2024年, 第43卷, 第04期　
刊出日期：2024-08-15

  

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  基于压痕试验的岩石力学参数的卡尔曼滤波反演

  王鹏, 房凯, 赵同彬, 刘丽娜

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 1-11. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.001

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  压痕试验是间接评估岩体力学特性的重要方法，为了更好地利用压痕试验评估岩体力学参数，本研究采用一种基于扩展卡尔曼滤波算法的参数反演方法。基于室内压痕试验获得的荷载-压入深度曲线数据，通过弹塑性数值仿真模型构建岩体弹塑性参数与压痕曲线的响应关系，进而利用卡尔曼滤波算法实现对岩石弹塑性参数的反演和优化分析。结果表明，本研究方法具有较好的收敛性和较高的识别精度，反演得到的岩石弹性参数均值的相对误差在10%左右，塑性参数的反演结果相对误差小于20%。较传统单一经验公式方法，本研究方法具有更高的预测精度，对多种不同岩性岩体都有较好的适用性。
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  西部大采高工作面保护煤柱宽度优化研究

  解成成, 刘学生, 范德源, 杨康, 宋虎

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 12-22. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.002

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  保护煤柱尺寸一直是三下开采研究的热点问题，特别是在西部大采高软弱覆岩特厚煤层开采条件下，其对地表建筑物安全的影响有待进一步研究。以榆树湾井田20119工作面为例，综合利用数值模拟和概率积分法确定了合理保护煤柱宽度，并进行现场验证。结果表明：随着煤柱宽度的减小，地表沿X方向的水平移动呈现倒“S”型趋势，沿Y方向的移动呈现倒“U”型趋势，地表的最大下沉量随煤柱宽度的减小而不断减少；结合概率积分法对保护煤柱宽度进行预计，确定优化后的煤柱宽度为180 m;对现场村庄进行实时监测，地表下沉和倾斜值均满足现场施工要求，验证了保护煤柱宽度的合理性。
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  岩石非对称凸起结构面抗剪特性试验研究

  郑菲, 魏传文, 王相龙, 杨旭旭, 赵玉棣, 邵行, 满新杰, 张长安, 周洋洋, 薛洪运

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 23-32. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.003

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  基于楔齿形结构面形貌特征，制作3种不同形貌的结构面，研究了楔齿结构特征参数最大潜在接触面积比A₀在不同法向应力作用下对结构面剪切特性的影响规律。试验结果表明，结构面法向应力较小、A₀较大情况下的破坏模式主要是爬坡磨损，其剪切应力-位移曲线呈现滑移型；随着法向应力增大、A₀减小，破坏模式逐渐转变为爬坡切齿和完全剪断破坏，其剪切应力-位移曲线呈现峰值剪断Ⅰ型和峰值剪断Ⅱ型。法向应力增大限制了持续剪胀效应，而A₀的减小改变了迎坡面的受力，使凸起在发生剪断时的有效承载面积增大，从而影响结构面抗剪强度。基于试验结果提出了新的结构面抗剪强度模型，为岩石非对称凸起结构面抗剪强度计算提供了参考依据。
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  基于PFC-CFD的采空区自燃“三带”预测

  曹东京, 夏鸣泽, 解树亮, 王刚

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 33-44. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.004

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  采空区遗煤自燃是导致煤矿火灾的主要原因之一，且多数发生于采空区自燃“三带”的氧化带中。为更准确地预测划分采空区自燃“三带”、预防矿井火灾，提出了PFC-CFD采空区流场演化模型。首先利用PFC颗粒流模拟软件模拟采空区覆岩的垮落和空隙率分布，然后使用UDF函数将PFC模拟得到的空隙率分布数据导入CFD中，通过建立采空区物理模型对采空区内的氧气流场进行模拟预测，最终得到采空区自燃“三带”范围。现场实测表明，基于PFC-CFD的采空区自燃“三带”预测结果更接近现场实际，优于单一CFD方法的预测结果，表明利用空隙率动态演化分析采空区流场变化，进而预测遗煤自燃危险区域的方法是可靠的，对预防采空区自然发火具有一定理论指导和实际应用意义。
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  额尔古纳地块北段霍洛台粗面安山岩锆石U-Pb年龄、岩石地球化学特征及构造背景

  李海锋, 孙永刚, 许庆林, 朱亚林

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 45-56. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.005

