基于形态学开运算的浸矿体系孔隙结构及其演化特征

立足堆浸体系的偏析分层复杂结构,结合X-ray CT无损探测、形态学开运算处理、MATLAB和OsiriX可视化软件等手段,引入颗粒间孔隙的当量孔隙尺寸、面积、数量等关键表征参量,如从二维量化和三维可视化层面揭示浸矿体系中颗粒间孔隙结构特征及其演化规律.研究发现,细颗粒夹层呈“包裹体”状且均位于粗矿石颗粒的内部,分析认为其是造成堆浸体系颗粒偏析和分层的重要致因;浸矿作用下微细颗粒迁移导致矿堆内部发生沉积压实作用,由197 mm降至180 mm以下;浸矿21 d后,矿堆上部孔隙呈增大趋势,下部孔隙率呈减小趋势,此外,纵向当量孔隙的直径由2.81 mm减小至2.18 mm,其变化趋势和程度要显著大于横向颗粒间孔隙的当量直径;对比浸矿0 d和21 d的柱浸体系三维颗粒间孔隙结构,证实了细颗粒夹层所处区域的粘结聚集以及细颗粒夹层周边区域形成溶液绕流、溶液优势流动路径.

引发全尾砂料浆触变特征的临界粒径研究

细粒径尾砂颗粒絮凝−分解是充填料浆产生触变性的根本原因,然而目前对引发充填料浆触变性的临界粒径研究极少。通过对不同粒径尾砂制备的充填料浆开展触变试验与微观结构的演化测试,结合Patwardhan提出的非牛顿流体理论分析尾砂颗粒间相互作用力,推导引发全尾砂料浆触变性能临界粒径的理论值,最终建立了充填料浆触变性模型。结果表明:充填料浆触变性能与剪切速率、质量分数、尾砂细颗粒含量呈正相关,通过理论推导得出引发充填料浆触变性能的临界值为45μm。由此可以认为,当充填料浆中含有粒径<45μm颗粒,且质量分数≥6%时,充填浆料则具有触变效应;反之,充填浆料则不具备触变性。基于实验结果采用Hattori−Lzumi理论构建触变性模型,并结合流变测试结果拟合得到了充填料浆触变性系数。

含粗骨料尾砂膏体长距离管输流变特性及阻力预测

为探明质量浓度、粗骨料含量、灰砂质量比和水化时间对膏体长距离管输流变特性的影响,本文基于正交设计开展流变实验,采用回归分析建立流变参数预测模型,在此基础上通过理论推导建立管道阻力预测模型,采用现场实测数据验证阻力预测结果的可靠性。结果表明:含粗骨料尾砂膏体属于宾汉流体,质量浓度和粗骨料含量对膏体流变参数的影响最显著;屈服应力随质量浓度的增大呈指数增长,随粗骨料含量的增加呈指数减小,随水化时间的增加呈线性增长,与灰砂质量比的关系不大;塑性粘度随质量浓度的增大呈指数增长,随粗骨料含量的增加呈线性减小,随灰砂质量比和水化时间的增加呈线性增长;建立的流变参数预测模型平均误差小于4.3%,基于宾汉流变模型建立的管道阻力模型预测值比现场实测值偏大12.5%,满足工程应用的精度要求。

