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粉煤灰添加对城市多源有机废弃物联合堆肥效能及堆体细菌群落的影响

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环境科学 2024年第6期45卷 3638-3648页

作者：邹嘉成杜闫彬苏凯文于彩虹刘迎超王晨晨徐德卓中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

为实现粉煤灰和多源有机废弃物的高效资源化利用,采用好氧堆肥的方法,以厨余垃圾、鸡粪和锯末(15∶5∶2)混合原料为底物,添加底物总湿重的5%和10%的粉煤灰作为处理组(5%FA和10%FA),并以不添加粉煤灰作为对照处理(CK),通过测定联合堆肥... 详细信息

为实现粉煤灰和多源有机废弃物的高效资源化利用,采用好氧堆肥的方法,以厨余垃圾、鸡粪和锯末(15∶5∶2)混合原料为底物,添加底物总湿重的5%和10%的粉煤灰作为处理组(5%FA和10%FA),并以不添加粉煤灰作为对照处理(CK),通过测定联合堆肥过程中理化性质、养分元素和细菌群落结构的变化,探究不同粉煤灰添加量对联合堆肥的促进效果.结果表明,添加5%和10%粉煤灰可以显著提高联合堆肥的最高温度(56.6℃和56.9℃)并延长高温期持续时间(9 d),相较于对照处理,堆体总养分含量分别提高了4.09%和13.55%.在整个堆肥过程中,细菌群落结构发生了较大变化,各处理的细菌多样性均出现了明显的提高.在堆肥前期,变形菌门(Proteobacteria)是主要的优势门类,相对丰度在35.26%~39.40%之间.进入堆肥高温期,添加5%和10%粉煤灰处理中厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度达到最高值,分别为52.46%和67.72%.芽孢杆菌属(Bacillus)和放线菌属(Thermobifida)是5%和10%粉煤灰添加量处理高温期的优势菌属,相对丰度分别为33.41%和62.89%(芽孢杆菌属)、33.06%和12.23%(放线菌属).冗余分析(RDA)结果表明不同理化指标对细菌群落均有不同程度影响,其中有效磷、速效钾、有机质以及pH是影响细菌群落结构的主要环境因子.综上,添加粉煤灰促进了城市多源有机废弃物联合好氧堆肥的无害化和腐熟化,优化了微生物群落结构,提高堆肥产品的质量和效率.

关键词：粉煤灰多源有机废弃物联合堆肥环境因子细菌群落结构

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基于改进YOLOv5的安全帽检测算法

工程科学学报 2024年第2期46卷 329-342页

作者：侯公羽陈钦煌杨振华张又文张丹阳李昊翔中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

为了解决建筑工地、隧道、煤矿等施工场景中现有安全帽检测算法对于小目标、密集目标以及复杂环境下的检测精度低的问题,设计实现了一种基于YOLOv5的改进目标检测算法,记为YOLOv5-GBCW.首先使用Ghost卷积对骨干网络进行重构,使得模型的... 详细信息

为了解决建筑工地、隧道、煤矿等施工场景中现有安全帽检测算法对于小目标、密集目标以及复杂环境下的检测精度低的问题,设计实现了一种基于YOLOv5的改进目标检测算法,记为YOLOv5-GBCW.首先使用Ghost卷积对骨干网络进行重构,使得模型的复杂度有了显著降低;其次使用双向特征金字塔网络(BiFPN)加强特征融合,使得算法对小目标准确率提升;引入坐标注意力(Coordinate attention)模块,能够将注意力资源分配给关键区域,从而在复杂环境中降低背景的干扰;最后提出了Beta-WIoU作为边框损失函数,采用动态非单调聚焦机制并引入对锚框特征的计算,提升预测框的准确率,同时加速模型收敛.为了验证算法的可行性,以课题组收集的安全帽数据集为基础,选用了多种经典算法进行对比,并且进行了消融实验,探究各个改进模块的提升效果.实验结果表明:改进算法YOLOv5-GBCW相较于YOLOv5s算法,算法平均精确率(IOU=0.5)提升了5.8%,达到了94.5%,检测速度达到了124.6 FPS(每秒处理帧数),模型更加轻量化,在复杂环境、密集场景和小目标场景下检测能力提升显著,并且同时满足安全帽检测精度和实时性的要求,给复杂施工环境下安全帽检测提供了一种新的方法.

