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期刊信息/Journal information
工程科学学报
北京科技大学
工程科学学报

北京科技大学

徐金梧

月刊

2095-9389

xuebaozr@ustb.edu.cn

010-62332875

100083

北京海淀区学院路30号

工程科学学报/Journal Chinese Journal of EngineeringCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊是由教育部主管、北京科技大学主办的学术类科技期刊。国内外公开发行，主要刊载矿业与环境工程、冶金工程、材料科学与工程、机械工程等与冶金工业相关的学科领域的最新研究成果，为中文核心期刊（冶金工业类）及中国科技论文统计源期刊。目前，已经被EI、CA、MA、《剑桥科学文摘社网站》、俄罗斯《文摘杂志》、德国《数学文摘》等国内外著名检索刊物或数据库列为收录源期刊，先后荣获首届国家期刊奖、中国期刊方阵“双高期刊”、第二、三届国家期刊奖百种重点期刊等多项大奖。
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    磷石膏充填技术研究进展

    陈秋松吴爱祥
    195-214页
    查看更多>>摘要：磷石膏充填是大宗固废处置和磷矿安全高效开采的重要途径，响应国家生态文明建设发展战略、符合绿色矿山可持续发展要求，应用前景广阔。本文系统分析了磷石膏材料性能与充填制备工艺、充填性能、充填污染风险与控制的研究成果，主要包括:(1)概述了磷石膏充填研究现状，介绍了相关研究成果产出及政策动态;(2)整理了国内外不同地区磷石膏化学成分、物理性能，分析了胶凝材料类型以及理论最佳化学计量组成范围，汇总了磷石膏充填料浆流变性能、力学性能影响因素及演化机理;(3)评价了磷石膏充填的潜在环境污染风险，总结了现有磷石膏预处理技术与有毒元素固定机理;(4)从预处理技术、靶向材料、原位监测三个方面对未来研究进行了展望。

    磷石膏充填膏体充填胶结充填绿色矿山磷石膏

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    矿山采空区边坡动态稳定性评价方法

    杜岩张洪达谢谟文蒋宇静...
    215-223页
    查看更多>>摘要：矿山边坡因采空区沉降引发的斜面岩土体崩塌破坏，是一种破坏力极强的地质灾害。由于传统的稳定性评价方法未考虑采空区沉降造成的应力场变异，难以实现矿山边坡的动态稳定性评价，因而在矿山地质灾害预警预防方面存在诸多限制。基于此，本研究针对矿山采空区滑坡的成因机制，建立了一套适用于矿山边坡的动态稳定性评价方法。首先通过构建采空区沉降分析模型，计算采空区上方岩体的沉降范围及其产生的冲击作用力，分析沉降对坡体应力场的影响，并在此基础上对传统不平衡推力法进行修正。案例分析结果显示，传统方法未考虑采空区沉降作用和锁固段的破坏情况，导致稳定性系数计算偏大，为1。355。而改进方法通过考虑采空区沉降信息，计算得出锁固段稳定性系数为0。667，整体稳定性系数为0。979，与矿山采空区边坡实际破坏情况一致。当沉降位移比(SHDR)大于0。73时，采空区边坡稳定性会发生明显变异，因而会在相对安全的工况下发生失稳破坏。改进方法通过考虑采空区沉降作用和锁固段的破坏情况，可以更好地实现矿山边坡稳定性的评价，为矿区更好地应对类似地质灾害提供有效参考。

