%、2%和2%时,料浆的流动度为227 mm,养护7 d 的试块抗压强度为5. 0 MPa,28 d 的试块抗压强度为7. 54 MPa。微观分析表明,试块中生成了大量的钙矾石和C-(A)-S-H 凝胶,未水化的PG 被C-(A)-S-H 凝胶粘结,使微观结构更加密实和均匀。毒性浸出浓度均低于标准限值,生成的钙矾石和C-(A)-S-H 凝胶对重金属离子起到包封作用,使重金属得以稳定化;生石灰的掺入引入了大量的Ca2+ ,F-与Ca2+反应生成了难溶性的CaF2,同时含P 离子与Ca2+ 发生反应生成了难溶性的Ca3(PO4)2 和CaHPO4。