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基于CT扫描的砂岩主次裂纹扩展特征及影响因素研究

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岩土工程学报 2022年第4期44卷 702-711,I0006页

作者：王帅许莹张艳博姚旭龙刘祥鑫梁鹏华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

为了研究岩石在压应力条件下主次裂纹的萌生及扩展规律,对砂岩在单轴压缩条件下的破裂过程进行CT扫描试验,分析了砂岩中主次裂纹的形貌特征;同时,定量探讨了砂岩在不同变形阶段主裂纹的表面积和体积以及次生裂纹的分形维数,并运用Image ... 详细信息

为了研究岩石在压应力条件下主次裂纹的萌生及扩展规律,对砂岩在单轴压缩条件下的破裂过程进行CT扫描试验,分析了砂岩中主次裂纹的形貌特征;同时,定量探讨了砂岩在不同变形阶段主裂纹的表面积和体积以及次生裂纹的分形维数,并运用Image pro plus 6.0和Image J软件计算了砂岩在不同高度位置主次裂纹的长度和数量,研究了主次裂纹的扩展及其影响因素。研究结果表明,主导砂岩破裂的是萌生于砂岩表面两种不同方向的主裂纹,主裂纹表面积和体积的增长速率随着荷载水平的增加而不同。在主裂纹的周围产生了许多次生裂纹,次生裂纹的分形维数随着荷载水平的增加而非线性增加。不同荷载水平下,砂岩在不同高度位置的主次裂纹长度和数量变化各不相同。在砂岩破坏前,影响砂岩主次裂纹扩展的主要因素是主裂纹的长度,在砂岩破坏后,影响砂岩主次裂纹扩展的主要因素是次生裂纹的长度。该结论对未来岩石破坏失稳的预测分析奠定了理论基础。

关键词： CT扫描试验主裂纹次生裂纹荷载水平

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含钒溶液萃取分离富集钒的研究进展

中国有色金属学报 2022年第11期32卷 3489-3504页

作者：贾蓝波王玲郭紫璇熊雨婷夏亮亮王龙聂轶苗刘淑贤华北理工大学矿业工程学院河北省矿业开发与安全技术重点实验室唐山063210

钒是重要的战略金属,萃取法是当前溶液中钒分离富集的主要方法之一。本文从含钒溶液的特点及溶液中钒的存在形态出发,阐述了溶液中钒分离富集的难点所在,综述了含钒溶液萃取分离富集钒的研究进展,对萃取机理及工艺影响因素等进行了总结... 详细信息

钒是重要的战略金属,萃取法是当前溶液中钒分离富集的主要方法之一。本文从含钒溶液的特点及溶液中钒的存在形态出发,阐述了溶液中钒分离富集的难点所在,综述了含钒溶液萃取分离富集钒的研究进展,对萃取机理及工艺影响因素等进行了总结分析,展望了萃取法的发展趋势。有机磷类萃取剂、有机胺类萃取剂、长链醇萃取剂、羟肟类萃取剂等传统的有机溶剂萃取体系应用相对成熟,但有机溶剂萃取体系普遍存在易挥发、有毒有害、易燃易爆等问题;近年来,双水相、三液相、离子液体等新型绿色萃取体系受到越来越多的关注;乳状液膜、微乳液、支撑液膜、聚合物包容膜等液膜萃取在缩短萃取流程、降低生产成本、提高钒分离效率及钒产品质量等方面有较大发展空间。

关键词：含钒溶液钒形态萃取分离富集

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金属离子螯合剂抑制煤自燃试验研究

煤炭科学技术 2023年第S01期51卷 132-140页

作者：王福生张朝阳刘向群孙萌华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

煤自燃火灾是井下常见的灾害之一,影响煤自然发火的因素有很多,煤中过渡金属离子就是其中之一,但以往的研究更多是侧重于金属离子螯合剂在热力学等方面的影响,而煤中过渡金属离子形成螯合物后,其对煤自燃影响的相关研究还相对较少,为探... 详细信息

