华北理工大学学报(自然科学版)

 

本期栏目

全流程冶金与材料

  • 玄武岩纤维对钒钛尾矿地聚物性能的影响

    张如玉;李静;段博文;韩秀丽;颜佩瑶;

    为了大量消纳钒钛尾矿，减轻尾矿堆存带来的环境安全问题，采用钒钛尾矿为主要原料制备地聚物。利用响应面法进行原料配比优化。并向其中掺加玄武岩纤维改善其脆性高、应变能力低、抗裂性差等缺陷。研究结果表明，钒钛尾矿、偏高岭土、矿渣掺量分别为60%、24.5%、15.5%，激发剂模数为1.2，液固比为0.46，钒钛尾矿抗压强度最大。当纤维掺量为0.6%时，钒钛尾矿基地聚物抗折强度提升最大，3、7、28 d抗折强度提升率分别为93.4%、88.63%、80.9%，可以有效减少高温试验、冻融循环、侵蚀过程中的质量和强度损失。纤维掺量为0.4%时，钒钛尾矿地聚物抗压强度提升最大，但相对于抗折强度，抗压强度提升效果不明显。玄武岩纤维掺量为0.6%时，可以有效改善钒钛尾矿基地聚物的力学和耐久性能。

    2025年04期 v.47;No.178 1-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 1518K]

  • 高拉速薄板坯漏斗结晶器卷渣行为数值模拟

    王子璇;曾亚南;王亚军;王一同;郑可心;李俊国;

    本研究采用大涡模拟方法，系统分析了浸入深度、拉速和保护渣黏度对薄板坯漏斗结晶器流场及卷渣行为的影响。通过对钢液流动行为、涡旋数目及面积占比和钢液中保护渣总质量的统计分析，发现工艺参数的变化对流场稳定性有重要作用。研究表明：当浸入深度为270 mm、拉速为4.2 m/min、黏度为0.075 Pa·s时，液渣层附近流场会较为稳定，保护渣卷入钢液的现象可有效减少。在此条件下，涡流旋转特性合理，能够有效减少对液渣层扰动，进而降低卷渣现象，为优化实际连铸工艺提供了参考依据。

    2025年04期 v.47;No.178 11-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 2362K]

医工融合

  • 缺失羟基丙酮酸还原酶基因对莱茵衣藻光合能力及物质积累的影响

    路思晗;罗晨;邓必成;侯余勇;王巍杰;

    探讨缺失羟基丙酮酸还原酶基因对莱茵衣藻光合能力及物质积累的影响。本文以模式生物莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）为对象，通过比较野生型UVM4与突变株Crhgm1在不同生长阶段的生理特性，揭示线粒体NADH依赖性羟基丙酮酸还原酶CrHPR1(hydroxypyruvate reductase 1 in Chlamydomonas reinhardtii)缺失产生的影响。研究结果表明与光自养条件相比，兼性培养促进藻细胞生长，明显缩短其生长周期；CrHPR1基因缺失导致藻株Fv/Fm和NPQ分别提高19.37%和27.89%，表明光合效率和光保护能力增强，但对细胞的保护能力减弱；突变株Crhgm1生物合成能力增强，总叶绿素、蛋白质、可溶性糖和油脂含量分别较野生型提高16%～27%，其中平台期油脂积累达干重的56.49%。CrHPR1基因缺失对莱茵衣藻光合效率、光保护能力及代谢物积累的积极影响，尤其在油脂积累方面展现出应用潜力。本研究为微藻的高值化利用提供了新的思路，并具有在生物能源开发中的应用潜力。

    2025年04期 v.47;No.178 21-30页 [查看摘要][在线阅读][下载 1704K]

  • 葫芦科植物热激转录因子适应性进化的基因组学研究

    宋腾飞;高昕彤;李新宇;王振怡;王金朋;

    葫芦科植物主要分布在全球的热带和亚热带区域，具有较强的耐高温生长特性，其基因组中包含的热激转录因子（heat shock transcription factor, HSF）与葫芦科植物的这一生物性状的形成密切相关。已有研究对单个葫芦科植物中HSF的进化和功能有了初步认识。为了进一步揭示葫芦科耐热机制，改良其抗旱品质，本文通过生物信息学方法对葫芦科5个代表性物种及3个外类群植物基因组中HSF基因的适应性进化进行了系统深入探究。葫芦科植物起源之后，HSF基因家族呈现了急剧扩张，在黄瓜、甜瓜、冬瓜、西瓜和笋瓜中分别鉴定到23、25、32、24、36个HSF基因；分析HSF基因系统发育后表明葫芦科植物经历的多倍化事件被秋海棠科所共享，可能没有覆盖到马桑科；分析基因簇认为HSF基因簇的形成可能与基因组的保守性相关，并推测冬瓜中HSF基因簇形成至9 300万年前；分析HSF表达模式，发现多倍化使基因产生了亚功能化，串联重复促进基因新功能化的形成。上述结果对理解葫芦科植物耐高温的遗传基础有重要科学意义，对利用分子手段改良葫芦科作物耐热和抗旱品质具有基因组学指导价值。

