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水热炭负载原位微生物吸附选矿废水Cd特性研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：周刚张欣远李帅龙孟群智姚建军张津豪甄慧山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东科技大学安全与环境工程学院

随着科技的发展和人类生活水平的提高，黄金在各行业得到广泛应用，但伴随着金矿的开采，大量富含重金属离子的选矿废水对环境造成了破坏。尤其是重金属镉(Cd)，因其强烈的生物毒性和高富集性严重危害着人类健康和生态安全。因此，为有... 详细信息

随着科技的发展和人类生活水平的提高，黄金在各行业得到广泛应用，但伴随着金矿的开采，大量富含重金属离子的选矿废水对环境造成了破坏。尤其是重金属镉(Cd)，因其强烈的生物毒性和高富集性严重危害着人类健康和生态安全。因此，为有效治理金矿废水中的镉污染，本研究以固定化微生物技术为基础，采用重金属浓度梯度法从金矿废水池淤泥中筛选得到了对Cd2+耐受性强的原位优势菌种，并以水热炭为固定化载体，采用吸附-包埋-交联相结合的复合固定法制备了固定化微生物活性碳球(HC-PVA-SA-MOI)。通过SEM、XPS和BET表征实验对HC-PVA-SA-MOI的微观形貌、元素组成、表面官能团、比表面积和孔隙率进行了分析，结果显示HC-PVA-SA-MOI呈大小均匀的球状，主要由C、O、N、Na等元素构成，比表面积为134.1821 m2/g，且原位优势菌种成功附着在水热炭表面；通过吸附条件优化实验研究了pH、吸附时间、温度、初始浓度、吸附剂投加量以及共存离子对HC-PVA-SA-MOI吸附性能的影响，结果表明当Cd2+初始浓度为100 mg/L，HC-PVA-SA-MOI投加量为5 g/L，溶液pH为6，吸附时间为48 h，温度为30 ℃时，是HC-PVA-SA-MOI的最佳吸附条件，此时对Cd2+的去除率为98.59%。此外吸附动力学实验和吸附等温线模型实验研究发现，HC-PVA-SA-MOI对Cd2+的吸附更符合准二级动力学模型和Langmuir模型，说明HC-PVA-SA-MOI对Cd2+的吸附机制主要为均相单分子层的化学吸附；微生物多样性和亚细胞结构分析表明，在吸附Cd2+时，发挥主要作用的微生物为Halomonas(嗜盐单胞菌)属菌种，发挥主要作用的微生物结构为细胞壁和细胞膜。再生试验表明，经过5次吸附-解吸循环后，HC-PVA-SA-MOI对废水中Cd2+的去除率仍能达到90.11%，具有良好的重复利用性能。基于其可持续性、低成本和优良的吸附性能，HC-PVA-SA-MOI有望作为一种用于实际处理金矿废水Cd2+的吸附剂。

关键词：含镉金矿废水水热炭微生物固定化技术物理化学吸附

矿用PET基梯度式微纳米纤维复合膜制备及高效滤尘-强化透湿性能研究

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煤炭学报 2024年

作者：周刚徐卓姜力玮陈冠双马云龙柳茹林王勇梅山东科技大学安全与环境工程学院山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地

井下湿热高尘环境中粉尘颗粒物对作业人员的身心健康造成了巨大危害，其中细颗粒粉尘易吸入后到达呼吸道深部肺泡区，是诱发煤矿行业职业性尘肺病的主要原因。为此，本研究基于静电纺丝技术调控微纳米纤维材料结构，层合纺丝制备一种兼... 详细信息

井下湿热高尘环境中粉尘颗粒物对作业人员的身心健康造成了巨大危害，其中细颗粒粉尘易吸入后到达呼吸道深部肺泡区，是诱发煤矿行业职业性尘肺病的主要原因。为此，本研究基于静电纺丝技术调控微纳米纤维材料结构，层合纺丝制备一种兼具高效捕尘与强化透湿性能的复合材料，利用超亲水纤维增强高湿条件下对水分子的吸附，利用疏水纤维避免材料中产生毛细水，引入润湿性介于疏水和超亲水之间的多级导流层，构筑多层梯度润湿型聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基复合纤维滤料，解决现有滤料制备难度大，佩戴亲肤性较差及热舒适性不足的问题。实验以PET为基材，引入羟基化石墨烯增强扩散和静电吸附效应以捕获粉尘，选择聚乙烯吡咯烷酮调节亲水梯度，提高复合纤维滤料的润湿性。微观表征和性能测试结果表明：所制备纤维膜具有微纳米尺度的直径、良好的结构规整性和相对光滑的表面形貌，实现了纤维直径和形态的较好调控，各纳米纤维膜的表面元素和官能团分布与其特性相符。对比实验表明，多层复合膜具有较好的滤尘防护性能，品质因子高达0.439 Pa-1，孔径分布于2.15～4.61 μm之间，同时接触角测试表明多层复合膜具有从超亲水（0°）到疏水（135.2°）渐变的润湿梯度，水蒸气透过量为5434.503 g/m2·24h，比单独的亲水膜和疏水膜分别高出1.37倍和2.04倍。此外，通过太赫兹扫描成像分析的方法，开展纤维材料内部液态水的定量分析，阐明了纳米纤维膜对水分子的传输机制。因此，构筑的多层梯度润湿纤维滤料在工矿湿热高尘环境呼吸防护领域具有广阔的应用前景，同时为废弃物的资源化利用提供一种有效的途径。

