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堆浸体系内微细颗粒在孔隙内迁移和附着规律

工程科学学报 2024年第6期46卷 994-1003页

作者：陈威唐惠阳尹升华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 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

在堆浸过程中,堆浸体系内游离的颗粒会随着溶液的流动而移动,从而对浸出的速度和效率产生影响.对于粒径较小的微细颗粒,虽然难以对矿石颗粒间孔隙产生堵塞,但其在孔隙壁表面的大量附着也会影响溶液对矿石的内渗从而降低浸出效率.本文基... 详细信息

在堆浸过程中,堆浸体系内游离的颗粒会随着溶液的流动而移动,从而对浸出的速度和效率产生影响.对于粒径较小的微细颗粒,虽然难以对矿石颗粒间孔隙产生堵塞,但其在孔隙壁表面的大量附着也会影响溶液对矿石的内渗从而降低浸出效率.本文基于真实的孔隙结构使用Fluent软件开展仿真模拟实验,从粒径、颗粒密度和流体流速三个方面探究它们对微细颗粒在孔隙内迁移和附着行为的影响.模拟结果表明,当颗粒粒径为1×10^(-6) m时几乎没有颗粒会沉积附着在孔隙内.而随着粒径的增大,在1×10^(-6)~1×10^(-4) m的粒径范围内,附着在孔隙壁表面的颗粒数量会呈现先增多后减少的趋势,且对于不同密度的颗粒,其附着数量在峰值处的占比均超过了90%.观察发现颗粒的主要附着部位为弯孔隙的外壁以及流速较小、坡度较缓的小孔隙内.分析认为粒径和密度越大的颗粒,其重力和惯性对其运动轨迹的影响越大,而流体对其轨迹运动的影响越小,在迁移过程中更容易靠近孔隙壁从而导致颗粒附着.且大粒径、大密度的颗粒主要在大孔隙内迁移,轨迹较为集中.而小粒径、低密度的颗粒,在高流速流体内迁移时,其水平运动幅度更大,迁移轨迹分布更加分散,更容易进入小孔隙内迁移.

关键词：堆浸微细颗粒孔隙迁移附着

干湿循环下复合激发膏体充填材料宏-细-微观强化与损伤特性

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第2期55卷 665-676页

作者：王贻明刘树龙吴爱祥王志凯张敏哲北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 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

为探明盐-碱复合激发膏体充填材料的性能变化规律及干湿循环作用下充填体结构多尺度损伤机制,对以脱硫石膏和水泥熟料为复合激发剂的膏体充填材料进行多目标优化,并对最优配比下的充填体试块进行0~25次干湿循环,开展抗压强度、X射线衍射... 详细信息

为探明盐-碱复合激发膏体充填材料的性能变化规律及干湿循环作用下充填体结构多尺度损伤机制,对以脱硫石膏和水泥熟料为复合激发剂的膏体充填材料进行多目标优化,并对最优配比下的充填体试块进行0~25次干湿循环,开展抗压强度、X射线衍射(XRD)、低场核磁共振(NMR)、扫描电镜(SEM)试验,揭示充填体宏观力学行为和微细观结构演化规律。研究结果表明:充填材料最优配比是矿渣掺量为50%,脱硫石膏与水泥熟料质量比为3:7,硅灰掺量为2.5%。随着干湿循环次数的增加,充填体宏观表现为抗压强度的折减及累积电导率升高,干湿循环10次时出现拐点,质量损失率和强度损失率分别达极小值-1.91%和-8.36%;在细观尺度上,T2谱反演良好,干湿循环作用10次后,横向弛豫时间逐渐右移且谱面积增大,表明膏体充填材料孔隙尺寸及数量随着干湿循环次数增加而增大;微观尺度上,钙矾石、石膏和方解石等侵蚀产物的膨胀结晶应力加速了微观孔隙结构的发育,反复干湿循环作用削减了C-S-H凝胶的黏聚力,由最初的堆叠蜂窝状劣化为小块状。综合宏、细、微观结构演变规律可知,孔隙结构的损伤演化与力学性能的劣化特征具有较好的同步性。

关键词：膏体充填材料多目标优化干湿循环力学性能水化产物损伤机制

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非等压应力场下充填钻孔主应力差分布规律

中国有色金属学报 2024年第5期34卷 1743-1756页

作者：刘春康王洪江李浩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 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