关键词：安全帽目标检测 YOLOv5 注意力机制双向特征金字塔网络

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井工煤矿甲烷排放精准监测与核算

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 119-130页

作者：解北京李晓旭张景顺栾铮李军陈伟王兹尧汤效平中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 华电电力科学研究院有限公司北京100071

甲烷作为全球第二大温室气体,具有增温潜势高、寿命短的特点,主要来源于煤炭、油气生产、农业、畜牧业和废弃物处理等领域。积极稳妥有序控制甲烷排放,兼具减缓全球温升的气候效益、能源资源化利用的经济效益、协同控制污染物的环境效... 详细信息

甲烷作为全球第二大温室气体,具有增温潜势高、寿命短的特点,主要来源于煤炭、油气生产、农业、畜牧业和废弃物处理等领域。积极稳妥有序控制甲烷排放,兼具减缓全球温升的气候效益、能源资源化利用的经济效益、协同控制污染物的环境效益和减少生产事故的安全效益。甲烷也是煤矿生产排放中最主要的温室气体,目前对煤矿甲烷的排放监测及其在煤矿三维立体空间内的浓度分布研究将成为我国甲烷排放控制行动的重点,对煤矿企业更好顺应国家战略具有重要意义。选取山西某高瓦斯矿井、陕西某低瓦斯矿井进行甲烷排放监测核算,以固定监测、手工监测、无人机监测及矿后活动监测等方式研究我国高低瓦斯矿井甲烷分布,并对其甲烷排放量开展分析。结果表明:①美国Climate TRACE网站公布的山西某高瓦斯矿井、陕西某低瓦斯矿井2022年度甲烷排放量与实测法计算的结果差异较大,其中公布的某低瓦斯矿井年度甲烷排放量为实测法计算结果的10.92倍,自上而下的监测核算方法准确性不足,无法为碳交易提供可靠的数据支持。②矿后活动监测核算发现,采用IPCC缺省值计算的矿后活动甲烷排放量是实测法计算的3~5倍,且不同粒径和暴露时间下煤样反馈的矿后活动排放量差异较大。亟需一套统一精准的测试标准,为未来碳市场交易提供公平准确的数据。

关键词：井工煤矿甲烷排放 IPCC缺省值精准监测核算排放因子

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煤矿矿井水资源化绿色短流程关键技术与装备

煤炭学报 2024年第2期49卷 958-966页

作者：何绪文王绍州张学伟季晓晴中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

煤炭是我国重要的工业原料,与我国经济发展关系密切。煤炭开采过程中会产生大量矿井水,是重要的非常规水资源,需妥善处理。然而现有矿井水处理技术普遍存在占地大、流程长、需加药、运行维护复杂和出水水质不稳定等问题,为缩短处理流程... 详细信息

煤炭是我国重要的工业原料,与我国经济发展关系密切。煤炭开采过程中会产生大量矿井水,是重要的非常规水资源,需妥善处理。然而现有矿井水处理技术普遍存在占地大、流程长、需加药、运行维护复杂和出水水质不稳定等问题,为缩短处理流程、提高处理效率和保证出水水质,亟需研发新的关键技术与装备。采用聚瓷膜直滤技术处理矿井水,通过对膜通量、膜比通量、运行压力和循环流量等条件的对比分析,确定最佳运行参数为:运行压力0.2 MPa,循环流量18 m3/h,处理过程无需加药,出水悬浮物质量浓度稳定工程案例表明,聚瓷膜直滤可直接取代“混凝沉淀-过滤-超滤”(一代三),且已连续稳定运行2 a,满足设计产水量要求,系统回收率均在90%以上,处理后水质达到GB 3838—2002地表水环境质量III类24种标准限值要求,且自动化程度高,可无人值守,实现了矿井水资源化利用绿色短流程、节能高效和智能化新要求,可为该技术大规模推广应用提供技术参考。

关键词：煤矿矿井水聚瓷膜直滤膜污染资源化

京津冀地区城市三生空间碳代谢效率特征及演进模式

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环境科学 2024年第3期45卷 1254-1264页

作者：田超程琳琳邵盈钞中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083

探究城市三生空间系统的碳代谢效率有助于实现区域要素整合和空间优化.基于城市代谢视角,采用物质流分析法构建了京津冀地区三生空间碳代谢效率评估框架,并运用超效率DEA模型和Malmquist指数分析了2000~2020年三生空间碳代谢效率的时空... 详细信息

