矿业科学学报

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

杨科 , 付强 , 袁亮 , 陈宁 , 刘钦节 , 杨卿干

2023, 8(3): 283-292. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.001

摘要(457) HTML (73) PDF(76)

摘要:
在双碳战略目标牵引下，中国深化能源革命，目前已成为世界上最大的可再生能源发电国。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题，新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展，但在生态红线与地形等因素约束下，传统抽水蓄能电站选址难题亟须解决。同时，煤炭去产能过程中形成了大量的关闭/废弃矿井与资源枯竭型城市。本研究详细概述了中国抽水蓄能电站的发展现状，分析了关闭/废弃矿井与抽水蓄能结合后对水资源压力的缓解与温室气体减排等环境效益。基于关闭/废弃矿井抽水蓄能电站不同模式，对关闭/废弃矿井抽水蓄能应用潜力展开了分析，最后提出中国废弃矿井抽水蓄能发展战略，并展望了关闭/废弃矿井+储能的多元产业愿景。

面向绿色矿山的注浆关键技术与工程示范

杜金龙 , 潘树仁 , 刘长友 , 魏云迅 , 鲁岩 , 潘海洋 , 齐宽 , 赵明 , 刘厚松 , 姚宏鑫 , 周瑶 , 晏嘉 , 李世念 , 张彪 , 张丝诺

2023, 8(3): 293-307. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.002

摘要(407) HTML (42) PDF(55)

摘要:
针对地表塌陷、水资源破坏、煤基固废堆积等问题，系统性提出了煤炭绿色开采“减沉、增载、处废、控水”一体化的多元耦合注浆技术体系，并成功示范。具体内容有：(1)综合利用理论分析、数值模拟、现场探测(钻探、超声成像、井下电视、光纤监测)等手段，研究了采动空隙空间与原生裂隙空间发育演化规律，尤其是将分布式光纤技术应用于离层空间探测，实现了注浆空间的精准识别。(2)利用煤基固废(煤矸石、粉煤灰)等制备了应用于不同场景的多源无机高性能注浆材料，将煤矸石作为离层注浆材料实现了规模化处置，同时研发了具有水下抗分散性、高体积系数、高塑性强度的新型KEP注浆堵水材料。(3)将丛式井技术运用到离层注浆孔钻探施工，有效规避采动超前破坏；集成研制了全天候、高泵压、大流量智能化注浆系统；应用补强注浆工艺，强化注浆减沉效果。(4)提出了注浆效果监测检测技术体系，重点阐述了钻探取芯与测井相结合的钻孔检测方法。(5)形成了以离层注浆减沉处废、垮落带注浆处废、老空区注浆增载处废和顶板裂隙注浆控水为核心的智能化技术体系，并在夏店煤矿、新浦磷矿、曹家滩煤矿、高家堡煤矿进行了工程示范，为我国绿色矿山建设提供了新思路。

矿井瞬变电磁法小线圈装置的电磁场响应特征研究

时志浩 , 程久龙 , 徐忠忠 , 姜国庆

2023, 8(3): 308-314. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.003

摘要(205) HTML (35) PDF(32)

摘要:
研究小尺寸且方便在井下安装的瞬变电磁法探测装置，可为掘进巷道随掘随探和预报水害提供新思路。基于全空间瞬变电磁理论，采用三维时域有限元法进行数值模拟，探讨了小线圈激励获得的二次场响应特征和磁芯线圈接收的瞬变电磁响应特征。构建巷道掘进工作面前方含水断层地质-地球物理模型，研究了小线圈装置对含水断层的瞬变电磁响应特征，对比分析小线圈与常规线圈超前探测的效果差异。研究表明：小回线源激励产生的感应电动势衰减规律与常规发射线框对应的感应电动势随时间变化规律相同，磁芯线圈能有效地提高感应信号强度；小线圈装置与常规线圈装置探测应用效果良好，可以有效解释低阻区分布范围，探测结果与巷道掘进验证结果吻合。结合井下现场试验，验证了小线圈装置应用于矿井瞬变电磁法超前探测的适用性和有效性。