为了探究非等压应力场下充填钻孔主应力差分布规律并评估其稳定性,采用理论分析、数值模拟和工程实例方法,分析了不同钻孔直径、垂直主应力σV、最大水平主应力σH、水平主应力比λ′下钻孔主应力差和塑性区的分布规律。结果表明:平行... 详细信息

为了探究非等压应力场下充填钻孔主应力差分布规律并评估其稳定性,采用理论分析、数值模拟和工程实例方法,分析了不同钻孔直径、垂直主应力σV、最大水平主应力σH、水平主应力比λ′下钻孔主应力差和塑性区的分布规律。结果表明:平行于最小水平主应力σh方向的钻孔内壁处均是主应力差最大区域;建立了不同λ′下钻孔主应力差最大位置计算模型,可为预测不同围岩深度下钻孔破裂发展方位提供理论指导;钻孔主应力差分布的数值模拟结果与理论计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。当围岩参数一定时,不同钻孔直径、σH、σV下主应力差分布均为类“8”字形,不同λ′下主应力差的分布形态转变历程为圆形→椭圆形→类“8”字形;围岩塑性区先出现在主应力差最大方位,即平行σh方向,后向平行σH方向发展;塑性区的存在可能导致围岩失稳,并使得钻孔横截面由圆形向椭圆形发展。以国外某铜矿充填钻孔为例,分析了围岩主应力差和塑性区分布规律,并计算了钻孔加固的最小泥浆压力,可为提高钻孔稳定性提供工程指导。

关键词：充填钻孔非等压应力场主应力差稳定性最小泥浆压力

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深部工程岩体温度与渗流耦合作用下复杂应力场反演方法

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工程力学 2024年第6期41卷 188-201页

作者：周家兴王金安李飞清华大学水利水电工程系北京100084 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

深部地质体应力场的复杂性可归因于高地温和高岩溶水压覆存环境中的岩体非线性特征和局部构造应力场重构。该文结合岩体在流-固-热多场耦合作用下的力学响应机制,建立了能够解析深部各应力测点构造信息特征的非线性反演与优化方法。系... 详细信息

深部地质体应力场的复杂性可归因于高地温和高岩溶水压覆存环境中的岩体非线性特征和局部构造应力场重构。该文结合岩体在流-固-热多场耦合作用下的力学响应机制,建立了能够解析深部各应力测点构造信息特征的非线性反演与优化方法。系统地分析了深部地质体温度场—渗流场—地应力场的耦合作用,以及温度场和渗流场对地应力场的影响机理,开展了三山岛金矿区深部岩体在不同围压及孔隙水压力作用下的三轴压缩试验,探究了深部岩体物理力学参数随不同孔隙水压及围压的非线性变化规律。提出了一种非线性特征延扩迭代算法(NCEI算法),该算法能够对各区域实测地应力数据中“弱”非线性与连续性部分的特征信息进行整体优化拟合,以及对局部构造区地应力中“强”非线性和非连续部分的特征信息进行强化解析。基于ABAQUS软件的二次开发接口,编写出多耦合计算子程序,实现了岩体地应力场—温度场—渗流场的耦合迭代计算,并对三山岛矿区深部地应力场进行了反演计算和分析。反演结果表明,考虑岩体多场耦合作用下的NCEI算法的各测点应力分量的平均反演精度为85.62%,高于BP神经网络算法与不考虑岩体耦合作用下NCEI算法的反演计算结果。因此,该研究方法可充分考虑深部地质环境的特征,为深部岩体复杂地应力场的反演与构建提供新的思路。

关键词：深部岩体地应力温度场渗流场耦合作用

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露天矿边坡裂隙智能识别与信息解算

工程科学学报 2024年第6期46卷 1041-1053页

作者：赵怡晴黄晢航刘宏发金爱兵陆通刘金博北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 湖南柿竹园有色金属有限责任公司郴州423037

节理裂隙是影响露天矿边坡稳定性的重要因素之一,随着图像处理技术以及机器视觉技术的发展,采用智能算法进行识别已成为热点.为快速获取节理裂隙几何信息,通过ResNet系列算法对U-net的骨架构网络进行改进,提出了一种露天矿边坡裂隙识别... 详细信息

