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纳滤膜对硫酸型解吸液锂镁分离的实验研究与模拟

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化工学报 2024年

作者：吴雨茜唐元晖郭强林亚凯余立新王晓琳北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室清华大学化学工程系膜材料与工程北京市重点实验室国家能源集团国华投资河北分公司中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院

为了探究“吸附-膜”法从盐湖卤水中提锂的可行性，采用NF270纳滤膜对从卤水得到的硫酸型解吸液中的锂镁分离开展了实验研究和“浓缩-渗滤”模拟计算。首先，测定了NF270膜的基本结构和分离特征，初步确定了压力和pH对Li2SO4和MgSO4的... 详细信息

为了探究“吸附-膜”法从盐湖卤水中提锂的可行性，采用NF270纳滤膜对从卤水得到的硫酸型解吸液中的锂镁分离开展了实验研究和“浓缩-渗滤”模拟计算。首先，测定了NF270膜的基本结构和分离特征，初步确定了压力和pH对Li2SO4和MgSO4的单盐溶液的体积通量及截留率的影响；其次，探究了NF270膜对Li2SO4/MgSO4混合溶液的分离效果，结果发现中性条件下NF270下纳滤膜对SO42-的静电排斥效应较强，导致对Li+和Mg2+的截留率均较高，只有降低pH到等电点以下，才能实现分离；且相对于锂离子摩尔分数(xLi+)，pH对于锂镁分离性能影响更明显，xLi+当为0.40、pH达到1.7时，分离因子可达到10以上。接着研究了NF270膜对加入其他离子的模拟解吸液中的锂镁分离性能，发现Na+、K+和Ca2+等离子由于浓度较低，基本不影响膜的锂镁分离因子，且可以同时实现对Ca2+和Mg2+高截留，降低了后续处理中的结垢风险。最后，基于模拟解吸液的组成和截留率，对含有0.023 mol/L MgSO4和0.125 mol/L Li2SO4的混合溶液进行了预浓缩-连续恒容渗滤过程的模拟计算，得到料液中的Mg2+和Li+浓度分别为0.20 mol/L和0.66 mol/L，透过液中的浓度为0.0025 mol/L和0.17 mol/L，此时Li+回收率可以达到75%，证明通过纳滤渗滤过程实现解吸液中锂镁分离的可行性。

关键词：纳滤锂镁分离解吸液浓缩-渗滤

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不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征研究

山东科技大学学报（自然科学版） 2024年第1期43卷 11-21页

作者：刘俊熙张士川沈宝堂肖越李杨杨张有成山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209 山东东山古城煤矿有限公司山东济宁272100

为研究神东矿区不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征,分析了基本顶周期破断距影响因素,选取大柳塔煤矿52505和上湾煤矿12401工作面进行物理相似模拟实验,探究了不同破断距影响下覆岩裂隙网络分布特征,借助Matlab软件获取不同覆岩裂隙... 详细信息

为研究神东矿区不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征,分析了基本顶周期破断距影响因素,选取大柳塔煤矿52505和上湾煤矿12401工作面进行物理相似模拟实验,探究了不同破断距影响下覆岩裂隙网络分布特征,借助Matlab软件获取不同覆岩裂隙网络分布分形维数,定量描述了覆岩裂隙发育特征,进一步探讨了覆岩裂隙传播影响下不同岩层沉降规律。研究结果表明:影响基本顶周期破断距主要因素包括基本顶厚度、抗拉强度以及承载载荷;大柳塔52505工作面、上湾12401工作面模拟开采平均破断距分别为20和30.4 m;不同破断距下覆岩裂隙网络的分形维数随煤层工作面推进呈现阶梯形增长态势,分形维数可较好地表征覆岩裂隙分布。两工作面最高离层裂隙发育高度与分形维数变化趋势均近似呈非线性正相关;不同破断距对覆岩整体裂隙发育扩展趋势影响显著,工作面回采前期大柳塔52505工作面分形维数相对较低,回采中后期则相反,破断距小,覆岩整体裂隙发育程度相对较高;两工作面覆岩沉降曲线呈“凸”型,近似以采空区中部对称。

关键词：破断距覆岩运动覆岩裂隙网络分形维数周期来压

不同角度充填节理花岗岩剪切裂纹扩展规律及断裂机制研究

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山东科技大学学报（自然科学版） 2024年第2期43卷 13-21页