    2025年04期 v.47;No.178 31-40页 [查看摘要][在线阅读][下载 1477K]

安全与应急管理

  • 煤层瓦斯抽采钻孔动态封孔材料微观封堵特性研究

    李珂鑫;郭立稳;崔啸;张嘉勇;李建民;张诚;

    为解决瓦斯抽采钻孔孔周裂隙动态演化导致的漏气问题，利用煤样稳压注浆设备，开展不同封堵阶段煤体裂隙动态封堵试验；并通过电镜扫描和CT扫描实验，分析动态封孔材料与煤体壁面的结合特征及煤体裂隙结构变化规律。研究结果表明，动态封孔材料以交联网络形式填充煤体孔裂隙，材料与煤体裂隙壁面紧密结合，形成致密的封堵层，实现对渗流通道的有效封堵；动态封堵后，煤样裂隙体积减小了79.02%，其中体积大于5 mm~3的孔裂隙体积贡献率降低了61.33%，孔径分布波动性显著减弱，且孔径大于3.5 mm的裂隙被完全填充，面孔隙率波动性减弱并呈一字型分布，配位数峰值降至1且高配位数频率降低。动态封孔材料对不同尺寸裂隙均有较好的封堵效果，且能够在裂隙扩展时进行动态修复，为瓦斯抽采钻孔的长时高效抽采提供保障。

    2025年04期 v.47;No.178 41-50页 [查看摘要][在线阅读][下载 1854K]

  • 基于Pearson相关系数低阶煤自燃分级预警体系研究

    康乐;陈建;王福生;高东;

    低变质程度煤样极易与氧气发生煤氧复合反应，导致热量积聚直至发生自燃。为防止单一指标性气体在煤自燃预报中由于缺乏综合判断能力导致出现误报的问题，特建立了铁岭某矿煤样（TL）、吉林某矿煤样（JL）和金川某矿煤样（JC）的低阶煤自燃分级预警体系。本文通过热重实验确定了3组煤样的临界温度均为50℃，TL和JL的干裂温度为100℃，JC的干裂温度为110℃，根据临界温度和干裂温度建立煤自燃分级预警的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段。利用程序升温-气相色谱联用实验获得各指标气体浓度与煤温的对应关系，并计算得出格雷哈姆火灾系数（R_1、R_2和R_3），借助Pearson相关系数法对所得各指标与Ⅱ、Ⅲ阶段煤温的相关性进行判断，最终建立低阶煤自燃分级预警体系。

    2025年04期 v.47;No.178 51-58页 [查看摘要][在线阅读][下载 1500K]

  • 煤矿自动防灭火装置研发及性能测试

    王月红;王洪岩;

    针对煤自燃防治问题，研发了一种新型自动防灭火装置。装置采用感温启动装置设计，当环境温度达到设定阈值时，感温玻璃泡破碎，从而触发自动释放二氧化碳。为了防止感温玻璃泡受到矸石砸落的影响，罐体上部配备了螺栓固定的盖帽，并增设保护支架以增强防护能力。通过影响范围实验确定了不同型号装置的有效防灭火区域。最后，采用Fluent软件基于现场实验结果进行气体扩散特性模拟，发现释放后的扩散范围与实验结果基本一致，验证了模拟的准确性。

    2025年04期 v.47;No.178 59-67页 [查看摘要][在线阅读][下载 1866K]

  • 深部大理岩卸荷作用下的力学特性研究

    张亚宾;赵春洁;卢宏建;王鑫;李宜杨;白晋凯;

    为探究不同卸荷速率下大理岩的力学性质及声发射规律，开展不同卸荷速率卸除最小主应力方向荷载试验。试验结果表明，在不同卸荷速率条件下破坏强度随着卸荷速率的增大而增大；卸荷岩样的破坏主要以横向拉伸为主，是沿卸荷方向的强烈扩容所致；卸荷速率越快，卸荷破坏时最小主应力越小，试样破坏剧烈程度越大，破坏模式由剪切破坏为主变为以拉伸为主的拉剪混合破坏。随着卸荷速率增加，卸荷开始后平静期越短，且平静期内振铃计数、能量处于较低水平，揭示了真三轴卸荷破坏条件下岩石破坏前兆特征。在卸载破坏阶段，卸荷速率越大，大理岩试件卸荷破坏时间越短，破坏时振铃计数和能量值越高。研究结果可为开挖卸荷导致的工程灾害的预防与控制提供一定的借鉴意义。

    2025年04期 v.47;No.178 68-75+86页 [查看摘要][在线阅读][下载 1505K]

  • 基于博弈论G1-CRITIC-未确知测度理论的围岩稳定性评价

    张光瀚;李群;

