“双碳”目标下能源地质方向人才培养探索

中国既是能源产出大国,又是能源消费大国,“双碳”目标的提出为能源地质方向的人才培养提出了高要求和新挑战。在碳达峰、碳中和背景下,能源地质行业虽然面临各种各样的问题,但同时也带来了发展的机遇。通过分析“双碳”目标下能源地质方向人才培养目标,从多学科交叉课程体系构建、实施多源+多元化教育模式、“教学—科研—实践”三维一体协同发展、师资力量“高—精”化等几个方面提出了人才培养模式和路径,为推进适应现代化社会需求、学生多元个性化发展目标提供重要依据。

国产遥感软件赋能测绘工程专业课程教学改革研究

针对测绘工程专业课程教学中对地观测技术及国产遥感软件系统化应用与实践不足的问题,依托国产对地观测数据和国产遥感软件,从教学改革的必要性出发,提出建设实践教学案例库,打造线上线下混合式教学模式,促使测绘工程专业教学中测绘新技术与国产遥感软件得到更广泛的应用,从而为遥感与地理信息产品全面国产化替代培养高层次储备人才。

多煤层重复开采地表下沉系数演变研究

以太原西山矿区杜儿坪煤矿南三盘区为研究区,采用FLAC3D软件建立数值模型,分析矿区2^(#)、3^(#)煤层重复开采后的地表下沉系数演变规律。数值模拟实验结果表明:沉陷预计结果与原有成果、PS-InSAR监测结果均吻合较好,下沉系数随重复采动次数增加呈现增大趋势,表现为2^(#)煤层分层开采时的下沉系数是一次采全高的1.1倍,继续开采下部3^(#)煤层时下沉系数是2^(#)煤层分层开采时的1.27倍。研究结果为多煤层重复开采下的地表沉陷防控和地物保护提供了依据,也为开展重复采动生态损伤及恢复治理等研究提供了基础参考。

山西平安煤矿隐蔽致灾地质因素分析

隐蔽致灾因素是煤矿安全事故的主要诱因,其探查和辨识是确保煤矿安全生产的重要手段。本文以山西平安煤矿为对象,通过调查访问、资料搜集,对隐蔽致灾地质因素进行了分析,认为采空区、导水裂隙带、地下含水体、古河床冲刷带是井田主要的隐蔽致灾因素,今后生产过程中应加强对相关因素的防治。废弃老窑、封闭不良钻孔、断层、褶曲、裂隙带、陷落柱、瓦斯富集区等因素也不容忽视。

OBE理念下“地下水动力学”课程思政体系建设与实践路径探索

为了实现思政教育与专业教育的深度融合,文章构建了基于OBE理念的“地下水动力学”课程思政体系。通过设定课程思政目标、重构教学内容、创新教学模式、改革评价机制等途径,将思政教育融入课程设计阶段,探讨教学模式在教学实施阶段的应用,建立兼顾思政素养和专业技能的综合评价体系,辅以持续反馈改进机制,确保课程思政教学与社会发展需求相适应,为能源特色应用型本科高校“地下水动力学”课程的思政教育改革提供理论框架与实践策略。

关于煤系石墨鉴定标准的讨论

煤系石墨的鉴别及其类型划分,是矿产地质勘查和资源开发利用的前提条件和基础性工作,制定煤系石墨鉴定标准应遵循科学性、系统性、适用性和可操作性的原则。煤石墨化作用与煤化作用是连续递进加跃变的演化过程,煤系石墨的大分子结构阶跃性演化和物质组成非均质性等特点,造成矿种鉴别的复杂性。为制定科学实用的鉴定标准,从成矿机制研究和资源评价需求出发,按照矿石总体石墨化程度由高至低,划分了煤系石墨一号、二号、三号等3种类型;在前期工作的基础上,补充了110多组实测数据,修改完善了由初步鉴定指标和精确鉴定指标构成的煤系石墨鉴定指标体系。初步鉴定指标包括挥发分产率V_(daf)和最大反射率R_(max),用于资源评价和地质勘查阶段初步区分煤与煤系石墨;精确鉴定指标包括晶面间距d_(002)及其等效的石墨化度G、拉曼光谱参数R_(2),用以精确鉴别煤与煤系石墨,并划分煤系石墨类型。基于涵盖我国主要煤系石墨矿山500余组样品实测数据统计分析结果,确定了煤系石墨类型划分指标:煤系石墨一号,0.3354 nm≤d_(002)<0.3380 nm(G>0.70)、R_(2)<0.50;煤系石墨二号,0.3380 nm≤d_(002)<0.3400 nm(G>0.50~0.70)、R_(2)值范围0.50~0.60;煤系石墨三号,0.3400 nm≤d_(002)<0.3440 nm(G>0~0.50),R_(2)值范围0.50~0.60。根据上述指标,建立了煤系石墨鉴定模板,主要煤系石墨矿山样品测试数据表明,该鉴定模版具有实用性和可操作性。

