转炉钒渣综合利用研究进展

转炉钒渣是一种含钒、钛、铬的多金属矿产资源,可利用价值非常高。本文综述了钒渣传统提钒工艺和新工艺的原理、工艺流程和工艺特点,并展望了钒渣综合利用的发展方向。传统钒渣提钒工艺为钠化焙烧-水浸工艺和钙化焙烧-酸浸工艺,后续陆续开发了无盐焙烧-酸浸工艺、镁盐焙烧-酸浸工艺、锰盐焙烧-酸浸工艺等改进工艺。这些传统工艺的特点为:钒渣先经过高温氧化焙烧后,再通过水浸或酸浸提钒。亚熔盐法和硫酸氧压浸出法等新工艺的特点则是钒渣无需氧化焙烧,在一定的氧气压力作用下直接通过酸浸或碱浸提钒。通过构建合理高效的酸浸或碱浸冶金物理化学新体系,采用湿法浸出工艺直接提取钒渣中的钒、钛和铬并综合回收铁、锰等有价元素,将是钒渣综合利用的发展方向。

煤岩破裂过程中应力对红外辐射的控制效应试验

煤岩破裂是引发突水与煤柱失稳等矿山灾害的根本原因,准确有效地对煤岩受力破裂过程(裂隙发育过程)进行监测预警,是实现矿山保水开采和岩层控制的重要基础。煤岩在受力破裂过程中,伴随着应力调整会发生红外辐射变化,为探索应力变化与红外辐射变化之间的量化关系,提出煤样表面红外辐射方差突变系数新指标,进行煤单轴加载红外辐射观测实验研究。研究结果表明,应力对单轴加载煤样的红外辐射普遍具有控制效应,50 mm×50 mm×50 mm煤样表现出控制效应的比例约为93%;50 mm×50 mm×100 mm煤样表现出控制效应的比例约为85%。在红外辐射试验中,煤样表面红外辐射方差突变系数平均达到煤样应力调整系数的2个数量级,可运用此特征对承载煤岩体裂隙发育及破裂状况进行红外实时监测。同时,应力对红外射的控制效应具有时间滞后性,50 mm×50 mm×50 mm煤样的红外辐射方差突变平均滞后其应力调整时刻约2.7 s,50 mm×50 mm×100 mm煤样的红外辐射方差突变平均滞后其应力调整时刻约2.9 s。

生物转化L-脯氨酸生成反式-4-羟基-L-脯氨酸的定量分析方法

以芴甲氧羰酰氯（FMOC-Cl）为柱前衍生剂，四硼酸钠为缓冲溶液，建立了一种柱前衍生反相高效液相色谱（RP-HPLC）测定微生物转化L-脯氨酸生成反式-4-羟基-L-脯氨酸的定量分析方法。优化了衍生反应条件，当衍生反应体系中水和乙腈的比例为66∶34，pH值为9.9时衍生效果最佳。采用Agilent Extend C-18柱进行分离，以0.1%三氟乙酸水溶液和乙腈作为流动相，梯度洗脱，检测波长263 nm。L-脯氨酸和反式-4-羟基-L-脯氨酸均在0.01~500 mg/mL范围内线性关系良好，相关系数均大于0.999，检出限为5.00~7.00 ng/L，不同浓度下的平均回收率分别为98.9%~102%和97.9%~100%。该方法重现性好，精密度高，为定量分析微生物发酵液中的L-脯氨酸和反式-4-羟基-L-脯氨酸提供了有效方法。

“采充并行”式保水采煤方法

针对目前充填保水采煤方法存在的充填时间和充填空间不足,采煤与充填作业协调困难等问题,提出"采充并行"式充填保水采煤方法。在开采过程中,首先将整个开采块段内的所有采场支巷划分为多个开采阶段,每当开采并充填完一个阶段内的所有采场支巷后,再进行下一阶段采场支巷的开采和充填,直至开采和充填完所有采场支巷,最终实现充填体与煤炭的完全置换。为有效控制覆岩移动,每个采场支巷开采完毕后就立即对其进行充填。为确保正在开采的采场支巷两帮是实体煤或已达到设计强度的充填体,在阶段内对采场支巷进行间隔开采。研究成果应用于王台铺煤矿,在块段内煤炭资源采出率达96.8%的条件下,实现了浅表水资源的保护,地表变形量也小于建筑物Ⅰ级损坏等级指标。该方法采用一采一充一备的"采充并行"式充填开采模式,充分发挥快速连采和充填采煤的优点,可实现保水采煤。