节理裂隙是影响露天矿边坡稳定性的重要因素之一,随着图像处理技术以及机器视觉技术的发展,采用智能算法进行识别已成为热点.为快速获取节理裂隙几何信息,通过ResNet系列算法对U-net的骨架构网络进行改进,提出了一种露天矿边坡裂隙识别及几何参数解译方法.利用无人机综合考虑视角、距离、重叠率以及飞行速度等因素对露天矿边坡裂隙航拍获取高清图像,使用全局阈值分割技术进行预处理,并运用随机旋转、随机亮度及对比度调整等方式进行数据增广形成裂隙图像数据集;采用残差网络(ResNet)对U-Net网络的骨架构网络进行改进,提出基于改进U-net网络的边坡裂隙识别模型,基于像素二分类问题采用准确率(Accuracy)、交并比(IoU)和F1分数(F1 Score)作为评价指标,结合裂隙图像数据集对提出模型进行训练和评估,输出裂隙二值图,并与传统裂隙识别方法识别结果进行对比;对裂隙二值图进行裂隙几何参数信息解算,获得裂隙长度、宽度统计分布规律和参数.结果表明:ResNet模型对U-net模型改进可以提高模型的评价指标,随着网络层数加深,评价指标有先增高,后趋于稳定的趋势,在网络层次达到101时评价指标达到最优,Res101-Unet模型的Accuracy、IoU、F1 Score分别为95.12%、60.13%、79.53%,对于简单和复杂裂隙的识别完整度都有提升;利用训练好的Res101-Unet模型对目标边坡上的裂隙进行识别,所得裂隙数量与现场测线方式所得结果一致,证明本模型识别结果与工程实际相符.

关键词：露天矿山边坡无人机裂隙识别深度学习 U-net 残差网络

急倾斜薄矿脉开采技术现状与“采—选—充”协同开采新模式

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金属矿山 2024年

作者：李元辉丁跃跃孔伟中李坤蒙肖贵轩深部金属矿山安全开采教育部重点实验室

自20世纪80年代以来，急倾斜薄矿脉的开采以浅孔留矿法和削壁充填法为主。近30年来静态留矿法、小分段浅孔留矿法、削壁充填法、削壁留矿法以及中深孔高效采矿方法等多种适应不同开采条件采矿新工艺的不断研发，提高了极薄矿脉和不稳定... 详细信息

自20世纪80年代以来，急倾斜薄矿脉的开采以浅孔留矿法和削壁充填法为主。近30年来静态留矿法、小分段浅孔留矿法、削壁充填法、削壁留矿法以及中深孔高效采矿方法等多种适应不同开采条件采矿新工艺的不断研发，提高了极薄矿脉和不稳定矿岩开采的开采效率和矿石贫损控制水平。由于薄矿脉矿体形态变化大、采场作业空间狭小、机械化程度低，一直面临着生产效率低、作业安全性差、矿石贫化高、损失大等突出问题。基于此，为进一步提高开采效率降低贫损率，从协同开采理论出发，提出了薄矿脉井下“采—选—充”协同开采新模式。通过将矿石预选、尾废充填工艺移至井下，采用中深孔落矿的高效采矿方法，在井下开拓系统中增设矿石预选抛废装置，提前分离矿石中粗粒废石，提高供矿品位，并将预选处理的废石和粗粒尾砂充填至采空区，创新采、选、充协同高效绿色开采工艺流程。提出的开采新模式对于改变薄矿脉开采效率低、矿石贫损率大、作业安全性差、开采成本高等现状，破解开采效率与贫损控制难以兼顾的重大技术难题具有深远意义。

关键词：急倾斜薄矿脉开采效率贫损控制 “采-选-充”协同开采

地震多发区尾矿抗液化强度与动力变形特性试验

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工程科学学报 2024年第10期46卷 1728-1738页

作者：刘春康王洪江尚向凡李浩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 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

为了研究地震多发区尾矿的抗液化强度和动力变形特性,以某上游法尾矿库中尾矿为研究对象,首先探究沉积固结方式与尾矿细粒含量(FC)的关系;此外,通过开展动三轴试验研究FC对尾矿抗液化性能和动力变形特性的影响,并从尾矿的微观结构特征出... 详细信息

