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2020年  第5卷  第6期

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基于二维裂缝扩展的二氧化碳注入砂岩透镜体封存模拟
于慧, 崔振东, 丁航航, 姚义, 庞振忠, 朱柯
2020, 5(6): 601-607. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.001
摘要(453) PDF(153)
摘要:
为保证砂岩透镜体中超临界二氧化碳封存的安全性,对裂缝萌生、扩展、演化过程进行了研究。建立透镜体地质模型和数值计算模型,分析超临界二氧化碳流体在裂缝中的运移机理;利用ABAQUS数值模拟软件建立流-固耦合模型,进行裂缝扩展模拟。结果表明:在有初始裂缝时,裂缝扩展呈现出长、快、曲的趋势;在无初始裂缝时,裂缝扩展呈现出短、慢、平的趋势;在初始裂缝角度为0°、30°情况下,裂缝的宽度、面积随孔隙水压力的变化较为一致,整体上呈线性递增趋势;在初始裂缝角度为60°情况下,裂缝的扩展主要取决于初始注入点和运移通道的选择。
基于多光谱遥感的裸土土壤含水量反演研究
王启元, 赵艳玲, 房铄东, 杨熙, 周虎, 刘金凤
2020, 5(6): 608-615. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.002
摘要(624) PDF(105)
摘要:
矿区排土场的土壤含水量监测研究在矿产资源开发、生态恢复及干旱预警等方面具有重要意义。以我国东部草原区胜利露天矿北排土场土壤为试验材料,使用Spequoia多光谱相机和ECH2O土壤水分传感器对4种不同深度(1 cm、3 cm、5 cm、10 cm)的土柱样本每天10:00至14:00持续监测,采集到4个波段(550 nm、660 nm、735 nm、790 nm)处的土壤光谱反射率和土壤含水量数据,分别使用偏最小二乘回归法、岭回归法、反向传播(BP)神经网络三种方法建立单波段或多波段光谱反射率组合作为反演因子的土壤含水量反演模型。结果表明,偏最小二乘回归法、岭回归法反演精度较低,R2最高仅为0606。以绿(550 nm)、红边(735 nm)、近红外 (790 nm)三波段组合作为反演因子的反向传播神经网络(G-R-N-BP)模型反演效果最佳,其对1 cm、3 cm、5 cm、10 cm深度土壤含水量反演模型的决定系数(R2)分别为0866、0800、0975、0911,均方根误差(RMSE)分别为0333、0361、0103、0315,最佳反演深度为5 cm。本研究为矿区地表水分监测提供了重要的理论依据与实践应用价值。
坚硬顶板深浅孔组合聚能爆破技术研究及应用
李民族, 马资敏, 薛定亮, 苑云海
2020, 5(6): 616-623. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.003
摘要(376) PDF(58)
摘要:
针对坚硬顶板条件下实施定向预裂聚能爆破技术后存在钻孔浅部裂缝率低、架后悬顶大的难题,通过理论分析、数值模拟及现场监测,提出了深浅孔组合聚能爆破技术。分析了坚硬顶板单一深孔聚能爆破存在的问题,指出优化钻孔布设及爆破参数是提高爆破效果的主要途径。研究了深浅孔组合聚能爆破技术原理,提出了深浅孔组合能量场理论和组合导向孔力学机制。深浅孔爆破时可形成深部和浅部聚能爆破应力场,同时深孔浅部又对浅孔爆破起到了导向孔的效果,最终可形成切顶范围内的预裂面。现场爆破效果监测,孔内裂缝率提高了30%,并得到了顶板压力变化规律。架后顶板及时垮落充填,消除了坚硬顶板的断裂冲击,降低了留巷围岩控制难度。研究成果可为坚硬顶板条件下切顶留巷的定向预裂高效聚能爆破提供参考。
室内小药量岩石爆破损伤评价方法及装置