近距煤层高效保水开采理论与方法

地下煤炭资源开采极易导致珍贵的浅表水资源流失,从而造成地表植被死亡和生态系统失衡。为保护维系西部矿区生态环境的浅表层水(河流湖泊水和第四系砂层潜水),尤其是为保护地下潜水(生态)水位,基于前期已取得的浅埋单一煤层保水开采理论成果和岩层控制工程经验,提出保(生态)水位和突水防治一体化的近距煤层水资源保护性采煤构想。以"高效保水采煤"为目标,针对近距煤层与极近距浅表水下开采条件,研究解决反复开采扰动区区域覆岩导水裂隙协同控制、极薄阻隔层低损伤控制,以及采掘面涌(突)水灾害监测预警等技术难题。提出长壁保水采煤方法、壁式连采连充保水采煤方法和采掘面突水红外监测辐射预警方法,实现近距煤层安全高效保水采煤,具体包括近距煤层岩层控制、采动覆岩导水裂隙带高度计算、隔水层变形计算和承载煤岩红外辐射响应等理论和特征,以及反复开采扰动区域导水裂隙控制、充填体主动接顶和"采-支-运"快速作业等技术。最终确定了保水开采薄弱区,形成基于水资源保护的浅埋近距煤层工作面优化布置、采煤方法配置与水资源运移监测的高效采煤理论与方法体系。研究成果已在陕北与华北等矿区进行了保水采煤实践,为实现我国煤炭资源的绿色化开采提供支撑。

“充填体-煤柱”复合结构势能突变破坏机理

为研究巷式充填开采“充填体-煤柱”复合结构稳定性,分析了复合结构承载特征,建立了复合结构充填体承载部分与煤柱承载部分势能函数表达式;运用突变理论,分析了势能发生燕尾型突变的临界条件,给出了以塑性区宽度为主要指标的复合结构破坏失稳判别公式,研究了采场巷道宽度、煤层埋深以及开采阶段数等开采参数对复合结构稳定性的影响;采用数值计算的方法,结合王台铺煤矿工程案例,分析了复合结构垂直应力分布特征、塑性区宽度等承载参数,验证了复合结构破坏失稳判别公式的准确性。

孤岛综放工作面回采巷道围岩控制技术研究

基于伯方煤矿3205孤岛综放工作面工程地质条件,研究了孤岛工作面覆岩应力以及位移分布特征,提出回采巷道加强支护方案。孤岛工作面上方的岩层中垂直应力峰值是原始(垂直)地应力的2倍以上,在孤岛工作面推进过程中,回采巷道超前支承压力峰值是常规工作面的1.2~1.7倍,加剧了巷道支护难度。采用极限平衡理论,提出加强支护方案,使孤岛工作面回采巷道顶板平均变形量减少约65%,巷道两帮平均变形量减少约60%,有效控制了巷道围岩变形。

纳米金增强SPR铅离子检测器构建

为满足采用简便方法检测痕量铅离子(Pb2+)的需求,构建了新型的超灵敏、高特异性表面等离子体共振(SPR)生物传感器,用于水中Pb2+检测.以硫醇化GR-5脱氧核酶(DNAzyme)为Pb2+特异性识别探针,并自组装到芯片金膜表面,底物官能化的纳米金(S-AuNPs)用于信号增强,并与DNAzyme杂交形成传感薄膜.AuNPs不仅增加了质量变化,其局部表面等离子体共振(LSPR)与芯片表面传播SPR的耦合作用也可产生信号放大的效果.在Pb2+离子存在下,DNAzyme催化底物裂解,导致AuNPs的去除并引起SPR信号显著变化.通过X射线光电子能谱和扫描电镜对芯片表面的表征分析验证了传感薄膜构建过程和检测原理.Pb2+检测实验结果表明,1μmol/L DNAzyme修饰的传感器检测效果最好,检测限为80pmol/L,并在100nmol/L范围内与Pb2+浓度的对数呈线性关系(R 2=0.992).该传感器对10倍浓度的其他金属离子无明显响应,说明其具有良好的Pb2+特异性;检测自来水和地下水中Pb2+的结果与ICP-MS方法有良好的一致性.研究建立的Pb2+检测方法具有高灵敏度和特异性,且操作简便,具有现场检测的应用前景.