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  东北亚晚中生代火山岩成因是近年来的研究热点，额尔古纳地块北段地区受蒙古-鄂霍茨克和古太平洋构造域叠合作用的影响，导致火山岩成因更为复杂。本研究通过额尔古纳地块北段霍洛台地区粗面安山岩锆石U-Pb定年和岩石地球化学研究，探讨霍洛台粗面安山岩的岩石成因和构造背景。霍洛台粗面安山岩的锆石U-Pb加权平均年龄为137.8±1.8 Ma,形成于早白垩世。霍洛台粗面安山岩轻重稀土元素分馏明显（LREE/HREE=15.83～16.71）,Eu异常不明显（δEu=0.84～0.88）,岩石明显富集Rb、Ba和K等大离子亲石元素，亏损Th、U、Ta和Nb等高场强元素，属于高钾钙碱性系列。霍洛台粗面安山岩具有较高的Sr(754.24×10^-6～945.40×10^-6)含量和Sr/Y比值（55.09～68.10）,低的Y(13.22×10^-6～14.15×10^-6)和Yb(0.97×10^-6～1.02×10^-6)含量，属于典型的埃达克岩，由俯冲大洋板片部分熔融形成的，推测其形成与古太平洋板块俯冲回卷过程有关。
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  全景影像快速加载与精确量测算法研究

  刘冰, 郭李丽, 刘如飞, 苏辕, 徐超

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 57-66. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.006

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  针对全景影像加载速度慢及量测精度低的问题，提出一种全景球金字塔切片模型动态约束加载算法。首先，基于格网球体投影模型构建三维全景场景；其次，对全景影像进行压缩与切片，并设计全景切片金字塔模型；然后，采用逆向墨卡托投影将全景切片作为纹理映射到球体内表面进行渲染，形成全景球金字塔切片模型；最后，按照可视区域约束对金字塔模型切片进行快速加载实现动态可视化，并结合深度图像实现全景影像的精确量测。实验结果表明，选用顶点数量为11 904的全景球金字塔切片模型，量测中误差小于3 cm,同时提高了加载速度。
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  一种基于中线拓扑关系的巷道节点自适应平滑建模方法

  刘冰, 崔航, 刘如飞, 苏辕, 薛熙斌

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 67-73. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.007

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  地下空间中的三维巷道结构复杂，模型数据庞大，为解决巷道交叉口等特殊位置的精细化表达问题，本研究提出一种基于中线拓扑关系的巷道节点自适应平滑建模方法。该方法根据巷道中心线数据，自适应判别根结点下各子结点间的拓扑关系以区分各类型巷道，并设计一种半拱形曲面构建相应的模型组件，通过组件拼接的方式，实现精细化平滑建模。最后，通过对某一段巷道数据进行验证，建立了一个由三通、四通等各类交叉口平滑相连的完整巷道模型，为地下空间中复杂巷道的精准建模提供了有效的解决途径。
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  融合先验信息的单株植物三维结构点云配准方法

  王太阳, 张熙空, 马楠, 曾宝秀

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 74-83. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.008

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  针对样本一致性初始对化(SAC-IA)点云配准算法在处理样本抽样和误差计算时存在的高计算成本和鲁棒性不足的问题，提出一种融合先验信息的单株植物三维结构点云粗配准方法。该方法首先采用“体素下采样+直通滤波+统计离群点去除”的点云预处理策略，在有效降低点云数据量的同时保留植物结构的关键特征信息。通过引入基于先验知识的初始姿态约束，对SAC-IA算法进行改进，减少不合理变换矩阵的迭代次数，从而提高配准效率，降低误匹配风险。实验结果证明，所提方法配准均方根误差为6.242,时间为0.902 s,相比SAC-IA方法节省了1.407 s,显著提升了单株植物三维结构点云配准的运算效率和鲁棒性。
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  硅烷基改性醚类电解质赋能高比能LiCoO₂‖锂金属电池

  李祖磊, 孙颖, 纪官松, 贺连芳

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 84-91. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.009