大同煤田煤系高岭岩赋存特征和成矿机理研究

柳建平 , 刘霖松 , 刘迪 , 张帅 , 雷浩晨

2023, 8(3): 315-322. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.004

摘要(301) HTML (41) PDF(42)

摘要:
大同煤田含煤地层中富含具有工业价值的高岭岩资源，为了确定这些煤系高岭岩的赋存特征和成矿机理，本文以大同煤田晚古生代太原组的高岭岩矿床为研究对象，采用野外地质调查、室内显微镜鉴定、XRD分析和地球化学分析等研究方法，对煤系高岭岩的赋存层位、结构组成、岩石类型及成因进行研究。结果表明：研究区高岭岩主要赋存在9号煤底板、8号煤底板、3-5号煤底板、3-5号煤夹矸和2号煤底-3号煤顶层间5个层位；岩石主要矿物成分为高岭石(含量60 % ~90 %)，其次为石英，以及少量的长石、云母、菱铁矿、硬水铝石、锐钛矿等；高岭岩结构组分可划分为颗粒、高岭石晶粒、矿物碎屑和基质，岩石类型包括晶粒状高岭岩、隐晶质高岭岩、团块状高岭岩和砂质高岭岩；煤系高岭岩的成因主要为陆源搬运沉积形成和火山灰蚀变形成两种。

艾士卡熔样-离子色谱法测定煤中氯含量

闻振海

2023, 8(3): 323-328. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.005

摘要(177) HTML (42) PDF(21)

摘要:
为了满足煤田勘探、煤炭生产与加工行业对大批量煤样中氯含量的测定需求，本文提出了艾士卡熔样-离子色谱法测定煤中氯的新方法，改进了样品前处理步骤，确定了各项实验参数。本方法检出限为0.001 7 %，3个实际煤样10次平行测定相对标准偏差范围为1.08 % ~3.92 %，6次加标测定回收率在98 % ~104 %，3个标准煤样测定结果均在保证值范围内。结果表明，本方法检出限低于国标方法，精密度和准确度满足或优于国标方法。艾士卡熔样-离子色谱法测定煤中氯含量操作简便，成本较低，测定效率高，在大量样品批量测定时值得推广。

深层页岩蒙脱石表面水化抑制机理的分子动力学模拟

李东波 , 李广洲 , 刘秦龙 , 芦苇

2023, 8(3): 329-338. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.006

摘要(214) HTML (73) PDF(36)

摘要:
井壁失稳是油气勘探开发过程中最为复杂的技术难题之一，黏土矿物水化膨胀是造成井壁失稳的关键因素，其中表面水化因水化势较大而难以去除。本文通过分子动力学模拟探测了无机盐对蒙脱石表面水化的抑制效果，以及浓度、温度和压强对水化抑制效果的影响，揭示了无机盐CaCl₂抑制蒙脱石表面水化的微观机理。研究表明：抑制阳离子通过束缚蒙脱石表面水分子和降低水分子输运传导能力，从而调控水分子侵入蒙脱石表面来实现抑制作用。无机盐抑制表面水化能力依次为CaCl₂>NaCl>MgCl₂>KCl，钙离子易吸附表面水分子形成稳定的外球络合结构。随着CaCl₂浓度增加，钙离子配位数、水化数和水化半径均降低，抑制能力减弱；温度升高和压强降低时，体系中水分子传导输运能力增强、钙离子水化数减小且力学强度降低。

亚纳米Pd/S-1催化剂催化乏风瓦斯燃烧性能研究

张学里 , 竹涛 , 苑博 , 李辰 , 王美丹 , 张百旋

2023, 8(3): 339-347. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.007

摘要(129) HTML (30) PDF(16)