作者：韩学贤张士川沈宝堂柴顺杰张有成张伟强山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东海科新源材料科技股份有限公司山东东营257081

增强型地热系统储层中岩体节理通常含有充填物,充填节理的剪切力学行为直接影响储层渗透性及连通性。基于不同角度充填节理花岗岩直剪试验,研究了充填节理花岗岩剪切破坏的力学特性、损伤变量演化及裂纹扩展规律。结果表明:充填物及节... 详细信息

增强型地热系统储层中岩体节理通常含有充填物,充填节理的剪切力学行为直接影响储层渗透性及连通性。基于不同角度充填节理花岗岩直剪试验,研究了充填节理花岗岩剪切破坏的力学特性、损伤变量演化及裂纹扩展规律。结果表明:充填物及节理角度影响花岗岩抗剪强度,表现为充填物改变裂纹扩展介质,节理角度影响花岗岩剪切时节理面的受力状态;充填节理花岗岩损伤破坏过程分为裂纹闭合、裂纹萌生发育、裂纹扩展破坏3个阶段,损伤变量随着损伤过程进行呈不断增大趋势;节理花岗岩剪切裂纹扩展方向可分为水平方向及平行节理方向,0°与90°节理试件剪切裂纹沿水平方向扩展直至贯通试件,30°、45°与60°节理试件剪切裂纹扩展方向与自身节理角度一致。

关键词：岩石力学充填节理节理倾角断裂机制损伤演化

基于Raspberry Pi的矿井通风环境在线监测系统研制与应用

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金属矿山 2024年

作者：任海龙孔铭张宝金黄铂然黄浩王培涛北京科技大学土木与资源工程学院鞍钢集团矿业有限公司眼前山分公司

为解决目前我国矿山井下通风监测系统安装周期长、功能不足、布点灵活性较低、数据二次利用水平不足等问题，自主开发了一套矿井通风环境系统在线监测系统，系统以Raspberry Pi开发板为核心，连接多种传感器作为数据采集仪，以ONENET物... 详细信息

为解决目前我国矿山井下通风监测系统安装周期长、功能不足、布点灵活性较低、数据二次利用水平不足等问题，自主开发了一套矿井通风环境系统在线监测系统，系统以Raspberry Pi开发板为核心，连接多种传感器作为数据采集仪，以ONENET物联网平台为终端数据显示和储存平台，利用其触发器功能实现井下通风环境安全预警，该系统已成功应用于眼前山铁矿。结果表明：系统实现了眼前山铁矿井下通风环境（温度、湿度、大气压强、风速、巷道内空气质量指数IAQ和CO浓度）的实时监测和数据传输。通过该系统建立了眼前山铁矿井下温度场等数据库，以眼前山三维仿真通风系统为基础，整合井下实时监测数据，利用最小二乘法拟合形成解算数据的修正公式，并对其进行了修正。该系统操作简易，运行稳定，可大面积布点，数据可进行二次利用，提高了通风网络解算数据的准确性，开放式云平台的应用能减少服务器架设，降低开发成本，有效满足金属矿山通风监测需求，具有良好的应用前景。

关键词：金属矿山树莓派通风在线监测解算数据修正

基于三维仿真的四季气候变化对矿井通风影响规律研究

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中国矿业 2024年第3期33卷 57-65页

作者：柴青平傅国辉邓皓泽黄铂然黄浩王培涛鞍钢集团矿业有限公司辽宁鞍山114001 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

四季气候变化影响着矿井内自然风压的大小和方向,若将自然风压作为动力合理运用,有益于矿井通风系统节能减排。眼前山铁矿井下通风系统在初期设计中对自然风压的利用较少,且风机选型方面未将四季气候变化的因素考虑其中。本文对眼前山... 详细信息