    采空区边坡动态稳定性评价采空区沉降锁固段沉降位移比

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    壳聚糖基絮凝剂絮凝高岭土的动力学及絮体结构

    肖婷邹文杰余可馨段旭琴...
    224-233页
    查看更多>>摘要：开发多活性位点绿色高效絮凝剂对构建低絮凝剂用量的高效固液分离过程、实现选矿废水高效处理与循环回用具有重要意义。本文为考察天然阳离子型线性高分子壳聚糖接枝阳离子型聚丙烯酰胺(Chi-g-CPAM)的絮凝性能，改变引发剂质量分数将壳聚糖、丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵通过紫外引发水溶液聚合法进行接枝共聚，合成了分子结构不同的Chi-g-CPAM，使用石英晶体微天平(QCM-D)研究了其在SiO2芯片表面的吸附行为和后继原位絮凝高岭土的动力学，分析了絮体结构变化;并采用动力学方程拟合以揭示絮凝机理;最后进行了絮凝剂沉降性能试验。结果表明，长支链可增强絮凝剂对高岭土的架桥网捕作用，加快沉降;接枝率越高则有助于降低上清液浊度。引发剂质量分数为0。10％所合成的Chi-g-CPAM支链相对多而长，在SiO2芯片表面平衡吸附量最大，为(-11。68±0。40)Hz，吸附的第Ⅰ、Ⅱ阶段K值分别为0。1814和0。5054，吸附构象趋于向外伸展，后继所絮凝高岭土量少且絮体结构疏松，架桥、网捕和电中和作用协同使其在沉降试验中表现的沉降速率最大(12。18 m·h-1)，上清液浊度最低(13 NTU)。支链多而长的Chi-g-CPAM絮凝高岭土的过程复杂，准一级、准二级动力学和Elovich方程对其拟合效果均较好。引发剂质量分数为0。15％和0。05％时，对应所合成支链多而短、支链少而短的Chi-g-CPAM在SiO2表面呈扁平的"列车式"吸附构象，架桥和网捕能力低，絮凝沉降性能差。多活性官能团絮凝剂的分子结构影响其在矿物表面的吸附构象，是决定其絮凝性能的关键因素之一。本研究对选矿大分子药剂的分子结构设计具有重要意义。

    壳聚糖絮凝剂石英晶体微天平吸附构象絮凝动力学

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    钢纤维增强尾砂胶结充填体的力学性能与损伤机制

    熊艳碧刘晓辉程海勇吴顺川...
    234-248页
    查看更多>>摘要：为探究钢纤维(SF)对充填体的力学性能与损伤破坏机制的影响，以纤维增强尾砂胶结充填体(FR-CTB)为研究对象，研究SF掺量对充填体力学性能的影响，采用数字图像相关(DIC)技术监测试件的全场应变，跟踪试件的裂纹发展，此外，从微观层面进一步研究了SF对充填体的增强机理。结果表明，随着SF掺量和养护龄期的增加，FR-CTB的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度以及抗剪强度均表现出了不同程度的增长，SF掺量为20 kg·m-3时增强效果最好，但是当超过20 kg·m-3后增强效果显著降低。钢纤维的存在较大程度上约束了充填体裂隙的扩展，削弱裂隙尖端应力集中，有效阻止了裂纹的扩展，改善整个试件的变形。此外，添加钢纤维后，尾砂颗粒、纤维和水化产物形成了一个完整且更致密的结构，在加载过程中由于SF与尾砂-水泥基体之间的相互作用，SF的增强作用主要体现在桥接和拔出行为，水化产物的存在增加了SF表面的粗糙度，从而增加了SF与水泥-尾砂基体之间的摩擦力来吸收外部载荷的能量，提高FR-CTB的力学性能。最后利用SPSS曲线估计建立各龄期充填体强度计算模型，模型精度较高，可对掺钢纤维充填体强度进行预测。

    尾砂胶结充填体钢纤维力学性能损伤演化微观特征

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    SC-CO2与工业乳化炸药破岩效应的等效试验

    蒋楠姚颖康朱斌罗学东...
    249-258页
    查看更多>>摘要：如何定量化核算SC-CO2(超临界二氧化碳)破岩效率是非炸药类破岩技术在实际工程应用时重点关注的内容。本研究基于爆破当量理论计算和现场爆破试验的研究方法，通过工程类比法进行工业乳化炸药等效当量计算，选择典型代表性花岗岩及泥岩场地，设计进行了SC-CO2与工业炸药破岩效应等效对比现场试验;基于现场破岩等效现场试验测试数据，对比分析试验过程中 SC-CO2与工业炸药破岩体积、破岩区域形态、大块率和单耗等破岩区域特征及参量数据。研究结果表明:当SC-CO2破岩体积较大时，其致裂破岩范围的长短轴较长，并且随着剪切片厚度的增加，泥岩场地二氧化碳单耗的下降速率增大，二氧化碳单耗是炸药单耗的6～11倍。SC-CO2破岩技术大块率较高，而炸药爆炸应力波分布均匀，大块率较小。SC-CO2 破岩地表振速远小于工业炸药破岩，工业炸药爆破测点合振速值为SC-CO2破岩测点合振速值的9～11倍，SC-CO2破岩对周边环境震动影响较小。SC-CO2破岩测点合应力峰值高于工业炸药破岩，SC-CO2破岩试验中各测点合应力值为炸药破岩试验中对应测点值的1。2～1。6倍。