充填料浆中气泡作用机理及其流变特性演变规律

充填料浆是由固-液-气三相组成的悬浮体,长期以来有关充填料浆研究重点多是固-液两相的流变特性,而气相因素对于具有复杂流变特性的料浆影响却鲜有报道。气相成分可以显著降低充填浆体的屈服应力、黏度,对于改善管道输送性能、降低管道磨损等方面具有显著优越性。首先,通过控制引气剂(TTAB)掺量调节料浆含气量,并测定充填料浆表面张力、空气体积分数、流变性能等参数,探寻料浆中气泡对其流变性能的影响规律。其次,引入毛细管力(F_(cay))、无量纲屈服应力(τ_(ref)/τy)气泡演变模型来分析料浆内气泡演变特征,以期探明气泡对料浆流变特性的作用机理。结果表明,当充填料浆含气量较低时(<12.5%),气相因素对悬浮体料浆流变特性影响甚微,而伴随含气量增加气泡对充填料浆流变特性的影响愈发显著。引气剂作用下气泡表面对料浆内细颗粒体产生斥力,降低了水泥、固废(尾砂)等细颗粒的吸附力,导致料浆屈服应力表现为递减趋势,其流动性呈现增强趋势。基于毛细管力(F_(cay))与无量纲屈服应力(τ_(ref)/τ_(y))理论分析了充填料浆不同含气量下流变特性演变机制,当含气量增加(12.5%~27.7%),料浆的表面张力、屈服应力降低,气泡挤压变形;高含气量下(接近28.6%),料浆内气泡极易破裂。另外,气泡滞留充填体内部导致强度劣化,为此就气泡对充填体力学性能影响及其解决措施开展了探索,并提出了3点有效措施。通过揭示气泡对于充填料浆流变特性影响与其演变特征规律,为高泡充填减阻减磨技术发展提供理论支撑。

堆浸体系内微细颗粒在孔隙内迁移和附着规律

在堆浸过程中,堆浸体系内游离的颗粒会随着溶液的流动而移动,从而对浸出的速度和效率产生影响.对于粒径较小的微细颗粒,虽然难以对矿石颗粒间孔隙产生堵塞,但其在孔隙壁表面的大量附着也会影响溶液对矿石的内渗从而降低浸出效率.本文基于真实的孔隙结构使用Fluent软件开展仿真模拟实验,从粒径、颗粒密度和流体流速三个方面探究它们对微细颗粒在孔隙内迁移和附着行为的影响.模拟结果表明,当颗粒粒径为1×10^(-6) m时几乎没有颗粒会沉积附着在孔隙内.而随着粒径的增大,在1×10^(-6)~1×10^(-4) m的粒径范围内,附着在孔隙壁表面的颗粒数量会呈现先增多后减少的趋势,且对于不同密度的颗粒,其附着数量在峰值处的占比均超过了90%.观察发现颗粒的主要附着部位为弯孔隙的外壁以及流速较小、坡度较缓的小孔隙内.分析认为粒径和密度越大的颗粒,其重力和惯性对其运动轨迹的影响越大,而流体对其轨迹运动的影响越小,在迁移过程中更容易靠近孔隙壁从而导致颗粒附着.且大粒径、大密度的颗粒主要在大孔隙内迁移,轨迹较为集中.而小粒径、低密度的颗粒,在高流速流体内迁移时,其水平运动幅度更大,迁移轨迹分布更加分散,更容易进入小孔隙内迁移.

超大型深井铁矿高效绿色开采技术与智能装备研究现状与展望

我国铁矿资源矿床普遍具有厚度大、品位低的特点,这使得传统的开采方式难以经济有效地满足市场需求.为了在激烈的市场竞争中占据优势,同时遵循环保和低碳发展的要求,必须采用千万吨级的大规模、低成本、环保低碳开采模式.这种开采模式不仅能显著降低单位矿石的开采成本,还能最大程度地减少对环境的影响,降低碳排放,实现资源的可持续开发与利用.为此,本文围绕超大型深井矿山高效绿色开采的采矿新模式、安全新技术、绿色新要求、智能新趋势,旨在攻克“深部厚大矿体超大规模连续开采原理与方法、高应力岩体强循环扰动灾变机理及力学行为、深热矿井多风机自适应智能节能通风机制”3项关键问题,研究形成“深部倾斜厚大矿体盘区化时空协同连续开采技术、大规模采动力学环境高效感知装置与灾害防控技术、尾砂膏体大流量连续稳态制备与输送技术、深热矿井多级动态智能通风及热害直冷防治技术、盘区回采作业链设备群智能决策与协同作业管控技术”5项关键技术,实现厚大矿体大参数高效连续开采、大规模开采的工程岩体力学与动力灾害防治、采选固废高效充填利用、智能节能通风与热害防治、盘区智能化回采作业链高效协同等方面的理论、技术、方法和装备创新,创建千米以深千万吨级金属矿绿色智能开采新理论、新技术和新装备并建立示范矿山,形成可推广应用的超大型深井矿山高效绿色开采技术体系,以期全面提升我国深部战略矿产资源的大规模绿色开发能力,为深部矿产资源大规模绿色开发提供理论基础与技术支撑.