关键词：聚对苯二甲酸乙二醇酯静电纺丝梯度式复合膜滤尘透湿太赫兹成像

裂隙发育过程对采动裂隙椭抛带压实区的影响研究

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 25-35页

作者：刘奇笪雨欣曹广勇李青海赵金海蒋长宝山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东省矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室安徽合肥230601 重庆大学资源与安全学院重庆400044

采空区瓦斯抽采的关键是了解工作面上覆岩层裂隙的演化过程。为了研究综采工作面覆岩采动压实区演化规律,高效进行煤矿采空区瓦斯抽采工作,以神东某矿区2207工作面为原型,通过物理相似模拟实验,利用自主研发的覆岩裂隙监测系统将图像进... 详细信息

采空区瓦斯抽采的关键是了解工作面上覆岩层裂隙的演化过程。为了研究综采工作面覆岩采动压实区演化规律,高效进行煤矿采空区瓦斯抽采工作,以神东某矿区2207工作面为原型,通过物理相似模拟实验,利用自主研发的覆岩裂隙监测系统将图像进行直方图均衡化增强和中值滤波去噪处理,获得二值化裂隙图像后利用分形理论定量描述裂隙率,对典型周期来压覆岩垮落裂隙率进行统计分析,建立了裂隙发育程度受工作面推进时间的时空函数和采动裂隙椭抛带压实区演变修正模型。结果表明:覆岩平均裂隙率变化符合DoseResp函数关系,裂隙的发育过程包括产生、扩展蔓延、压实闭合3个阶段,裂隙在产生、闭合这2个阶段发育速率较平缓,而在扩展阶段发育速率陡增。采空区上覆岩层裂隙场形成旧裂隙区、压实区和新裂隙区3个区域,裂隙发育周期的不同导致旧裂隙区与新裂隙区在发育状态、压实程度和空间形态上有着明显差异,这些差异导致了采空区覆岩非对称性下沉现象的发生。通过分析覆岩应力恢复与覆岩内部裂隙演变关系,进一步验证了采用DoseResp时间函数曲线可以很好的表现采空区上覆岩层裂隙异速演变特征。最后建立了考虑覆岩裂隙异速演变效应的采动裂隙椭抛带压实区修正模型,并结合现场工程实践,有效提高瓦斯抽取高位钻孔布置的准确性,为工作面的安全开采提供理论指导。

关键词：瓦斯抽采裂隙发育过程覆岩压实区物理相似模拟

基于Unity3D的工作面液压支架群组空间支护姿态数字孪生重构方法

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煤炭科学技术 2024年

作者：曾庆良班新亮孟昭胜万丽荣雷小万山东科技大学机械电子工程学院山东科技大学能源与矿业工程学院山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培训基地

煤炭是我国的关键能源，保障煤炭资源安全高效开采对我国具有重要战略意义。我国煤炭资源以井工开采为主，生产环境较恶劣且工人劳动强度大，智能化开采因其减人提效理念内涵成为我国煤炭行业高质量发展的必由之路。液压支架是井工开采... 详细信息