煤单轴压缩加载试验中的红外辐射噪声特征与去噪方法

针对煤岩加载过程中其表面平均红外辐射温度(AIRT)信息离散与特征不明显的难题,分析了煤单轴压缩加载试验中AIRT噪声特征,阐述了进行AIRT去噪的必要性,提出了带参照试样的AIRT去噪方法。在煤单轴压缩红外辐射试验过程中,传统的去噪试验操作方法不能去除或有效降低噪声,外界环境(包括空气流动、环境温度变化等)和仪器产生的AIRT噪声,足以掩盖加载(应力)造成的红外辐射变化量(ΔAIRT)。参照试样去噪方法的关键是在试验观测系统中,添加一块参照试样(煤样),以参照煤样的ΔAIRT作为基准,对单轴压缩加载煤样的ΔAIRT进行去噪。研究结果表明,参照试样去噪方法可以有效去噪,并以去噪后的煤样表面平均红外辐射温度变化量(ΔAIRT')为指标,分析了真实的煤单轴压缩加载破裂过程中的红外辐射变化特征。

纳米羟基磷灰石对镉的吸附解吸及对镉污染土壤修复研究

镉是我国土壤的首位污染元素,镉钝化修复技术是解决当前我国耕地面积减少、镉污染面广问题的有效手段。通过吸附解吸及盆栽试验,研究了纳米羟基磷灰石(nHAP)对镉的固定行为及油菜吸收的影响。结果表明:nHAP对镉的吸附符合二级动力学模型,且促进土壤对Cd^(2+)的吸附,在pH为5.6和7的解吸溶液下,Cd^(2+)的解吸率分别为3.3%和0.3%。同时,nHAP施加可改善土壤性质,促进植物生长。油菜收获后,施加0.2%、0.5%、1%的nHAP处理,油菜株高分别比对照组增加85.5%、99.1%和76.8%,土壤过氧化氢酶活性可分别提高0.86,1.19,1.54倍。添加1%nHAP土壤的pH值提高13.1%,有利于土壤镉向稳定态转换,降低了镉的生物毒性,表明nHAP对镉具有较好的稳定性,在促进植物生长、改善土壤生物质量、降低镉植物毒害方面有较好的应用前景。

壁式连采连充保水采煤技术及实践

针对极薄阻隔层条件下保水采煤难题,提出一种壁式布置、负压通风和全采充填的连采连充保水采煤技术。该技术将壁式体系采煤法和房式连续快速采煤法相融合,建立了“多支巷布置、采充并行”的开采模式,将充填材料密实充入始终受到保护的采场支巷约束空间内,在能满足保护浅表生态水资源或维持含水层稳定性的同时,高效采出极薄阻隔层条件下的煤炭资源。开采块段按正常壁式采煤工作面布置回采巷道,设置2个及以上安全出口,并形成负压通风系统。按照旺格维利式布置采场支巷,对采场支巷进行多阶段间隔开采,块段内始终保持一条或多条采场支巷采煤与充填同时作业的高效开采模式,直至开采并充填完毕所有采场支巷。为了提高采煤效率,研发了高强度、大排距和低成本的大断面采场支巷快速支护技术,研制了以工业固体废渣为基础的多元化高水膨胀充填材料,发明了内置排气管的受约束空间内充填材料主动密实接顶技术,并结合快速采煤与连续运输技术,形成了“采装运支充”一体化高效采煤工艺及作业线。建立了基于壁式连采连充的覆岩变形结构力学模型,得出了包括隔水层在内的采场上覆各岩层变形计算公式,确定了能够保证安全开采的采场支巷最大空巷数目、最大滞后充填距离等关键开采参数。研究成果在煤矿现场进行了工业性试验,实现了极薄阻隔层条件下水资源保护性采煤。