煤自燃火灾是井下常见的灾害之一,影响煤自然发火的因素有很多,煤中过渡金属离子就是其中之一,但以往的研究更多是侧重于金属离子螯合剂在热力学等方面的影响,而煤中过渡金属离子形成螯合物后,其对煤自燃影响的相关研究还相对较少,为探究金属离子螯合剂抑制煤自燃的效果,将5种金属离子螯合剂溶解于去离子水中,制备质量分数为5%的金属离子螯合剂溶液。随后将煤样和金属离子螯合剂溶液按照质量比4∶1充分搅拌,得到阻化煤样。采用程序升温-气相色谱试验、孔隙结构试验、红外光谱试验,分析加入螯合剂后指标气体CO的浓度变化,螯合剂螯合过渡金属离子后对孔隙结构的影响与螯合煤中过渡金属离子前后煤中活性基团的含量。结果表明:经金属离子螯合剂处理后的煤样CO首次产生的温度点均有推迟,且产生量较原煤减少,金属离子螯合剂可以达到抑制煤自燃的效果;金属离子螯合剂与煤中过渡金属离子可以形成以配位键连接的螯合物,这些螯合物可减小煤的比表面积与孔隙、孔体积的大小,使煤氧复合反应降低;同时分析红外光谱试验结果发现,形成螯合物的过渡金属离子失去催化能力,难以催化煤中甲基—CH_(3)、亚甲基—CH_(2)-与羧基—COOH的转化反应,使煤中官能团能在常温状态下难以被活化,从而抑制了煤自燃的发生;此外,有机膦酸型金属离子螯合剂相对于氨基羧酸型螯合剂对煤自燃的抑制具有更好的效果。

关键词：煤自燃阻化剂煤中过渡金属离子金属离子螯合物孔隙结构官能团

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液态CO;相变破岩参数及数值模拟研究

爆破器材 2022年

作者：王杰张云鹏葛晓东周敏华北理工大学矿业工程学院华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室

为更好地了解液态CO;相变破岩技术,对液态CO;相变的相关参数进行了研究。并通过调节装药不耦合系数,对传统数值模拟方法进行优化,确定了用于施工现场的布孔方式。结果表明:所采用的CO;相变致裂器的TNT当量为0.29 kg,乳化炸药当量为0.41 ...

为更好地了解液态CO;相变破岩技术,对液态CO;相变的相关参数进行了研究。并通过调节装药不耦合系数,对传统数值模拟方法进行优化,确定了用于施工现场的布孔方式。结果表明:所采用的CO;相变致裂器的TNT当量为0.29 kg,乳化炸药当量为0.41 kg;其作用于孔壁上的爆轰压力为1 200 MPa,仅为乳化炸药爆轰压力的7.8%;爆容为509 L/kg,约为乳化炸药爆容的50%;破岩范围半径约为1.75 m。提出了用于工程现场的致裂方案,取得了良好的破岩效果。

关键词：

基于CT的岩石三维裂隙定量表征及扩展演化细观研究

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岩土力学 2021年第10期42卷 2659-2671页

作者：张艳博徐跃东刘祥鑫姚旭龙王帅梁鹏孙林田宝柱华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

岩石破裂是裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程,为了研究受载岩石发生变形破坏时其内部裂纹动态扩展演化过程,利用工业CT对岩石破裂过程进行阶段性观测扫描,通过CT图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型,并对裂纹结构特征参数进行统计... 详细信息

岩石破裂是裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程,为了研究受载岩石发生变形破坏时其内部裂纹动态扩展演化过程,利用工业CT对岩石破裂过程进行阶段性观测扫描,通过CT图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型,并对裂纹结构特征参数进行统计分析,定量化表征岩石破裂过程中裂纹扩展情况。在此基础上,提取裂纹扩展路径上的局部破坏形态特征,结合岩矿鉴定试验进行细观尺度分析研究。研究结果表明:利用裂隙体积V、表面积S及分形维数D等参数可以将三维裂隙扩展过程量化,且参量呈现基本不变—小幅增大—大幅激增的变化规律;CT切片图像中裂纹面积可以表征岩石局部裂纹扩展特征,且与同阶段三维裂隙的扩展演化特征相对应;岩石细观结构对裂隙扩展影响较大,裂隙扩展遇到砾石将形成绕砾扩展、穿砾扩展及分叉扩展3种方式。该研究成果将为岩石失稳破坏、工程岩体致灾预警工作提供研究基础。