全尾砂-废石膏体流变特性及阻力演化

为了研究全尾砂-废石膏体的管道输送特性,采用流变仪测试了不同尾砂-废石质量比(尾废比)及固体质量分数条件下膏体的流变特性,构建了综合考虑密实度、灰砂比及体积分数的输送阻力方程.将该方程代入Comsol软件中进行模拟计算并与环管实测结果进行对比验证,数值模型所测误差均在7%以内,说明该模型用于计算全尾砂-废石膏体的阻力特性是合理的,还模拟了不同浓度、尾废比及初始速度条件下管道输送阻力的变化特征.实验结果表明:塑性黏度和屈服应力随着粗骨料膏体固体质量分数和尾废比的增加而增大;由于颗粒间的摩擦效应导致阻力损失随尾废比的增加呈先增大后减小的趋势,阻力损失在尾废比5∶5处取得最小值;固体质量分数增大导致水含量的降低,使粗骨料浆体难以流动,从而导致阻力损失快速增长;初始流速增加,颗粒运动变得不稳定,摩擦加剧,并于“拐点”—2.2 m·s^(-1)处阻力损失的增长率大大提高.研究成果对于粗骨料膏体管输系统的设计具有一定借鉴意义.

玻璃纤维增强含硫尾砂胶结充填体的力学及流动性能研究

针对含硫尾砂胶结充填体的力学性能劣化特性,通过一系列室内试验对含硫尾砂胶结充填体的力学及流动性能进行了详细研究,并提出通过添加纤维改善含硫尾砂胶结充填体的力学性能。结果表明:料浆流动度随着硫含量的增加基本遵循二次函数递增规律;料浆流动度随着纤维含量的增加呈指数函数递减规律,但纤维长度的改变不会对料浆的流动度产生显著的影响;含硫尾砂胶结充填体的抗压、抗拉强度均随着纤维含量的增加呈先增大后减小的趋势,并都在纤维含量为0.6%时达到最大值;此外,纤维长度的增加也有利于提高含硫尾砂胶结充填体的抗压、抗拉强度,且纤维对抗拉强度的改善效果明显优于对抗压强度的改善效果;添加玻璃纤维不仅能够显著提高充填体的抗压强度,而且能够抑制充填体的强度劣化;微观结构测试表明纤维能够有效阻止孔隙和裂隙的产生和扩展,从而达到提高充填体力学性能及抑制充填体后期强度劣化的效果。

“新工科”视域下一流本科专业建设的导师制推动研究

党的二十大报告提出要全面提高人才自主培养质量,加快建设高质量教育体系,开启了中国教育发展的新阶段。以新工科建设为契机,北京科技大学开启了工程人才培养模式改革的新时代。本科生全程导师制坚持立德树人,以全程化的教育引领进程为纲,构建立体化的人才培养结构。这既是以学生为中心的深化本科人才改革的有力举措,也是高水平师资培育一流本科学生的重要探索和实践。文章通过梳理本科生全程导师制的内涵及育人成果与新工科背景下一流本科专业建设的关系,并基于用户满意理论的对其实际开展的情况进行了评价和分析,指出今后应在加强师资队伍建设、新工科人才培养、高校师生关系研究和完善配套制度方面持续改进。