    通过博弈论综合赋权与未确知测度理论耦合，提出了一种新的围岩稳定性评价模型。首先从岩体强度、结构面因素及环境因素三个维度提取了8项关键指标，通过G1-CRITIC主客观赋权体系计算主观权重和客观权重，结合博弈论方法获得主客观的综合权重。其次，基于未确知测度理论建立单指标测度函数，结合多指标测度矩阵和置信度识别准则实现围岩等级判定。通过与可拓法、密切值法等方法的实例对比分析，验证了该模型在围岩分级中的可行性和准确性。基于博弈论和未确知测度的综合方法能够为围岩分级提供一种新的方法。

    2025年04期 v.47;No.178 76-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 1767K]

  • 基于CT扫描的煤岩注热水数值模拟研究

    周亮;王福生;

    在煤岩注热水过程中，煤岩注热水存在现场不稳定和注热效果不佳的问题，其根本原因是流体在煤层中运移包含多个理论学科交叉的复杂性问题，造成了含不同孔裂隙类型煤岩注热水增采瓦斯技术应用效果差异大的瓶颈。因此，为了提高注水工艺，优化注水参数。本文拟综合运用CT扫描、热流固耦合机理等领域相关理论和技术，采用数值模拟的方法，分析煤岩注热水后煤岩温度分布规律、流体运移规律。最后得出结论：煤中孔裂隙结构对水的迁移和流体在煤中传热影响重大，尤其是在狭窄的喉道处，其结构加速水的运移，随着注热时间的持续，煤岩表面温度以注热孔为中心呈环状分布。

    2025年04期 v.47;No.178 87-95+124页 [查看摘要][在线阅读][下载 1777K]

环境科学与低碳技术

  • 基于多源数据的唐山城市公园空间分布格局

    张可妮;郭力娜;焦琳琳;刁媛媛;

    为探究城市公园空间布局，本文选取唐山市核心区为案例区，利用多源数据，通过核密度、高斯两步移动搜索法（G2SFCA）等方法，在空间密度和可达性双角度下对唐山市核心区的公园空间分布格局进行综合评估。结果表明，在密度分析方面，唐山核心区公园的密度分布特征表现为“整体分散、局部集中”的格局。其中路南区与路北区的交界处密度值最高，呈“C字型”，而路南区的稻地镇密度值最低；在可达性分析方面，案例区内公园可达性呈北高西低、中部较高的格局。研究可为唐山市的城市规划和公园布局优化提供科学依据。

    2025年04期 v.47;No.178 96-103页 [查看摘要][在线阅读][下载 1584K]

  • 改进蚁群算法在多层建筑路径规划中的应用与优化研究

    李梦晓;杨久东;张凌云;

    针对蚁群算法在数据量较大的情况下迭代冗余、路径非平滑的问题，难以满足复杂场景下的路径规划需求，提出一种改进的蚁群算法，引入通视性剪枝和跨层节点映射机制，显著提升了算法的计算效率和路径规划质量。首先对建立的栅格环境模型中的自由栅格进行提取并生成约束边界，并利用向量叉积判定路径点与约束边界的通视性，从而对冗余路径进行剪枝。其次，针对跨层路径规划中的拓扑割裂问题，提出了跨层节点映射机制，建立每层节点的跨层映射关系，并结合分层迭代策略，实现了多层场景间的全局路径优化。实验结果表明，改进后的蚁群算法和传统蚁群算法相比能够在短时间内完成跨层路径规划，且规划的路径长度平均缩短了12%，计算时间减少了83%。

    2025年04期 v.47;No.178 104-114页 [查看摘要][在线阅读][下载 1787K]

  • 基于无人机高光谱影像和深度学习的盐沼植被精细分类

    尹轩;刘明月;张永彬;满卫东;宋利杰;王健;

    盐沼植被作为滨海湿地的重要组成部分，其精准监测对于生态环境保护与资源管理具有重要意义。本研究基于无人机高光谱影像数据，通过构建融合光谱与纹理信息的特征集，结合ReliefF算法优化特征选择，并采用多尺度残差三维卷积神经网络（Res-Muti-3DCNN）对盐沼植被进行精细分类分析。结果表明，光谱特征和纹理特征的协同作用显著提升了分类性能，其中大窗口（9×9）的纹理特征在捕捉地物表面信息上贡献突出，Dissimilarity9的重要性值最高，为0.466；在光谱特征中，近红波段与绿波段对于植被类别的区分效果显著。与传统分类方法相比，ResMuti-3DCNN能有效缓解高光谱数据分类中的“椒盐”现象，总体分类精度达到90.50%,Kappa系数为0.89。该研究结果为滨海湿地的动态监测与生态管理提供了有效的技术支持与理论参考。

    2025年04期 v.47;No.178 115-124页 [查看摘要][在线阅读][下载 1601K]