关键词： CT扫描裂纹演化三维重构量化表征扩展特征

基于程序升温实验的煤自燃特性及微观机理研究

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煤炭科学技术 2023年

作者：刘垚王福生董轩萌高东河北省矿业开发与安全技术重点实验室华北理工大学矿业工程学院

针对煤在变氧条件下氧化自燃能力不同这一情况，选取了褐煤、气煤、肥煤三种不同变质程度的煤作为实验样品开展了氧浓度为3%、5%、10%、14%、18%条件下的程序升温-气相色谱实验和基于ReaxFF力场的分子动力学模拟，根据CO、CO2等的生成... 详细信息

针对煤在变氧条件下氧化自燃能力不同这一情况，选取了褐煤、气煤、肥煤三种不同变质程度的煤作为实验样品开展了氧浓度为3%、5%、10%、14%、18%条件下的程序升温-气相色谱实验和基于ReaxFF力场的分子动力学模拟，根据CO、CO2等的生成规律和路径，探究不同变质程度煤在变氧条件下基团受氧气影响的变化特征。结果表明：煤受温度和氧气影响容易产生CO、CO2等指标气体，且指标气体呈指数上升趋势，煤的变质程度越低，在相同氧浓度条件下产生指标气体的温度就越低。模拟结果显示，变氧条件下煤与氧的反应可能是氧与煤受温度影响产生的活性中间体片段反应，而不是直接攻击煤的主体结构。煤在受温度影响后煤结构基团并不是直接发生改变，而是经历结构调整进行键的扭转、断裂和原子上的转变生成适合与氧气反应的活性中间体片段。变质程度越高的煤分子结构越稳定越不易受温度的影响产生活性中间体片段，通入氧气后氧与活性中间体反应的速度低于煤受温度影响产生活性中间体的速度，所以变氧条件下氧一般是与活性中间体反应生成水、CO等指标气体，而不是之间与煤主体结构反应。通过实验和模拟结合分析发现：褐煤在氧浓度处于3%、气煤在氧浓度处于10%～14%、肥煤在氧浓度处于14%～18%的时候水和含氧气体的数量相较于其他阶段明显增加，说明在这个贫氧浓度区间内这三种不同变质程度的煤受氧气影响较大，加速了煤氧化反应进程，煤自燃倾向性高。

关键词：煤自燃 ReaxFF力场变氧浓度分子结构活性基团

基于能量耗散与释放的充填体失稳尖点突变预警模型

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岩土力学 2020年第9期41卷 3003-3012页

作者：徐晓冬孙光华姚旭龙梁学健邵陆航华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

在充填体失稳预警研究中,以声发射前兆特征作为材料失稳预警标志已得到众多学者的一致肯定。然而,声发射前兆特征具有多种形式,这对充填体的失稳预警有一定的影响。基于此,建立了一种形式固定的充填体失稳预警模型。首先,以能量演化特... 详细信息

在充填体失稳预警研究中,以声发射前兆特征作为材料失稳预警标志已得到众多学者的一致肯定。然而,声发射前兆特征具有多种形式,这对充填体的失稳预警有一定的影响。基于此,建立了一种形式固定的充填体失稳预警模型。首先,以能量演化特征为切入点,基于尖点突变理论构建了充填体失稳预警模型,随后针对不同灰砂比充填体开展单轴压缩声发射验证试验。试验结果表明,耗散能突变与可释放弹性应变能突变所构成的区间可描述充填体的预警状态,将其定义为预警区间。不同灰砂比充填体预警区间唯一,模型具有较好的灵活性及普适性。以振铃计数率等认可度高的声发射特征参数的前兆特征对得出的预警区间的合理性进行验证,验证结果表明,根据模型求出的预警区间与声发射参数的前兆特征所处时间高度一致,进一步验证了该方法的合理性及普适性,可为充填体的失稳预警研究提供一种新的思路。