摘要:
煤矿开采导致乏风瓦斯的大量排出，不仅对环境造成较大影响，而且与我国“双碳”理念相违背。本研究通过一锅水热法制备了一种封装在Silicalite-1分子筛载体中的亚纳米Pd团簇催化剂。通过XRD、BET、SEM、XPS和TEM对催化材料的物相组成、孔结构参数、微观形貌、元素化学态以及活性组分Pd的存在状态进行表征，探讨了活性组分负载量、空速和反应温度对催化性能的影响。研究结果表明：采用一锅水热法成功将Pd团簇封装在Silicalite-1分子筛载体孔道内，制备出高分散度的亚纳米Pd团簇催化剂；随着Pd负载量的增加，催化性能呈现先升高后降低的趋势，这是由于Pd原子间产生团聚效应，导致部分Pd原子被包覆，降低了活性组分与反应物间的接触面积；以Silicalite-1分子筛为载体，可以促进活性位点骨架氧向表面羟基转化，有助于甲烷催化氧化。对比现有甲烷催化氧化工艺，本研究制备的催化剂具有催化活性高、制备方法简单、处理成本低等优点。

隧道爆破振动信号时频谱增强优化分析

付晓强 , 麻岩 , 俞缙 , 戴良玉 , 黄凌君

2023, 8(3): 348-356. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.008

摘要(130) HTML (39) PDF(22)

摘要:
针对隧道爆破振动信号时频解析度不足的难题，运用基于卷积神经网络的时频图像增强算法，增强实测隧道爆破信号时频图像，捕获到爆破信号能量在时频域上的聚集范围，从而重构得到反映爆破特征的真实信号；根据真实信号对爆破网络中雷管的起爆时刻进行了精确判别，识别隧道爆破雷管灾害源特征。分析表明：基于卷积神经网络的时频图像增强算法可有效抑制信号中的交叉项，最大限度地保留信号自有项，提高爆破信号能量聚集性和时频解析度；不同批次雷管混用是隧道安全的主要致灾因素，应加强监管以实现隧道安全高效施工。

TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

刘颖超 , 刘波 , 江玉生 , 江华 , 李烃

2023, 8(3): 357-369. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.009

摘要(161) HTML (177) PDF(46)

摘要:
TBM滚刀磨损是影响TBM掘进效率和施工成本的重要因素，不同刀刃刃形的破岩效率和磨损均会有所不同。本文对楔形弧刃滚刀的破岩机理进行了分析，建立了滚刀法向切削力计算模型，分析了滚刀刀刃角对法向切削力的影响；继而设计了3种不同刀间距、3种不同刃形滚刀，并进行了室内滚刀破岩试验。试验结果表明：刀间距15 mm为合理刀间距；尖刃滚刀最易磨损，齿刃比弧刃滚刀破岩效果好，破岩效率相对较高且耐磨损。结合工程现场实际情况，研发了一种新型齿刃楔形刀具，并应用到工程现场TBM斜井掘进。应用情况表明：新型齿刃楔形刀具比两种常规刀具的磨损量减少20 %，刀具寿命有所提高。新型齿刃楔形刀具的研发和成功应用，解决了斜井TBM掘进刀具的较大磨损和频繁更换问题，为TBM长距离斜井掘进提供了技术支持，缩短了掘进工期，节约了施工成本。

钢纤维掺量对自密实钢管混凝土柱轴压力学性能影响研究

张毅 , 张思博 , 亢鑫超 , 陈麒宇 , 王泽天 , 颜浩 , 高庆礼

2023, 8(3): 370-380. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.010

摘要(145) HTML (43) PDF(23)

摘要:
为提高钢管混凝土柱轴压承载力，在自密实混凝土中掺入钢纤维，研究不同钢纤维掺量对自密实钢管混凝土柱轴压力学性能的影响。通过设计正交试验，研究3组钢纤维掺量对自密实混凝土强度的影响，并为钢管混凝土钢纤维用量提供依据；对钢纤维组、普通组自密实钢管混凝土柱进行轴压试验，研究钢纤维对自密实钢管混凝土柱轴压力学性能影响；基于ABAQUS建立26组不同钢纤维掺量钢管混凝土柱模型，根据现场试验结果验证模型的正确性，分析其中6组钢纤维掺量对其轴压性能的影响，并建立不同钢纤维掺量下钢管混凝土柱轴压承载力计算公式。结果表明，2 % 掺量钢纤维对自密实混凝土强度增长的贡献较为显著，并能提高约4 % 自密实钢管混凝土柱轴压承载力，为最适宜掺量。提出考虑钢纤维掺量对钢管混凝土强度提高的计算式，与试验结果吻合良好。