为了研究地震多发区尾矿的抗液化强度和动力变形特性,以某上游法尾矿库中尾矿为研究对象,首先探究沉积固结方式与尾矿细粒含量(FC)的关系;此外,通过开展动三轴试验研究FC对尾矿抗液化性能和动力变形特性的影响,并从尾矿的微观结构特征出发,分析FC对尾矿动力变形特性的作用机制.结果表明:上层尾矿主要经历淋滤固结和化学固结,下层尾矿主要经历自重固结,而FC随取样深度非线性增加.对数坐标下的动剪应力随动循环次数增加近似线性减小,而有效固结围压(σ′_(3c))增大使尾矿颗粒接触更加紧密,导致尾矿结构破坏需要更强的动载荷.尾矿的抗液化强度随FC增加先降低后升高,FC越小,尾矿的抗液化强度越高、循环应力比衰减越快,而FC变化对动孔隙水压比的影响较小.尾矿的动孔隙水压比–振次比曲线呈现“减速增长—稳定增长—加速增长”的3阶段发展趋势,而较大的固结压力能够在一定程度上抑制动孔隙水压增长,此外,基于三参数动孔隙水压模型,得到了适用于本文尾矿的两参数动孔隙水压简化模型.随着FC增大,尾矿的动剪切模量先减小后增大、阻尼比先增大后减小,尾矿的动力变形特性逐渐由粗颗粒控制向细颗粒控制转变,该过程细粒含量存在临界值.研究结果可为地震多发区尾矿库稳定性评价及尾矿动力分析提供理论依据.

关键词：地震多发区尾矿细粒含量(FC) 抗液化强度动力变形特性

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基于形态学开运算的浸矿体系孔隙结构及其演化特征

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工程科学学报 2024年第2期46卷 199-208页

作者：王雷鸣李辉尹升华潘晨阳廖文胜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 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 核工业北京化工冶金研究院北京101149

立足堆浸体系的偏析分层复杂结构,结合X-ray CT无损探测、形态学开运算处理、MATLAB和OsiriX可视化软件等手段,引入颗粒间孔隙的当量孔隙尺寸、面积、数量等关键表征参量,如从二维量化和三维可视化层面揭示浸矿体系中颗粒间孔隙结构特... 详细信息

立足堆浸体系的偏析分层复杂结构,结合X-ray CT无损探测、形态学开运算处理、MATLAB和OsiriX可视化软件等手段,引入颗粒间孔隙的当量孔隙尺寸、面积、数量等关键表征参量,如从二维量化和三维可视化层面揭示浸矿体系中颗粒间孔隙结构特征及其演化规律.研究发现,细颗粒夹层呈“包裹体”状且均位于粗矿石颗粒的内部,分析认为其是造成堆浸体系颗粒偏析和分层的重要致因;浸矿作用下微细颗粒迁移导致矿堆内部发生沉积压实作用,由197 mm降至180 mm以下;浸矿21 d后,矿堆上部孔隙呈增大趋势,下部孔隙率呈减小趋势,此外,纵向当量孔隙的直径由2.81 mm减小至2.18 mm,其变化趋势和程度要显著大于横向颗粒间孔隙的当量直径;对比浸矿0 d和21 d的柱浸体系三维颗粒间孔隙结构,证实了细颗粒夹层所处区域的粘结聚集以及细颗粒夹层周边区域形成溶液绕流、溶液优势流动路径.

关键词：金属矿堆浸技术颗粒偏析颗粒间孔隙三维可视化

应力–渗流耦合下深部花岗岩力学行为及破坏特征

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工程科学学报 2024年第4期46卷 600-613页

作者：张超杜翠凤宋卫东付建新北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

在矿山深部开采过程中,高应力与高水压耦合作用导致岩石的力学特性演化机理更加复杂.为分析深部复杂条件下花岗岩的力学行为及破坏特征,利用低场核磁共振核技术(NMR)进行花岗岩初始孔隙率测量,借助岩石高温三轴流变系统开展应力–渗流... 详细信息

在矿山深部开采过程中,高应力与高水压耦合作用导致岩石的力学特性演化机理更加复杂.为分析深部复杂条件下花岗岩的力学行为及破坏特征,利用低场核磁共振核技术(NMR)进行花岗岩初始孔隙率测量,借助岩石高温三轴流变系统开展应力–渗流耦合试验,引入耗能比实现花岗岩破坏过程的能量演化分析.研究结果表明:岩石的峰值强度、峰值应变随孔隙水压的增大呈线性减小且减小速率逐渐提升,随围压的增大呈线性增加且增大速率逐渐变缓;峰值渗透率随着孔隙水压的增大呈线性增大,随围压的增大呈线性减小;岩石破坏应变能表现出明显的围压效应和孔隙水压效应,峰值应力点为弹性能极值点,峰值点之后弹性能迅速转化为岩石损伤的耗散能,岩石耗能比整体呈现增大→减小→增加的“S”型变化规律;引入花岗岩初始孔隙率,将岩石视为固体骨架和孔隙两部分组成,综合考虑变形特征并构建应力–渗流耦合本构模型,与试验对比后认为该模型具有较高普适性.

关键词：应力–渗流耦合低场核磁共振本构模型破裂特征能量耗散