四季气候变化影响着矿井内自然风压的大小和方向,若将自然风压作为动力合理运用,有益于矿井通风系统节能减排。眼前山铁矿井下通风系统在初期设计中对自然风压的利用较少,且风机选型方面未将四季气候变化的因素考虑其中。本文对眼前山地区四季气候变化对矿井通风的影响规律进行研究,并以此规律指导井下基站风机进行优化。通过三维仿真系统建立井下通风系统模型,模拟眼前山地区一年四季气候条件,通过风流模拟计算进风井口处的自然风压大小和方向,结果表明眼前山地区夏季日间,1号主进风井、2号主进风井处会出现与矿井通风方向反向的自然风压,其余季节进风井处自然风压均有利于通风,其中,冬季自然风压可利用价值最大,且冬季风机风压较夏季风机风压显著增大,使得冬季总进风量增加4.46%;建议针对主机站2-3基站、2-4基站的K-8-19型风机和主机站2-15基站、2-16基站的K-8-23型风机进行工况点调节,在冬季时期将主扇叶片安装角由35°调整至30°;根据眼前山地区的四季气候变化规律适时调整主要通风机工况点,对自然风压有效利用,解决了矿井通风系统冬季风量过剩的问题,实现了以更加节能的方式满足矿井通风需要。

关键词：自然风压四季变化三维仿真模拟矿井通风节能风机优化

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电化学沉积去除西部矿区矿井水硬度研究

工业水处理 2024年

作者：毛行之唐佳伟王霄冒冉李杰李宁孙彦龙赵旭北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室浙江师范大学地理与环境科学学院中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室国能神东煤炭技术研究院中国城市规划设计研究院

采用电化学沉积法，去除神东矿区大柳塔煤矿矿井水硬度。分析了阴极材料结构与形貌对矿井水硬度去除的影响，结果表明电极表面磨砂结构更有利于钙、镁离子的电沉积去除，网状形貌阴极可进一步强化电沉积效率。同时探讨了初始硬度、电流... 详细信息

采用电化学沉积法，去除神东矿区大柳塔煤矿矿井水硬度。分析了阴极材料结构与形貌对矿井水硬度去除的影响，结果表明电极表面磨砂结构更有利于钙、镁离子的电沉积去除，网状形貌阴极可进一步强化电沉积效率。同时探讨了初始硬度、电流密度、电极数量、pH等参数对电化学去除矿井水硬度的影响。在中性条件下，初始硬度为500 mg/L，电流密度为4 mA/cm2，阴极和阳极极板比例为3:2时，矿井水硬度可在180 min内去除88.21%。随着硬度/重碳酸氢盐碱度不断降低，硬度去除效率也不断增加，通过响应曲面法探究了不同因素对电化学除硬效率影响的交互作用，发现对水软化效率交互影响顺序为：电流密度与初始硬度＞初始硬度与硬度/重碳酸盐碱度＞电流密度与硬度/重碳酸盐碱度。并且在初始硬度为795.6 mg/L，硬度/重碳酸盐碱度为0.668、电流密度为4.74 mA/cm2的优化条件下，矿井水硬度去除效率可达99.91%，验证试验得到硬度去除效率为99.54%，相对误差为0.37%。SEM、EDS、XRD分析结果显示，阴极沉积物的主要晶型为方解石，主要由不规则形状、2～10 μm的碳酸钙晶体构成。

关键词：电化学电沉积西部矿井水响应面分析钙镁离子水软化

蓄水采空区区段煤柱采动水浸弱化机制与失稳特征

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采矿与安全工程学报 2022年第6期39卷 1084-1094页

作者：刘世奇张村曾一凡王磊兰世勇孙伟中国矿业大学(北京)能源与矿业工程学院北京100083 国家煤矿水害防治工程技术研究中心北京100083 冀中能源集团有限责任公司河北邢台054000 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209

利用煤矿采空区作为临时水仓能够缓解富水顶板工作面开采排水压力,加快采掘衔接;但采空区残留煤柱在采动水浸影响下的失稳特征将影响工作面的安全回采。基于此,采用现场实测结合流固耦合数值模拟方法分析区段煤柱的采动水浸弱化机制与... 详细信息