探究城市三生空间系统的碳代谢效率有助于实现区域要素整合和空间优化.基于城市代谢视角,采用物质流分析法构建了京津冀地区三生空间碳代谢效率评估框架,并运用超效率DEA模型和Malmquist指数分析了2000~2020年三生空间碳代谢效率的时空分布、动态变化及演进模式.结果表明:(1)2000~2020年,京津冀地区三生空间碳代谢效率呈波动增长趋势,各城市碳代谢效率空间分异明显,碳代谢效率水平整体偏低,呈中部高、南北低的分布格局.(2)京津冀地区碳代谢效率全要素生产率呈增加趋势,技术进步变化和纯技术效率贡献作用不显著.超过50%的城市全要素生产率呈改善趋势,仅有38.46%的城市在碳代谢效率改善过程中存在技术进步现象,超过1/2地区的纯技术效率呈下降趋势,大部分城市的技术效率和规模效率变化指数大于1.(3)各城市碳代谢效率呈现不同的类型特征,按照其发展路径划为稳定式、反复式、渐进式和突变式这4种演进模式.各城市应据此采取差异化措施,合理配置三生空间资源,提高技术水平和规模效率,以期提高城市碳代谢效率水平.

关键词：三生空间碳代谢效率演进模式物质流分析超效率DEA模型 Malmquist指数

循环载荷作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征及能量-损伤本构模型

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煤炭学报 2024年第2期49卷 767-784页

作者：王凯左晓欢杜锋孙加智鞠杨丰程涛中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)研究生院北京100083 中国矿业大学(北京)煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室北京100083

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载... 详细信息

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号),分析了煤岩复合试样的损伤失效特征;基于能量耗散原理,构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量-损伤本构模型,最后结合试验实测数据进行验证。结果表明:加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关,当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时,恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下,试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%;高加(卸)载速率下,试样的内部裂纹扩展越快,煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧,分形维数随之增大,试样的内部裂纹扩展越快;随着加(卸)载速率的增大,煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递,为试样内部裂纹的发育提供了有利条件,导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量-损伤本构理论曲线具有较强的一致性,表明所建的能量-损伤本构模型能够很好地描述煤岩复合试样在循环加卸载过程中的变形行为。

关键词：煤岩复合结构循环载荷作用加(卸)载速率宏-细观特征能量-损伤本构模型

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预切缝位置及深度对SBM滚刀破岩的影响

煤炭学报 2024年第1期49卷 415-425页

作者：杨仁树康一强杨立云刘康丁晨曦樊谨豪中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

利用水射流对岩体进行预切缝是提高竖井全断面掘进机破岩效率、实现深部资源机械化开发的关键技术。针对预切缝位置及深度合理参数选取的难题,首先指出了锥面刀盘带动下滚刀破岩的工况特征,进而基于Cohesive单元方法,建立了预切缝条件... 详细信息

利用水射流对岩体进行预切缝是提高竖井全断面掘进机破岩效率、实现深部资源机械化开发的关键技术。针对预切缝位置及深度合理参数选取的难题,首先指出了锥面刀盘带动下滚刀破岩的工况特征,进而基于Cohesive单元方法,建立了预切缝条件下的滚刀破岩离散-连续耦合数值模型。以完整岩体为对照组,对比分析了不同预切缝距离和深度对滚刀破岩的受力特征和岩石破碎特征的影响规律。阐述了预切缝条件下,滚刀破岩时密实核形成、块状岩渣形成、Hertz裂纹扩展3个阶段性特征,指出了岩体的非对称破碎特性和不同区域岩渣的形成机制。最终从滚刀受力、破岩面积、破岩比能耗、岩渣破碎程度4个方面综合分析,确定了预切缝的最佳距离和深度取值范围。研究结果表明:预切缝可以显著减小竖井全断面掘进机滚刀破岩过程中的贯入力和侧向力。与完整岩体相比,贯入力峰值降低了44.0%~10.3%。侧向力峰值降低了35.2%~6.5%。预切缝间距及深度较小时,会限制滚刀破岩范围,同时使得破碎岩体块度更小,导致破岩比能耗增高。随着预切缝深度的增大,破岩体积先增大后趋于稳定,比能耗先减小后保持不变。最终,确定了切缝距离为70~90 mm,深度为60~80 mm时破岩效果最佳,破岩体积较无切缝时提高约1倍,破岩比能耗降低69.2%。研究结果为刀盘辅助破岩装备的设计及参数确定提供了参考。