关键词：预警模型尖点突变理论声发射前兆特征能量演化

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钱家营烟煤的CO、CO和O竞争吸附特性

煤炭科学技术 2022年

作者：董轩萌郭立稳董宪伟王福生华北理工大学矿业工程学院河北省矿业开发与安全技术重点实验室

为明晰煤与CO、CO、O之间的吸附规律，研究CO与CO、O在煤中的竞争关系，以钱家营烟煤为研究对象，基于傅里叶变换红外光谱(FTIR)的实验结果，通过定量分析和分子单元参数构建的方法，构建钱家营烟煤分子晶胞结构(CHON)，为验证构建模型... 详细信息

为明晰煤与CO、CO、O之间的吸附规律，研究CO与CO、O在煤中的竞争关系，以钱家营烟煤为研究对象，基于傅里叶变换红外光谱(FTIR)的实验结果，通过定量分析和分子单元参数构建的方法，构建钱家营烟煤分子晶胞结构(CHON)，为验证构建模型的准确性，利用量子化学计算模拟分子的红外光谱，计算结果与实验结果基本吻合。在此基础上，采用巨正则蒙特卡罗和分子动力学方法，研究压力(0～16MPa)、温度(20～60℃)对煤吸附CO、CO、O的影响，研究结果表明：拟合的等温吸附曲线符合Langmuir方程，在同压力下，温度升高CO、CO、O吸附能力越弱，在同温度下，煤层埋深压力与吸附量之间呈正相关趋势，单一气体CO、CO和O的吸附量大小为CO＞O＞CO，且CO能率先达到饱和吸附状态；二元组分气体的竞争吸附结果显示，在低压或浅埋深煤层，CO/CO的吸附选择性有明显优势，随压力变化O/CO的吸附选择性变化不明显。CO的竞争吸附能力大于CO，随CO物质的量浓度增加，CO的吸附量减少；在CO与O物质的量浓度之比≤1时，O的竞争吸附量大于CO，而CO物质的量浓度远大于O时，CO的吸附量大于O，所以CO物质的量浓度高，对CO和O的吸附能力起到抑制作用，换言之，在CO异常浓度较高的烟煤煤层，利用注射CO控制灭火的效果不显著，所以还应控制工作面漏风量，以防CO脱附煤体，保证井下CO浓度在规定允许范围。

关键词：竞争吸附分子模拟吸附特性分子结构

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钒渣常压直接酸溶浸出实验

矿产综合利用 2023年第3期44卷 31-37页

作者：熊雨婷王玲刘建欣贾蓝波刘淑贤聂轶苗华北理工大学矿业工程学院河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

这是一篇冶金工程领域的论文。以河北承德某钢厂钒渣为研究对象,针对当前钒渣“钠化焙烧-水浸提钒”生产工艺易产生有毒有害气体且钒回收率低、多种有价金属未能综合回收利用的现状,本文在Fe-VH_(2)O系热力学研究基础上,对钒渣常压下直... 详细信息

这是一篇冶金工程领域的论文。以河北承德某钢厂钒渣为研究对象,针对当前钒渣“钠化焙烧-水浸提钒”生产工艺易产生有毒有害气体且钒回收率低、多种有价金属未能综合回收利用的现状,本文在Fe-VH_(2)O系热力学研究基础上,对钒渣常压下直接硫酸溶解浸出过程中磨矿细度、反应温度、酸浓度、液固比、浸出反应时间及搅拌速度等影响因素进行了实验研究。结果表明,浸出反应温度、硫酸浓度及液固比对钒浸出具有显著影响,在粒度D_(95)约16μm,反应温度90℃、液固比8∶1、H_(2)SO_(4)浓度4 mol/L、浸出反应时间8 h、搅拌速度400 r/min的条件下,钒浸出率为86.33%;酸溶过程中产生的无定形SiO_(2)可能覆盖在未溶解完全的矿物颗粒表面而阻碍矿物的进一步酸溶反应。

关键词：钒渣不焙烧常压酸浸钒浸出率冶金工程