    SC-CO2工业炸药等效破岩动力效应破岩体积

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    多炮孔岩体等离子体爆破定向致裂机理研究

    李雪王传兵王雁冰梅洪嘉...
    259-270页
    查看更多>>摘要：为了研究等离子爆破技术结合切缝管和预切槽技术的定向致裂效果，开展等离子体电脉冲定向致裂试验，探究不同切缝管切缝形状和不同预切槽间距下等离子体爆破定向致裂机理和定向断裂效果，对比分析不同定向形式作用下等离子体爆破岩石定向断裂贯通效果。结果表明，与正楔形切缝管和平切形切缝管相比，切缝管岩石试件中倒楔形结构中产生的应力峰值最大，聚能效果最显著，其定向贯通岩石效果更显著。预切槽岩石的电爆聚能致裂效果随着钻孔切槽间距的增加而减小。切槽间距为40 mm时，预切槽岩石试件等离子体电脉冲的聚能效果优异，产生定向裂纹的效果明显优于切槽间距为50 mm和60 mm的预切槽岩石试件。同时，预切槽定向形式的等离子体爆破定向致裂效果相对于切缝管定向致裂效果更为显著。

    等离子体电脉冲爆破定向致裂切缝管预切槽数值模拟

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    煤体注水渗流模型构建及微观主控影响规律

    王恩茂王刚解树亮魏宏钊...
    271-281页
    查看更多>>摘要：煤层注水技术是目前矿井除尘的主要技术手段之一，起到润湿煤体、源头减尘的作用。但随着开采深度的增加，煤体孔隙率相对较低，极大影响煤层注水的润湿效果。因此，为了提高煤层注水的效果，结合煤体固有属性、孔隙尺度等影响因素，首先，引入连通孔隙率，建立了包含孔喉、等效孔径、有效孔隙率、毛细管束、迂曲度、流动路径在内的渗流模型;其次，采用高精度射线显微镜(μ-CT)对内蒙古煤矿、同富新煤矿、梅花井煤矿、大黄山煤矿以及磁窖沟煤矿5个煤矿的不同变质程度煤进行扫描，三维重建可视化煤体微观有效孔隙结构，运用分形理论，提取煤体有效连通孔隙结构参数进行计算;再次，通过实验对5个煤矿不同变质程度的煤进行渗透率实测;最后，引入"敏感度"来表征每种影响因素对渗流量的影响程度，运用Morris筛选法，将数值分析法与渗流模型相耦合，定量筛选了煤体坚固性系数、迂曲度分形维数、有效孔隙率、体积分形维数、孔喉半径等主控因素，并分析了各主控因素对注水能力的影响规律。本研究建立了一个综合煤体坚固性系数、迂曲度分形维数、有效孔隙率、体积分形维数和孔喉半径的渗流模型。分析表明，影响注水能力的主控因素依次为煤体坚固性系数、迂曲度分形维数、有效孔隙率、体积分形维数和孔喉半径。注水能力与煤体坚固性系数呈正弦函数关系，随着有效孔隙率的增加，迂曲度分形维数和体积分形维数的减小，注水能力增强。研究结果可为进一步完善煤层注水渗流理论、增强煤层注水润湿效果，防治矿井粉尘灾害提供理论依据。