非饱和矿堆溶液渗流迟滞与毛细扩散行为表征

为深入理解非饱和矿堆内溶浸液毛细渗流扩散以及渗流迟滞行为,本文构建适于非饱和矿堆的毛细渗流模型,利用COMSOL multiphysics有限元数值平台开展毛细渗流可视化模拟研究,并利用时域反射器(Time domain reflector,TDR)实时探测了非饱和堆内持液率变化,探索了基于Design Expert的毛细渗流过程多因素响应规律,讨论了非饱和矿堆持液率、毛细吸力、孔隙率与喷淋强度间的潜在关联机制.研究结果表明:孔隙率对矿堆持液率的影响高于喷淋强度,矿堆持液率随喷淋时间的增长收敛性增加,且孔隙率小的矿堆需要更长的时间才能达到稳态持液;不考虑溶液喷淋强度影响时,矿堆持液率与孔隙比、水力传导系数呈正相关;特别是在喷淋初期(0~20 s),喷淋强度、水力传导系数和孔隙比对矿堆持液率的影响更为显著;初步构建了考虑气液两相运移的非饱和矿堆溶液毛细渗流模型;毛细吸力的变化对孔隙率较小的矿堆更敏感;喷淋强度较大、孔隙比越小时,矿堆底部的毛细吸力越大,更易达到稳态持液状态.

基于PVM技术的充填膏体搅拌过程细观结构演化

膏体性能是体系内部不同颗粒、组分之间协同作用的结果,探明充填料浆在搅拌作用下细观结构形态的演化过程,对完善膏体搅拌理论、改善膏体充填性能、实现矿山降本增效具有重要意义。采用激光颗粒显微成像(PVM)技术获取膏体料浆在不同搅拌时刻的细观结构图像,经二值化处理后应用Avizo软件得到料浆中团聚体的等效直径(d),来表征膏体细观结构特征,并基于Blake-Kozeny方程及Hattori-Izumi理论构建d-t关系模型,最后将所得实验值和理论值进行对比分析。研究结果表明:膏体搅拌制备过程分为浸湿黏结和剪切分散2个阶段,在搅拌作用下料浆细观结构的等效直径先增大后降低,最终趋于稳定。在浸湿黏结阶段,颗粒与液体之间形成类似“核-壳”结构,并在液桥力的作用下不断吸附周围的颗粒,随着被吸附的颗粒越来越多,“核-壳”结构尺寸渐渐增大(d与时间t的0.5次方成正比),并在35 s左右达到峰值;在剪切分散阶段,“核-壳”结构的体积分数达到临界状态无法吸附更多颗粒,团聚体在剪切力的作用下发生破裂,细观结构的等效直径不断变小(d与t成反比),并于300 s后趋于稳定,物料转变为均质“膏体”状态。基于等效直径的细观结构演化模型量化了充填料制备过程,促进了固废充填技术的完善。

添加细菌对充填材料性能的影响

为研究细菌来源、细菌溶液体积分数以及黏结剂质量分数对充填材料性能的影响,采用正交设计实验方法,开展充填材料制备实验,考察实验过程中抗压强度、持水量、体积收缩率等参数的变化,分析细菌来源、细菌溶液体积分数以及黏结剂质量分数对充填材料性能的影响规律;对选定的黏结剂进行细菌接种实验,研究黏结剂对细菌群落的影响。研究结果表明:黏结剂对细菌群落无明显影响;各因素对充填材料性能的影响程度按由大到小顺序排列依次为黏结剂质量分数、细菌溶液体积分数和细菌来源;当细菌溶液体积分数为100%、黏结剂质量分数为30%、细菌来源为A时,充填材料的体积收缩率、塌落度以及抗压强度分别为4.09%,18.94 cm以及5.19 MPa,在此条件下,充填材料性能最佳;添加细菌溶液可使Fe2+快速转化为Fe3+,Fe3+浓度增大,促进Fe3+水解形成沉淀物质,减少充填材料内部裂纹数量,提高充填材料性能。