基于改进HMM纠偏算法的露天矿车辆高精度定位方法

阮顺领 , 李孟 , 顾清华 , 卢才武

2023, 8(3): 381-389. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.011

摘要(103) HTML (22) PDF(14)

摘要:
针对露天矿区复杂路网背景下容易出现车辆定位偏差，严重影响生产车辆路径规划和智能调度的问题，提出了一种基于改进隐马尔可夫模型的露天矿车辆高精度定位纠偏方法。通过对构建的露天矿复杂路网地图进行路段裁剪处理以及对矿车定位轨迹数据清洗、密度稀疏化和分段处理等，建立缓冲区搜索轨迹候选路段点，从而提高复杂路网下矿车定位纠偏效率；通过计算矿车定位观测概率和转移概率建立定位纠偏HMM优化模型，并结合Viterbi算法计算最优纠偏结果，实现对露天矿车的高精度定位纠偏。研究结果表明，该方法纠偏效果优于原始HMM定位纠偏方法，纠偏准确率可达到89.2 %，平均纠偏时间仅需0.055 s，能够实现对复杂背景下露天矿车辆定位坐标的有效纠偏。

尾矿絮体结构的分形特征及其沉降速度研究

刘晓辉 , 阮竹恩 , 朱权洁 , 张立强

2023, 8(3): 390-397. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.012

摘要(112) HTML (38) PDF(24)

摘要:
絮凝沉降广泛存在于尾矿处置的各个工艺环节，实现尾矿絮凝沉降速度的精确测算对于指导尾矿充填及地表堆存等工程问题具有重要的现实意义。本文借助分形理论研究了尾矿絮凝体的结构特征，建立了絮凝体几何尺寸与颗粒粒径、分形维数之间的数学关系，综合分析了浮力效应、回流效应以及黏滞效应对絮凝体沉降的影响作用，最终构建了沉降速度的测算模型。开展尾矿絮凝沉降试验，同时利用聚焦光束反射测量(FBRM)技术对絮凝体几何形态的变化进行观测，并根据实测数据对沉降速度测算模型进行了验证分析。结果显示：絮凝体沉降速度随其等效粒径增大而增大，可划分为加速沉降、匀速沉降、压密沉降3个阶段；试验尾矿絮凝体的粒径为140~350 μm，当分形维数取2.25时，沉降速度为1.3~2.0 mm/s，模型计算值与实测值存在较好的相关性，具有一定的实际应用价值。

煤矿开采损伤数值模拟量化表征与应用

张村 , 任赵鹏 , 兰世勇 , 方尚鑫 , 芦佳乐 , 乔元栋

2023, 8(3): 398-408. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.013

摘要(118) HTML (28) PDF(24)

摘要:
地表岩土层沉陷和生态损伤是采动损伤的主要表现形式，量化表征采动损伤是分析围岩稳定性、设计开采工艺参数和巷道支护参数的前提。本文根据现阶段常用的有限元和离散元模拟方法，提出并定义了损伤度概念，作为表征开采损伤的量化指标，即单元体塑性体积占比和接触断裂长度(个数)占比；利用损伤度量化指标优化了西部矿区高强度开采参数，分析了采动水浸条件下区段煤柱的稳定性和充水断裂构造区域巷道围岩的渐进损伤特征，获得了覆岩损伤度与工作面长度和推进速度的量化关系，可以实现开采参数的合理优化；揭示了区段煤柱采动水浸的渐进损伤特征，认为现有煤柱条件下采空区作为蓄水区域存在渗水危险；量化了充水断裂构造区域巷道围岩损伤分布特征，提出了疏放断层贯通顶板含水层+原有断层裂隙注浆加固+加强支护的解决措施。与导水裂隙带高度、煤柱塑性区发育宽度等常用损伤指标进行对比，损伤度量化指标对于采动损伤表征的敏感度更高，能够实现连续性采动损伤表征。