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  为改善醚类电解质和高压正极之间的界面兼容性，将锂电池的能量密度提升至350 W·h·kg^-1以上，本研究设计合成一种新型含硅烷基团的醚类电解质（Si-PEO）,组装扣式电池，进行电化学性能和微观组织形貌分析。研究结果表明，该电解质中的醚链段用来解离锂盐和传导Li⁺,硅烷链段可以改善电解质的氧化稳定性，使其在室温下具有1.25×10^-5 S·cm^-1的离子电导率和较高的电化学窗口（4.46 V）。LiCoO₂|Si-PEO|Li电池在室温下以0.5 C的倍率循环100圈后仍能保持160.12 mA·h·g^-1的放电比容量，容量保持率高达96.45%。循环后LiCoO₂正极颗粒完整，无副反应产物堆积，表面生成一层均匀且富含无机成分的正极/电解质界面。此界面层可以使Si-PEO电解质和正极有着优异的热兼容性，改善了LiCoO₂‖Li电池的安全性能。
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  离子共掺对钛酸锶光催化性能的影响

  赵凯欣, 赵子豪, 王龙, 谈博文, 田秀娟

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 92-99. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.010

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  钛酸锶（SrTiO₃）光催化剂是一种钙钛矿型氧化物，具有氧化还原能力强和环境友好的特点，在分解水制氢、有机污染物降解等领域得到广泛应用。通过水热法制备SrTiO₃光催化剂，并采用Pr/N共掺杂优化其能带结构。分析催化剂结构、形貌、比表面积和光催化析氢速率，以评估Pr/N共掺杂对SrTiO₃性能的影响。结果显示，与未掺杂的SrTiO₃相比，Pr/N-SrTiO₃的禁带宽度E_g减小了0.3 eV;析氢速率为3.552 mmol·g^-1·h^-1,提高62.3倍，且具有良好的循环稳定性。共掺杂离子Pr/N的存在延长了SrTiO₃的载流子寿命，提高了载流子的分离效率。
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  具有H₂增益约束的连续时变线性随机系统的有限时间有界性

  刘西奎, 姚辰欣, 李艳, 庄继晶

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 100-110. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.011

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  针对一类具有能量有界外部干扰的连续时变线性随机系统，研究了在H₂增益约束下闭环系统的有限时间有界性。首先，给出系统有限时间有界和H₂增益的定义。然后，设计状态反馈控制器，使得闭环系统既满足H₂增益性能约束又满足有限时间有界。通过求解时变线性矩阵不等式，得到控制器增益函数。最后，给出两个数值算例说明所设计方法的有效性。
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  融合因果推断的动态可解释知识追踪模型

  鲁法明, 王卓凡, 包云霞, 王晓亮

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 111-120. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.012

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  可解释知识追踪对于教学诊断和优化具有重要意义。目前代表性的可解释知识追踪模型缺乏对知识点间因果关系的深入考量，同时未能关注模型中存在的特征混淆问题，影响预测性能。针对上述问题，提出一种融合因果推断的动态可解释知识追踪模型。首先利用因果推断算法挖掘知识点间掌握程度上的因果关系，并制定规则辨别因果效应强度，挖掘得到知识点因果效应特征图，并从中提取知识点外延影响因子特征，作为学生答题正确性预测的特征之一；其次，基于领域知识构建学习能力、习题难度和作答正确率之间的结构因果模型，采用后门调整的方法去除混杂因子的影响；然后，以迭代的方式进行学习能力和答题偏好特征的动态更新；最后，借助树增广朴素贝叶斯分类器实现可解释性知识追踪。在多个公开的数据集上进行实验验证表明，所提模型在保证可解释性的同时可提高预测准确性。
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  深层特征引导的多尺度上下文聚合图像变化检测网络

  杨淑琪, 李哲, 刘国强, 房胜, 高云鹏

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(04): 121-128. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.04.013

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  多尺度融合方法在图像变化检测领域中得到广泛研究，但由于不同尺度的特征之间存在不平衡，直接进行特征融合无法精确地检测目标变化，特别是在复杂场景下目标变化的检测仍然存在漏检和误检的问题。本研究提出一种深层特征引导的多尺度上下文聚合网络（DF-MCANet）进行变化检测任务，通过深层特征引导不同阶段的特征融合，提高网络对于不同尺度目标的理解能力。该网络包含特征融合模块（FFM）和特征矫正模块（FCM）两个关键模块，FFM结合上下文特征进行变化信息的提取和增强，FCM利用深层语义特征引导FFM提取各阶段特征，进行语义、细节以及上下文表示的融合。实验结果表明，DF-MCANet相较于目前最优的模型A2Net,F₁指标在CDD数据集提高0.73%,在DSIFN数据集上提高1.43%。