矮壮素对草莓穴盘扦插苗及定植后的影响

为明确矮壮素对草莓穴盘扦插苗及定植后的影响,为矮壮素科学利用提供依据。分别用100、200、300、400、500、600 mg/L矮壮素并以清水作对照(CK),喷施草莓苗叶片,测定不同处理草莓苗植株性状及定植后物候期、果实品质(单果重、硬度、可溶性固形物含量)和产量(前期、中期、后期)。随着矮壮素浓度的增加,草莓花芽分化率逐渐降低,草莓苗株高不断下降,根茎粗、地上部鲜重、地下部鲜重呈先升高后降低的趋势,根冠比极显著高于CK。定植后,随着矮壮素浓度的增加,草莓物候期不断推迟,果实品质及产量呈先升高后降低的趋势。结果表明,苗期喷施适当浓度的矮壮素,可促进草莓苗植株的生长,推迟定植后草莓的物候期,改善品质并提高产量。综合分析认为200 mg/L矮壮素处理效果最好。

堆浸过程中溶质运移机制及影响因素

针对堆浸溶质运移过程的复杂性和多变性,以揭示溶质运移规律为目的,首先通过对其运移机制进行探讨,并基于矿堆理想渗流假设给出溶质运移均匀流模型,同时考虑矿堆内可流动溶液和不可流动溶液区的作用及其相互影响,建立溶质迁移流动-不流动模型。采用标记物穿透曲线法,进行溶质运移室内管柱实验,主要研究矿石粒径和喷淋强度对溶质运移规律的影响。研究结果表明;大粒径矿样的孔隙直径和孔隙率均比较大,可流动溶液在大孔隙的传导作用而快速流出,因此,溶质初期浓度升高相对较快;而小粒径矿石比表面积大,不可流动溶液比率大,溶质须通过分子扩散运移进入不可流动溶液区,因此,其浓度上升速度较缓;矿堆内不流动溶液是影响溶质运移规律的主要因素,因此,可通过控制矿石颗粒级配和喷淋强度以优化溶质运移过程。

矿柱稳定性影响因素敏感性正交极差分析

基于正交极差分析方法对矿柱稳定性影响因素敏感性进行了评价。在分析矿柱荷载、强度、失稳势函数、破坏形式的基础上,总结了影响矿柱稳定性的主要因素;针对矩形矿柱8个主要影响因素:采深、矿房宽度、矿柱宽度、矿柱高度、矿体的单轴抗压强度、上覆岩层的容重、矿柱长度、矿柱长度方向的间距,建立了计算矩形矿柱安全系数的简化公式。以江西某钨矿为例,采用正交极差分析理论,得到该矿矿柱稳定性影响因素的主次顺序为:矿房宽度>矿柱宽度>采深>矿柱高度>矿体的单轴抗压强度>上覆岩层容重,即矿房宽度、矿柱宽度对矿柱稳定性的影响最为显著,并得到了矿房宽度、矿柱宽度与矿柱安全系数间的关系曲线,对采场结构参数进行了优化,矿房宽度值小于21.03 m,矿柱宽度值大于3.718 m。

不同粗骨料对膏体凝结性能的影响及配比优化

甘肃金川铜镍矿似膏体充填料浆水化凝结时间迟缓、粗骨料离析程度大,严重影响充填浆体的质量.本文以金川二矿区全尾砂、废石和棒磨砂为实验材料,采用全面实验设计法,研究不同质量分数、粗骨料及尾骨比(全尾砂与粗骨料质量比)对膏体充填凝结性能、抗压强度和流变特性的影响规律.实验结果表明:全尾砂–粗骨料膏体中,粗骨料的比表面积和化学成分(活性MgO和CaO)是影响凝结时间的主要因素;凝结时间随尾骨比增加而缩短,屈服应力随尾骨比增加而增加,塑性黏度(全尾砂–废石、全尾砂–棒磨砂膏体)随尾骨比增加而增加;全尾砂–废石膏体抗压强度优于全尾砂–废石–棒磨砂膏体抗压强度;最短凝结时间及最佳抗压强度(全尾砂–废石膏体、尾骨比5∶5)比矿用凝结时间和抗压强度分别缩短2.1 h和增加33%以上.最后对凝结性能进行单目标及多目标回归优化,多目标回归优化表明:全尾砂–废石–棒磨砂膏体最佳凝结时间为270~300 min、尾骨比10∶6∶6~10∶7∶7、屈服应力为167.0~169.0 Pa;全尾砂–棒磨砂膏体最佳凝结时间为300~330 min、尾骨比10∶14~10∶16、屈服应力为164.0~167.0 Pa,满足矿山生产要求.