关键词：预切缝滚刀破岩分形维数竖井全断面掘进机

融合金字塔结构与注意力机制的煤矿井下巡检机器人PT目标检测算法

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 206-215页

作者：王茂森鲍久圣鲍周洋阴妍王祥赛葛世荣中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083

近年来,煤矿机器人已成为现代煤机装备领域的研究热点,多数煤矿的主煤流运输系统基本实现了连续化、机械化和自动化,因此对主运输巷道内的安全监控与巡检效率提出了更高的要求,而精准的目标检测是实现煤矿井下智能化安全监控的必要保障... 详细信息

近年来,煤矿机器人已成为现代煤机装备领域的研究热点,多数煤矿的主煤流运输系统基本实现了连续化、机械化和自动化,因此对主运输巷道内的安全监控与巡检效率提出了更高的要求,而精准的目标检测是实现煤矿井下智能化安全监控的必要保障,但现有的目标检测算法应用于复杂恶劣的煤矿井下巷道环境,存在目标检测精度较低的问题。面向井下低照明、环境杂乱的特殊工况检测需求,制作了井下巷道环境内目标物数据集,完成数据集标注并展开多维度分析;提出一种基于金字塔结构与注意力机制融合的PT目标检测算法,利用注意力机制模块替换金字塔结构中的卷积模块,在控制特征计算量的同时提高对全局特征的提取能力,实现目标物局部特征与全局特征融合的提取效果,提高了图像中目标感兴趣区域特征的表达能力。最后,面向煤矿井下巡检机器人应用场景,将提出的PT算法与传统经典的Faster R-CNN、YOLOv4算法进行对比分析。结果表明:所提出的PT目标检测算法能够有效识别复杂环境下巷道内目标物,相较于主流的Faster R-CNN、YOLOv4目标检测网络,PT算法有更好的综合识别能力,识别煤矿人员的准确率分别提升了2.90%和4.30%,识别井下障碍的准确率分别提升0.20%和4.80%,识别矿井裂缝的准确率分别提升了4.40%和8.60%,识别井下设备的准确率分别提升了3.00%和8.70%。因此,PT目标检测算法能够更好地适应井下环境,目标检测算法较其他算法能够获得更高的准确率与检测速度,可为井下巷道安控系统建设提供理论依据与技术支撑。

关键词：煤矿井下巡检机器人目标检测金字塔结构注意力机制

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循环加卸载条件下考虑温度的煤体本构模型

煤炭学报 2024年第1期49卷 442-453页

作者：周宏伟侯魏张龙丹谢森林贾文豪史贝贝中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

随着煤炭资源深部开采趋于“常态化”,深入了解处于高地应力和高地温环境中深部煤体在扰动条件下的力学性质及其损伤演化规律,对煤矿深部开采具有重要意义。选取平煤十二矿己16-17-17200工作面的煤体为研究对象,开展了在不同温度条件下... 详细信息

随着煤炭资源深部开采趋于“常态化”,深入了解处于高地应力和高地温环境中深部煤体在扰动条件下的力学性质及其损伤演化规律,对煤矿深部开采具有重要意义。选取平煤十二矿己16-17-17200工作面的煤体为研究对象,开展了在不同温度条件下三轴循环加卸载试验,分析了温度对试件峰值强度、变形模量、泊松比等基本力学参数的影响。将不同加卸载速率相关的应力-应变问题转化为时间-应力-应变问题,同时引入分数阶导数理论和连续介质损伤理论,提出了一个考虑了热-力耦合作用的分数阶粘弹塑性本构方程,通过试验数据验证了其有效性。结果表明:煤体变形模量随着循环次数的增加呈出现线性减小的趋势,而煤体泊松比减速上升,在峰值应力处达到极值,然后降低,表明循环加卸载作用对煤体基本力学性能有劣化作用。随着温度的升高,煤体峰值强度非线性减小,损伤累积变缓,对应的应变逐渐增大,表明升温能增强煤体延性变形能力,加速煤体损伤的发展。在循环加卸载过程中,输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在煤体破坏失稳阶段随温度升高呈现出明显的衰减现象,说明高温加剧了煤体内部的损伤,降低了煤体强度,使得破坏所需外界输入能量减少。考虑温度影响的分数阶粘弹塑性模型可以较好地描述深部煤体在循环加卸载条件下的力学行为。模型适用于热力耦合下深部煤体的复杂应力状态。

关键词：深部煤体分数阶导数循环加卸载温度效应热力耦合