王雁冰, 于冰冰, 孔骥, 王兆阳, 吴后为
2020, 5(6): 624-631. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.004
摘要(285) PDF(52)
摘要:
爆破损伤的定量评价一直是工程爆破界非常关注的问题。本研究自主设计研发了一种主动围压与边界约束装置,解决了传统的室内小试件爆破时的边界约束和炮孔封堵效果不佳带来的冲孔问题。基于CT扫描和三维重构,提出了爆破后岩石损伤度的测试及计算方法来定量评价和分析室内小药量爆破岩石试件后的损伤破裂程度。利用该装置和方法开展不同相对围压条件下小药量室内红砂岩的爆破试验,进行爆后试件的CT扫描和CT图片的二值化处理,基于Mimics1001重构了岩石试件,发现重构的模型和真实的爆后试件具有很强的相似性。最后计算了分形维数和损伤度,发现分形维数和损伤度随围压的增大而呈现减小的趋势。本研究可为爆破损伤评价提供一种新思路。
矿井水影响下粗砂岩力学性能变化规律研究
吴宝杨, 刘康, 郭东明
2020, 5(6): 632-637. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.005
摘要(469) PDF(52)
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地下水库是矿井地下水处理的有效措施之一,但矿井水对水库坝体力学性能具有弱化效应,威胁着地下水库的安全稳定。因此,有必要开展矿井水作用下岩石力学性能劣化规律研究。本文以灵新煤矿地下水库为背景,通过室内试验研究,分析了矿井水浸泡下粗砂岩力学性能的劣化规律。结果表明:浸泡试件的质量变化与比表面积、填隙物和岩石矿物成分有关。较小水压下,粗砂岩的渗透率呈指数型衰减。但随着水压的进一步增加,堵塞孔隙的颗粒被冲刷,渗透率开始增加;水压越大,渗透率升高幅度越大。随着浸泡时间的增加,岩石抗拉强度存在快速劣化段;之后趋缓,并呈线性劣化趋势。单轴抗压强度呈现先快速减小、后略微增加、再减小的规律。粗砂岩的力学性能劣化是矿井水渗入岩石节理,与填隙物发生水化膨胀以及溶解岩石中部分矿物引起。单轴抗压强度增加阶段与孔隙堵塞引起的孔隙水压力有关。
回坡底煤矿回采巷道非对称底鼓机理及防治措施
赵洪宝, 刘一洪, 程辉, 李金雨, 徐建峰, 王伊阔
2020, 5(6): 638-647. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.006
摘要(446) PDF(61)
摘要:
以回坡底煤矿为工程背景,通过理论分析、数值模拟及现场实测研究了孤岛煤柱下回采巷道的非对称变形机理,提出了相应的底鼓防治措施。研究结果表明:孤岛煤柱下方岩体存在分区破坏特征且以剪切破坏为主,而采空区下方岩体以拉伸破坏为主,岩体破坏形态呈倒梯形;11-1021巷道位于剪切破坏和拉破坏岩体的交界处,导致巷道两侧围岩的破坏程度和破坏特征不同,从而巷道表现出非对称变形特征,1021巷道靠近煤柱侧围岩内应力较大,变形量较小,而靠近采空侧围岩的应力小,底鼓量大。基于巷道两侧围岩的应力和变形分布特征,提出了一种基于让抗结合的底鼓防治技术并进行现场验证,结果表明:当巷道不受采动影响时,经底鼓防治措施处理的区域底鼓量大幅减小,并且随时间增长底鼓速度趋于稳定;当巷道受采动影响时,经防治措施处理区域底鼓量减小近1/2,满足生产要求。
基于指数型扩散系数的多孔材料干燥传质模型研究
张通千
2020, 5(6): 648-654. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.007
摘要(443) PDF(46)
摘要:
建立含水状态下矿物类多孔材料干燥传质数学模型,对于了解多孔矿物材料内部水分分布以及优化材料干燥参数有重要意义。本文在Lewis-Scherwood干燥模型基础上,采用了动态水汽化潜热值和指数型质扩散系数,建立了改良后表面对流干燥条件下的多孔材料水分一维扩散热质传递模型,通过对3种含水多孔材料试样在表面对流干燥条件下材料内部含水量下降的实验值与计算值的对比,确定了一维扩散模型计算值平均相对误差为46%。将改良模型和传统模型的计算结果分别与含水多孔材料试样干燥实验结果进行对比,验证了新模型较传统模型具有更高精度。新模型适用于预测多孔矿物材料内水分分布,为研究不同干燥环境下多孔矿物材料内部含水量预测方法提供了借鉴。
基于分段线性回归的煤机装备机载操作臂定位误差补偿方法
贾运红, 王振翀, 焦晓峰
2020, 5(6): 655-661. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.008
摘要(329) PDF(59)
摘要:
针对煤机装备机载操作臂的定位误差补偿问题,提出了一种基于分段线性回归的定位误差补偿方法。该方法基于一种煤机装备的典型机载多关节操作臂进行运动学分析,建立了正向运动学和逆向运动学方程;基于3个工作位置设计了操作臂固定的“”形运行路径;多次采集同一路径中多个位置点的位置信息,对路径点的测量值与目标值进行数据分析,并对目标值进行修正,实现误差补偿。实验验证结果表明,运用分段线性回归的方法进行误差补偿,使得x、y、z三个方向的均方根误差分别降低到100 mm以下,平均绝对误差降低到100 mm以下,满足误差在100 mm以下的工作需求。
基于BP神经网络PID的液压支架初撑力自适应控制
胡相捧, 刘新华, 庞义辉, 刘万财
2020, 5(6): 662-671. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.009
摘要(362) PDF(65)
摘要:
液压支架初撑力对顶板的控制具有重要作用,采用三位四通手动操纵阀的开环控制或两位三通电磁换向阀的先导控制,很难使初撑力达到设定值并保持稳定,即使达到设定值也存在压力降和波动现象。基于此,建立了立柱电液力控制系统数学模型,利用MATLAB分析了系统的稳定性,得到系统的Pole-Zero图右半S平面不存在开环零点和极点,系统为最小相位系统;Nyquist图逆时针绕(-1,j0)的圈数为0,系统相位裕度为941°,幅值裕度为107 dB,系统稳定;阶跃响应115 s趋于稳定,脉冲响应90 s趋于稳定。提出了基于BP神经网络的PID初撑力自适应控制方法,并建立了三层神经网络控制模型,误差控制采用二次型性能指标;采用有监督的Hebb学习规则和梯度下降法对输出层和隐含层的权值系数进行更新,经训练得到PID控制器的三个控制参数。仿真结果表明:期望输入为阶跃信号时,立柱达到初撑力并稳定需要约885 s,期望输入为方波信号时,立柱达到初撑力并稳定需要约91 s,相比没有采用BP神经网络PID控制,其响应时间提高了约13倍。
矿用腕部偏置伸缩型Pieper机器人新算法数值解研究
姚海峰, 刘伟, 郑晓雯, 张兰胜, 刘福新, 吴淼
2020, 5(6): 672-680. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.010
摘要(343) PDF(43)
摘要:
矿用机器人腕部采用偏置形式承受较大负载,同时执行端采用滑动构件以增大作业范围。本文对此类腕部偏置伸缩型机器人进行研究,发现该构型机器人空间结构的2个特性:一是对第5自由度的求解可转化为对特定直线与特定平面法线夹角的求解;二是矢量轴3和矢量轴4交点与原点O之间距离为定值。这2个特性表明可对第5和第6自由度进行迭代搜索求解,提出了一种无须建立各连杆坐标系的机器人运动学求解方法,求解在全局坐标系内完成,采用逐步完成的方法进行正向求解,采用逐步归位的方法进行逆向求解。新的求解方法耗时短、精度高,解决了传统数值方法不利于工业应用的问题,推动了腕部偏置伸缩型Pieper机器人在截割头组对焊接和井下凿岩工作中的应用。