基于RSM的胶结充填体强度回归及料浆寻优研究

为了提升充填料浆性价比,针对多种骨料混合充填类矿山开展料浆优化配比研究。首先,根据骨料物化性质,采用Talbol理论分析碎石-棒磨砂的最大堆积密实度并确定碎石与棒磨砂这2种材料的最优配比范围;然后,根据响应面法(RSM)提供的中心复合试验方案进行17组配比试验,构建强度为响应值的回归模型,揭示料浆质量分数、碎棒比(碎石与棒磨砂的质量比)和胶砂比(水泥和骨料的质量比)单一或交互作用对充填体强度的影响机制。最后,采用目标规划法对充填料浆配合比寻优。研究结果表明:强度对单一因素的响应极敏感,对因素交互的响应具有显著性;在因素交互下,早期强度对料浆质量分数和胶砂比交互作用敏感,中期强度受碎棒比和胶砂比的交互作用影响大,料浆质量分数和碎棒比的交互作用对后期强度影响显著;考虑性价比的料浆最优配合比是料浆质量分数为77%,碎棒比为2.33,胶砂比为1:5,该配合比满足金川二矿区输送与充填强度设计标准。

Effect of ore size and heap porosity on capillary process inside leaching heap

The capillary process coexists with gravity flow within leaching heap due to the dual-porosity structure. Capillary rise is responsible for the mineral dissolution in fine particle zones and interior coarse rock. The effect of particle size and heap porosity on the capillary process was investigated through a series of column tests. Macropore of the ore heap was identified, and its capillary rise theory analysis was put forward. Two groups of ore particles, mono-size and non-uniform, were selected for the capillary rise test. The result shows that particle size has an inverse effect on the capillary ultimate height, and smaller particles exhibit higher capillary rise. Meanwhile, the poorly graded group exhibits small rise height and velocity, while the capillary rise in the well-graded particles is much greater. The relationship between porosity and fitting parameters of capillary rise was obtained. Low porosity and high surface tension lead to higher capillary height of the fine gradation. Moisture content increases with the capillary rise level going up, the relationship between capillary height and moisture content was obtained.

不同堆体结构下矿岩散体内溶液渗流规律

通过设置分层筑堆方式,再现真实堆内复杂的分层结构,并结合CT技术与COMSOL Multiphysics模拟软件实现对堆内溶液流动轨迹、渗流速度场等细观研究。探究粗-细颗粒层或细-粗颗粒层交界面处流线的近水平方向的滑移现象,证实并讨论堆内层间流。研究结果表明:由于矿石粒径、相邻矿石的位置关系等因素影响,堆内不同位置的溶液流动轨迹、渗流速度场各不相同,溶液流经孔喉处时流速出现骤增,孔喉中心处取得最大值;偏析矿堆内溶液优先流的存在形式主要有2种:大孔道流与层间流,二者是导致堆内溶液不均匀分布的重要诱因。

不同孔隙结构下风化壳淋积型稀土的渗透特性

风化壳淋积型稀土开采过程中,颗粒级配一直是影响矿体渗透性和浸矿效果的关键因素。为探究不同颗粒级配条件下风化壳淋积型稀土渗透特性规律,选取6组不同配比的稀土矿样,通过自制的变水头渗透装置开展室内实验,有效模拟整个浸矿过程中矿体的孔隙结构,分析不同粒径配比下矿样的渗透特性与浸矿效果。结果表明:不同颗粒级配的稀土矿对应着不同的渗透效果,基于试验数据得到孔隙率与渗透系数呈"类指数"的变化,参照拟合结果得到修订的渗透系数模型,并将修订模型进行了推广。机制分析认为:孔隙比较小时稀土矿颗粒的结合水膜占据了有效孔隙,对溶浸液流动具有极大的黏滞性。随着孔隙比的增大,结合水膜效应逐渐弱化,渗流效果显著增强。