煤炭是我国的关键能源，保障煤炭资源安全高效开采对我国具有重要战略意义。我国煤炭资源以井工开采为主，生产环境较恶劣且工人劳动强度大，智能化开采因其减人提效理念内涵成为我国煤炭行业高质量发展的必由之路。液压支架是井工开采关键支护装备，其支护性能同时受本体支护姿态及群组关联姿态影响。受井下复杂开采条件影响，液压支架支护姿态信息获取困难，因此如何智能精准地感知液压支架群组空间支护姿态是制约智能化建设的重大难题之一。为精准描述工作面液压支架群组空间支护姿态，首先分析了液压支架群组空间连接关系，建立了基于多杆双驱的液压支架自姿态感知模型和基于空间多线协同定姿的架群姿态感知模型，分析了不同求解策略对自姿态模型解算性能影响。随后借助三维互动平台Unity3D搭建了工作面液压支架群组数字孪生环境，开发了基于工作面真实场景数据驱动的可视化系统。最后，依托山东某矿对所述方法开展了工程验证，结果表明提出的液压支架群组空间支护姿态孪生重构方法能精确映射实际液压支架群组真实空间支护位态，解决了液压支架支护本体支护姿态信息易受现场振动干扰和支架群组关联姿态信息缺失难题。论文所提方法为工作面多智能体运行行为全场景虚拟再现及工作面智能化建设提供思路借鉴。

关键词：液压支架数字孪生自姿态群姿态 Unity3D

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基于深度学习的管道热图像泄漏识别

红外技术 2024年第5期46卷 522-531页

作者：陈秋艳张新燕贺敏田义春刘宁郭瑞王晓辉游思源张修坤山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 青岛市生产安全火灾事故智能控制工程中心山东青岛266590 烟台哈尔滨工程大学研究院山东烟台264000

为了降低输液管道多泄漏点微小泄漏的检测难度,提高输液管道无损检测的检测精度与检测速度,通过搭建水循环管道泄漏实验系统,改变管道泄漏点尺寸、泄漏点数量及输送介质温度,应用红外热像仪实时采集红外图像,提出基于非线性平稳小波和... 详细信息

为了降低输液管道多泄漏点微小泄漏的检测难度,提高输液管道无损检测的检测精度与检测速度,通过搭建水循环管道泄漏实验系统,改变管道泄漏点尺寸、泄漏点数量及输送介质温度,应用红外热像仪实时采集红外图像,提出基于非线性平稳小波和双边滤波算法实现图像降噪;并结合红外检测技术和YOLO(You Only Look Once)v4模型实现输液管道单、多漏点的自动化智能检测。结果表明,与传统滤波算法相比,该降噪方法的峰值信噪比、结构相似性均有所提升;该模型能够快速且准确地检测管道单、多漏点,检测精度(mAP)分别达到了0.9822及0.98,准确率分别达到了98.3%及98.36%,单帧检测时间分别达到了0.3021 s及0.3096 s,实现了在复杂背景干扰下对单、多泄漏点的识别。通过与YOLO v3、Faster R-CNN和SSD 300这3种算法比较发现,YOLO v4算法对管道单一漏点及多泄漏点检测的准确率、mAP和检测时间均更佳,具有更高的检测准确性与检测效率。

关键词：输液管道红外无损检测技术图像降噪自动检测 MATLAB

基于改进的SSA-BP神经网络的矿井突水水源识别模型研究

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工矿自动化 2024年第2期50卷 98-105,115页

作者：刘伟韬李蓓蓓杜衍辉韩梦珂赵吉园山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266590

机器学习与寻优算法的结合在矿井突水水源识别上得到广泛应用,但突水水样数据具有随机性且寻优算法易陷入局部最优,提高模型泛化能力和跳出局部最优需进一步研究。针对上述问题,提出了一种改进的麻雀搜索算法(SSA)优化BP神经网络模型,... 详细信息

机器学习与寻优算法的结合在矿井突水水源识别上得到广泛应用,但突水水样数据具有随机性且寻优算法易陷入局部最优,提高模型泛化能力和跳出局部最优需进一步研究。针对上述问题,提出了一种改进的麻雀搜索算法(SSA)优化BP神经网络模型,用于对矿井突水水源进行定量辨识。以鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿为研究对象,通过常规离子浓度分析、Piper三线图对该煤矿水样的水化学特征进行分析,初步判断矿井水来源于奥灰含水层和三灰含水层,并确定Na^(+)+K^(+)浓度、Ca^(2+)浓度、Mg^(2+)浓度、HCO_(3)^(-)浓度、SO_(4)^(2-)浓度、Cl^(-)浓度、矿化度、总硬度、pH值作为突水水源识别指标;建立基于改进SSA-BP神经网络的矿井突水水源识别模型:首先进行SSA参数设置,引入Sine混沌映射使麻雀种群均匀分布,然后通过计算适应度值进行麻雀种群的更新,引入随机游走策略扰动当前最优个体,如果满足终止条件,则获得最优BP神经网络权重和阈值,最后基于构建的BP神经网络,输出识别结果。研究结果表明:①改进的SSA-BP模型在训练集上的识别准确率达95.6%,在测试集上的识别准确率达100%。②改进的SSA-BP神经网络模型与BP神经网络模型、SSA-BP神经网络模型对比结果:BP神经网络模型误判率为5/18,SSA-BP神经网络模型的误判率为2/18,改进的SSA-BP神经网络模型误判率为0,迭代10次后趋于稳定,且与设定的目标误差相差最小,初始适应度值最优,识别结果可信度高。③将阳城煤矿5组矿井水水样数据作为输入层数据输入到训练好的模型中,矿井水水样的主要来源为奥灰含水层、三灰含水层和山西组含水层,模型识别结果与水化学特征分析的结论相互印证,实现了精准区分。