    煤层注水有效连通孔隙渗流模型主控因素计算机断层扫描

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    电解水制氢技术:进展、挑战与未来展望

    张正宋凌珺
    282-295页
    查看更多>>摘要：实现全球碳中和是各国在2050年制定的重要目标之一，旨在减缓气候变化的不良影响。氢能作为一种极具潜力的清洁能源，凭借其高能量密度、零碳排放、可再生性强等特性，被视为实现能源转型与应对气候变化的重要载体。为了实现这些目标，利用电解水制取氢气已经成为解决全球碳中和问题的重要关键方案之一。本文综述了碱性电解水、质子交换膜电解水、阴离子交换膜电解水和固体氧化物电解水制氢技术的最新进展，并对这四种电解水技术的工作原理、结构特点以及优缺点进行了详尽比较。此外，总结了电解水制氢催化剂材料的研究进展，尤其是新型材料的开发与结构优化，旨在提升材料的催化活性与稳定性。讨论了海水电解制氢和耦合制氢等新兴技术，强调通过电解质组成优化、高效双功能催化剂开发及利用小分子氧化反应热力学优势，可有效提升电解水制氢效率和系统稳定性。最后，提出了电解水制氢技术的发展趋势与未来研究方向，包括提升催化剂性能、降低电解过程能耗、开发新型电解设备等，旨在促进电解水制氢技术的进步，助力全球碳中和目标的实现，并为未来的研究提供参考与指导。

    碳中和氢能电解水制氢催化剂电极材料

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    基底偏压对电弧/磁控复合技术制备CrAlN耐磨涂层性能的影响规律

    牛晓燕刘明泽董国强王玉江...
    296-306页
    查看更多>>摘要：利用中频磁控溅射与电弧离子镀复合沉积技术在不锈钢基体上沉积CrAlN涂层。利用扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、纳米压痕测试、划痕测试以及摩擦磨损试验等手段，系统地研究了基底偏压对CrAlN涂层微观形貌、力学性能及摩擦磨损性能的影响。随着基底偏压的增大，涂层表面经历了由较为粗糙的孔洞、大颗粒向平滑的形态演变。在-30 V基底偏压下(绝对值表示大小)制备的涂层表现出多个强衍射峰;-60V偏压下，涂层沿(200)晶面方向择优生长。过高的基底偏压(-150 V)加剧了沉积过程中的二次溅射效应，导致涂层沉积速率降低，并出现晶格松弛和重结晶现象。此外，随着基底偏压的增加，涂层的硬度和弹性模量均呈先增加后减少趋势。在-60 V基底偏压下，涂层表现出较低的磨损率，而较高偏压下的涂层磨损机制转变为严重的磨粒磨损，涂层磨损严重。通过调控基底偏压，可以有效优化CrAlN涂层的组织结构、力学性能和摩擦磨损性能。在-60 V基底偏压下制备的CrAlN涂层展现出优异的力学性能和耐磨性，为实际应用中提升涂层性能提供了重要的理论和实验依据。

    电弧/磁控复合沉积技术CrAlN涂层基底偏压微观结构力学性能摩擦学性能

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    液晶智能超表面辅助的室内可见光通信系统优化设计

    余礼苏吕欣欣钟润张鸣莉...
    307-314页
    查看更多>>摘要：可见光通信(VLC)作为6G的候选技术，具备广阔的免许可频谱、更高的安全级别、避免射频干扰等诸多优势，这些特点使得VLC成为射频通信的有效补充方案。本文设计并优化了一种基于功率域非正交多址(PD-NOMA)技术的室内VLC下行链路通信系统，该系统中包括一块位于信道中间的同时透射和反射智能超表面(STAR-RIS)和一个基于液晶智能超表面(LC-RIS)的接收器。为了评估所设计的系统性能，本文提出了一个和速率最大化问题，并考虑了实际情况下发射机和接收机之间的视距(LoS)路径存在非用户遮挡因素。由于所提出优化问题的非凸性，首先使用二次变换将目标函数转化为一个分式规划(FP)问题，其次采用分步优化算法和凸优化(CVX)工具来获得可行解。此外，本文分析了发光二极管(LED)的数量、入射光波长以及液晶折射率对室内可见光通信系统和速率的影响。数值仿真结果表明，在能量分裂(ES)操作协议下，STAR-RIS和LC-RIS联合辅助的室内VLC系统的和速率明显高于仅有反射智能超表面(RIS)和无LC-RIS的VLC系统。LED灯数量、入射光波长以及液晶(LC)折射率均会在一定程度上对系统性能产生影响。这些研究结果为室内可见光通信系统的设计和优化提供了重要参考。

    可见光通信同时透射和反射智能超表面液晶智能超表面功率域非正交多址分式规划

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