利用煤矿采空区作为临时水仓能够缓解富水顶板工作面开采排水压力,加快采掘衔接;但采空区残留煤柱在采动水浸影响下的失稳特征将影响工作面的安全回采。基于此,采用现场实测结合流固耦合数值模拟方法分析区段煤柱的采动水浸弱化机制与失稳特征。瞬变电磁法结合钻孔应力计与巷道表面位移监测结果表明:首采工作面(P122106)回采过程中,区段煤柱应力呈马鞍形分布,能够对巷道顶板形成有效支撑;但在邻近工作面(P122108)采动与采空区水浸耦合作用下,P122108巷道变形量大幅度增加,区段煤柱出现失稳。在此基础上,采用自行开发的流固耦合数值模拟结合损伤度量化指标分析获得煤柱采动水浸的渐进损伤特征,研究不同采空区水位对煤柱稳定性的影响。水浸弱化的存在使得宽度为35m的煤柱不足以隔离采空区蓄水池,存在工作面突水危险。在首采工作面开采过程中,煤柱损伤度为53.4%;而在采空区蓄水及邻近工作面采动影响下煤柱观测区域煤柱损伤度达到84.1%,超过了煤柱失稳临界损伤度65.7%。在采空区水位降至2m和4m时,煤柱损伤度虽然出现降低,分别为70.5%和76.8%,但仍然超过了极限损伤度。综合考虑现场实际条件和数值模拟结果,提出疏放P122106采空区蓄水池内的水并辅以加强支护的方式来减小巷道围岩的破坏和变形的解决措施。在研究矿井采用上述手段后,煤柱帮和顶板变形量均降低了39.6%和30.8%,确保了工作面安全生产。

关键词：区段煤柱水浸软化采动作用采空区蓄水流固耦合

基于离散裂隙网络的岩体各向异性莫尔-库仑表征方法研究

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岩石力学与工程学报 2023年第S1期42卷 3266-3280页

作者：王培涛刘操马驰任奋华蔡美峰北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

结构面的空间分布及几何粗糙度对岩体的各向异性力学特性影响显著,是影响工程稳定性的重要因素。通过建立粗糙裂隙网络数值模型,分别开展不同加载角度、不同双轴围压下的节理岩体数值试验研究,分析不同尺寸、几何类型条件下岩体的破坏... 详细信息

结构面的空间分布及几何粗糙度对岩体的各向异性力学特性影响显著,是影响工程稳定性的重要因素。通过建立粗糙裂隙网络数值模型,分别开展不同加载角度、不同双轴围压下的节理岩体数值试验研究,分析不同尺寸、几何类型条件下岩体的破坏模式和声发射特性;基于最小二乘原理分析各向异性莫尔圆分布特征。结果表明:粗糙节理网络模型与直线型节理网络模型在破坏模式、声发射模拟、尺寸效应方面均表现出显著的差异性,节理岩体抗压强度、抗剪强度参数呈现出的一定的各向异性,不同加载方向条件下,节理岩体的峰值强度、莫尔圆形态与抗剪指标均呈现显著变化,节理几何形态对岩体的强度和破坏模式影响显著。研究结果对岩体的各向异性抗剪力学特性的分析具有重要参考价值。

关键词：岩石力学离散裂隙网络分形莫尔-库仑准则各向异性抗剪强度

基于覆岩损伤本构模型的高强度开采参数确定及减损效果评价

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采矿与安全工程学报 2021年第3期38卷 439-448页

作者：何祥张村赵毅鑫李全生韩鹏华陈见行国家能源集团有限责任公司煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 安徽理工大学矿业工程学院安徽淮南232001

西部矿区属于生态本底脆弱的干旱半干旱地区,煤炭资源的高强度开采加剧了矿区生态环境破坏。通过选择合理的开采参数(采高、面长、推进速度)既能保证工作面回采效率,又能减弱煤层开采引起的覆岩变形破坏。为此,本文基于损伤力学构建采... 详细信息

西部矿区属于生态本底脆弱的干旱半干旱地区,煤炭资源的高强度开采加剧了矿区生态环境破坏。通过选择合理的开采参数(采高、面长、推进速度)既能保证工作面回采效率,又能减弱煤层开采引起的覆岩变形破坏。为此,本文基于损伤力学构建采动岩体损伤的本构模型,定义了覆岩损伤度指标定量表征开采扰动覆岩三维空间损伤程度。以西部矿区上湾煤矿地质条件为背景,将损伤本构方程嵌入至FLAC3D数值模型,对比分析覆岩损伤度和导水裂隙带的面长和推进速度效应,建立覆岩损伤度与开采参数的定量关系并给出了12401工作面的合理开采参数:采高8.8 m,工作面长度为300 m,推进速度为13.47~20.58 m/d。同时,分析得出了推进速度对顶板损伤特征的影响机制:推进速度增加促使顶板抗拉强度升高,降低覆岩损伤程度。最后,利用不同推进速度情况下的相似模拟以及现场周期来压步距和地表裂隙发育特征实测结果验证了基于覆岩损伤度设计高强度开采参数的合理性。

关键词：损伤本构模型导水裂隙带高强度开采工作面长度推进速度