矸石浆体充填空间特征研究与工程实践

古文哲 , 杨宝贵 , 朱磊 , 赵萌烨

2023, 8(3): 409-418. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.014

摘要(207) HTML (36) PDF(27)

摘要:
煤矸石浆体充填是一项顺应煤炭绿色可持续发展、响应国家环保政策的矸石绿色处置新技术。宏观的破碎空间特征与微观的空隙特征是决定矸石浆体充填效果的关键，为建立浆体充填基础理论体系，采用理论分析、模拟实验与现场工业实验结合的方法，揭示了浆体充填空间覆岩运动规律，探索了破碎空间内可供浆体充填的空隙分布特征，明确矸石浆体-采空空隙的作用关系。研究表明，采动过程中控制岩层是影响浆体充填空间范围的关键，“拱-梁-壳”的空间演化过程分别对应浆体充填空间的自由堆积区、载荷影响区及压实区，直接决定矸石浆体充填效果；采空区内垮落岩体的孔隙率沿倾向、走向及垂向均满足负对数函数关系，据此建立了浆体充填空间空隙分布模型，并确定浆体充填的重点区域；通过开展地面原位注浆充填试验，证明了矸石浆体在采空空间的可充填特性，阐述了矸石浆体-采空空隙的作用过程普遍经历了初始流淌、垂直涌流及水平扩散3个阶段；在黄陵二号煤矿井下针对浆体充填空间自由堆积区与载荷影响区开展了矸石浆体充填工程实践，成功验证了井下矸石浆体充填技术的可行性及理论的正确性，为矸石绿色处置提供了新的依据。

河曲露天矿排土场不同复垦区土壤质量评价

赵洪宝 , 蒋冬梅 , 李岳 , 程辉 , 吴桐

2023, 8(3): 419-427. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.015

摘要(124) HTML (22) PDF(21)

摘要:
露天矿开采效率高、成本低、生产安全、经济效益好，但也使得排土场土壤的结构和理化性质受到了影响，导致土壤养分流失，对土地资源造成一定程度的破坏。以河曲露天矿不同排土场土壤为研究对象，基于非线性隶属度函数方法和改进的内梅罗指数评价法，选取了5项养分指标对其土壤肥力质量水平进行综合评价。研究表明，河曲露天矿不同复垦区土壤肥力质量指数排序为4_下(0.453)>1号(0.447)>2号(0.402)>3号(0.213)>4_上(0.139)，即已复垦区的土壤质量水平要高于未复垦区的土壤质量水平；整体来看，土壤质量水平均处于中等偏下和较差水平，主要限制因子是有机质、碱解氮、有效磷，以及土壤酸碱度。本研究结果可为该地区后续土壤改良、提高土壤肥力及土壤可持续利用提供参考。

转型政策对矿业资源型城市韧性的影响

范中启 , 刘启源

2023, 8(3): 428-438. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.016

摘要(168) HTML (86) PDF(21)

摘要:
资源型城市由于产业结构单一、生态环境恶化、社会风险突出等问题，韧性普遍不足。在全面推进高质量发展的战略背景下，客观评价转型政策对资源型城市韧性的影响，对降低城市风险、补齐政策短板意义重大。基于2006—2020年278个地级市的面板数据，采用PSM-DID方法构建双向面板固定效应模型，考察《全国资源型城市可持续发展规划(2013—2020年)》在推进资源型城市转型中对城市韧性的影响，并进行实证分析。研究发现：《规划》对改善城市韧性具有显著促进作用，但存在政策滞后性；机制分析表明，《规划》主要通过优化产业结构和改善住房条件促进城市韧性水平提高；异质性分析表明，不同类型资源型城市的政策效果存在明显差异，其中衰退型资源型城市韧性的改善效果最为显著。

留言板

2023年第8卷第3期

留言板

2023年 第8卷 第3期

2023年第8卷第3期