关键词：矿井突水水源识别水化学特征麻雀搜索算法 BP神经网络混沌映射随机游走策略

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基于分层变迁的WFPN电网故障分析

电工技术学报 2016年第15期31卷 125-135页

作者：陈强程学珍刘建航王程白星振山东科技大学电气与自动化工程学院青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地青岛266590

为了增强模型的灵活性以及解决算法在推理过程中存在的不足而影响诊断准确性的问题,研究了基于改进的加权模糊故障Petri网(WFPN)的电网故障诊断方法。首先,根据故障信息确定可疑元件并建立各元件两层通用模型。其次,提出了对变迁集合进... 详细信息

为了增强模型的灵活性以及解决算法在推理过程中存在的不足而影响诊断准确性的问题,研究了基于改进的加权模糊故障Petri网(WFPN)的电网故障诊断方法。首先,根据故障信息确定可疑元件并建立各元件两层通用模型。其次,提出了对变迁集合进行分层归类及算法的改进,使计算过程更符合变迁的触发时序。其中,变迁分层数的多少决定着算法迭代的次数。最后,给出了故障诊断的具体推理过程,分析了算法性能和模型适应性。算例分析和不同模型诊断结果的比较表明该方法的合理性和有效性,可实现快速的故障诊断。

关键词：分层变迁模糊Petri网推理算法电网故障诊断

一种基于模糊故障Petri网的三相异步电动机故障分析方法

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电工技术学报 2015年第17期30卷 132-139页

作者：程学珍王程于永进伊利峰陈强山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地青岛266590 山东科技大学电气与自动化工程学院青岛266590

为提高三相异步电动机运行的稳定性,采用模糊故障Petri网理论对运行电动机进行状态评价与故障诊断。根据电动机故障逻辑关系,结合Petri网建模方法,建立电动机的模糊故障Petri网模型;提出变迁使能点火判别矩阵,结合MYCIN置信度矩阵法的... 详细信息

为提高三相异步电动机运行的稳定性,采用模糊故障Petri网理论对运行电动机进行状态评价与故障诊断。根据电动机故障逻辑关系,结合Petri网建模方法,建立电动机的模糊故障Petri网模型;提出变迁使能点火判别矩阵,结合MYCIN置信度矩阵法的正向推理算法,实现电动机运行状态的准确评价;逆向推理算法即为故障诊断过程,提出一种更为简洁的全矩阵推理算法,使诊断速度极大提高;采用最小割集理论进行优先诊断能够很好地避免诊断的盲目性;最后对电动机部分故障模型进行演绎分析,并通过故障树、统计数据和方法对比验证推理模型的可靠性和合理性。

关键词：模糊故障Petri网三相异步电动机状态评价与故障诊断矩阵推理最小割集

基于最大似然译码字的Petri网电网故障诊断方法

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电工技术学报 2015年第15期30卷 46-52页

作者：程学珍陈强于永进王程刘建航山东科技大学电气与自动化工程学院青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地青岛266590

考虑到畸变的动作信号对电网故障诊断准确度的影响,提出一种基于最大似然译码字的Petri网故障诊断方法。首先,根据保护和断路器的动作逻辑关系,建立故障元件的Petri网诊断模型,并运用CPN Tools软件验证其合理性;其次,推导相关矩阵,并给... 详细信息

考虑到畸变的动作信号对电网故障诊断准确度的影响,提出一种基于最大似然译码字的Petri网故障诊断方法。首先,根据保护和断路器的动作逻辑关系,建立故障元件的Petri网诊断模型,并运用CPN Tools软件验证其合理性;其次,推导相关矩阵,并给出确定监督码元数量的方法;最后,应用最大似然可信度和相关代价之间的关系确定最佳错误图样,以此对畸变信号进行纠正,并根据故障映射关系做出相应的故障诊断。算例分析和不同模型诊断结果的对比表明上述方法可提高故障诊断结果的容错性和准确性。

关键词：信号畸变最大似然译码 Petri网故障诊断