煤基复合絮凝剂对高浊度高矿化度矿井水的絮凝效果研究
蒋斌斌, 高昊, 杜坤, 宋振宇, 赵茜阳, 张凯
2020, 5(6): 681-686. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.011
摘要(381) PDF(60)
摘要:
煤矿分布式地下水库在神东地区应用取得显著成果,宁东地区已开始论证其可行性,但宁东地区矿井水多为高浊度高矿化度矿井水,需要对水库入水进行预处理。本文采用以粉煤灰为原料,通过与聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化铝(PAC)、壳聚糖混合得到处理高浊度高矿化度矿井水的絮凝剂,试验对比了粉煤灰基复合絮凝剂和未加粉煤灰絮凝剂的絮凝效果,并探究了粉煤灰基絮凝剂的影响因素,确定了最佳投加量和试验条件。实验结果表明:① 5个处理组中对矿井水的处理效果依次是:PAM+PAC+壳聚糖+粉煤灰>PAM+PAC+壳聚糖>PAM+PAC>PAM>PAC;② 粉煤灰基复合絮凝剂的最佳絮凝条件为温度25℃、pH值7、搅拌强度220 r/min、搅拌时间20 min;③ 在最佳条件下,复合絮凝剂对矿化度、悬浮物、钙离子、总硬度和硫酸根的去除率分别为1216%、9804%、8057%、7786%和9544%;④ 粉煤灰基复合絮凝剂作为地下水库处理高浊度高矿化度矿井水预处理絮凝剂是可行的。本研究为地下水库进水的絮凝等预处理提供理论依据和技术支撑。
难沉降钨矿选矿废水处理研究
章丽萍, 吴胜念, 宋学京, 程希凝, 张鑫, 焦晓菲
2020, 5(6): 687-695. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.012
摘要(203) PDF(79)
摘要:
钨矿选矿过程中加入了大量的水玻璃和油酸,造成废水中残留大量水玻璃,使废水呈现黏稠的胶状,悬浮物难以沉降。目前国内外关于选矿废水处理的研究大多集中在选矿废水中有机选矿药剂的降解和重金属离子的去除,而对难沉降胶体的去除主要以传统的混凝剂聚合氯化铝(PAC)为主。本研究对不同的絮凝剂和助凝剂进行筛选组合并优化实验参数,使处理后选矿废水达到选矿用水水质要求。实验结果表明:基于实际选矿废水水质调研配制的模拟选矿废水pH值为1226,浊度为1 390 NTU,悬浮物(SS)为2 780 mg/L,Zeta电位为-59.9 mV;优化絮凝剂氯化钙(CaCl2)的投加量为500 mg/L,助凝剂1 500万分子量阳离子型聚丙烯酰胺(PAM)的投加量为30 mg/L,450 r/min快速搅拌反应5 min,160 r/min慢速搅拌2 min后静置沉淀20 min,则上清液浊度为7.11 NTU,浊度去除率高达99.48%。
煤泥含量对重介质悬浮液稳定性和流动性的影响
张志军, 周琦, 温亚培, 李思凡, 许振峰
2020, 5(6): 696-702. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.06.013
摘要(669) PDF(96)
摘要:
重介质悬浮液的稳定性和流动性是影响重介质旋流器分选效果的两个相互矛盾的因素。为探寻悬浮液性质对重介质旋流器分选效果的影响,通过测量悬浮液密度变化和零时表观黏度,研究了不同煤泥含量对悬浮液稳定性和流动性的影响,并进行了实验室重介质旋流器分选试验。结果表明:重介质悬浮液的煤泥含量是影响悬浮液稳定性和流动性的主要因素。同一悬浮液密度下,煤泥含量越高,悬浮液密度下降越慢,其稳定性越好;不同密度的悬浮液达到稳定所需的煤泥含量不同,悬浮液密度越高,达到稳定所需的煤泥量越少。重介质悬浮液的煤泥含量对其流动性的影响效果与稳定性相反,悬浮液密度越大、煤泥含量越高,则黏度越大、流动性越差。实验室重介质旋流器分选试验表明,在悬浮液密度为1.50 g/cm3的条件下,当煤泥含量为20%时,错配物含量最低,其分选效果最好。