县域国土空间斜坡地质灾害敏感性评价研究

地质灾害敏感性评价对灾害预测具有重要作用,由于县域国土空间面积较小,斜坡地质灾害发育数量相对较少,导致敏感性评价模型不同而预测结果差异较大,难以真正有效的服务防灾救灾工作。本文以山西省五寨县为研究区,以高程、坡度、坡向、地势起伏度、地质构造、地层岩组、道路工程扰动、河流水系和植被覆盖为敏感性评价因子,综合运用GIS空间分析、相关性分析、确定性系数、支持向量机、随机森林等方法,将基于统计思想的确定性系数模型(CF)和基于机器学习的支持向量机模型(SVM)进行组合,构建CF-SVM组合模型,利用研究区93处斜坡地质灾害点,分别采用CF模型、SVM模型、随机森林模型(RF)和CF-SVM模型进行敏感性评价,并对4种模型的评价结果、模型精度、模型适用性进行了分析。结果表明:CF-SVM模型精度最高(AUC=0.828),所划分极高敏感区分布较SVM模型更合理,以较小面积分布较多灾害点,而低敏感区分布较CF模型更符合实际情况,以较大面积分布极少灾害点。其次是RF模型(AUC=0.823),再次是SVM模型(AUC=0.817),CF模型精度则相对较低(AUC=0.780)。CF-SVM模型融合了2种单模型的优势,消除了CF模型所划分低敏感区面积占比较小和SVM模型所划分极高敏感区面积占比过大的不合理性,是县域国土空间较CF模型、SVM模型和RF模型更具鲁棒性、精准性的斜坡地质灾害敏感性评价模型,为县域国土空间地质灾害敏感性评价、防灾减灾工作提供了技术参考。

基于CF与SVM的小样本斜坡地质灾害敏感性评价研究

地质灾害点数量是影响敏感性评价结果的重要因素之一,针对某一年份发育灾害点作为样本点时数量较少引起敏感性评价模型适用性不明的问题,以山西省西北部的五寨县为研究区,基于地形地貌、地质因素、人为动力因素和自然因素4个孕灾因素建立评价因子集,选择确定性系数(CF模型)和支持向量机(SVM模型)为单模型构建组合评价模型(CF-SVM模型),利用五寨县2017年53处斜坡地质灾害点,分别采用上述3种模型进行了敏感性评价,同时采用信息量(I模型)和SVM模型构建的组合模型(I-SVM模型)进行了对比。结果表明:1)CF模型、I模型、SVM模型、CF-SVM模型和I-SVM模型的AUC值分别为0.906、0.855、0.844、0.934和0.891,模型精度均较好。其中,CF-SVM模型分别较CF模型和SVM模型精度增益3.09%和10.66%,较I模型和I-SVM模型精度高9.24%和4.83%,是3种单模型和两种组合模型中评价精度最高和小样本情况下适用性更好的模型;2)CF-SVM模型评价研究区斜坡地质灾害低敏感区(45.09%)、中敏感区(30.98%)、高敏感区(15.43%)和极高敏感区(8.50%)的面积分别为:627.205、430.873、214.652和118.270 km^(2),所分布灾害点分别占总灾害点3.77%、13.21%、26.42%和56.60%,频率比分别为0.08、0.43、1.71和6.66;3)研究区斜坡地质灾害极高敏感区主要沿水系走向分布于西部黄土丘陵区和东南部土石山区,而低敏感区由高、中敏感区向外扩展呈全域分布。

湖南鲁塘矿区煤系石墨空间分布特征与深部找矿方向

湖南鲁塘矿区二叠系龙潭组煤系地层受岩浆热-构造变形等多因素影响,煤与煤系石墨在空间分布上出现明显的复杂性,为研究清楚矿区内煤系石墨空间分布特征及为深部找矿提供指导,对煤系石墨成矿特征、赋存情况和深部构造等内容进行了分析总结,认为煤系石墨平面上总体以绕岩体为主的石墨带、半石墨带和石墨化无烟煤-无烟煤带,因构造应力对煤演化的影响,导致石墨化无烟煤-无烟煤带也出现石墨化程度较好的煤系石墨;垂向上煤/石墨矿层间距、厚度变化较大。矿区东部发育的F1断层为犁状滑脱构造,形成了位于滑脱面上下的“二层楼式”煤/石墨矿层,深部煤系石墨发育较好,石墨化度达到87.2%~93.0%,具有良好的煤系石墨成矿潜力,为今后深部找矿指明了方向。

基于Arduino的智能温湿度控制系统

针对传统温度检测控制装置检测效率不高、精确度不够、稳定性较差、功能单一、可操作性较差和易受外界因素干扰等问题,设计了一种以Arduino为核心的智能温湿度控制系统。该系统兼具温湿度传感器、 OLED显示器、测量压强模块、报警器和火情检测器,同时加入了键盘输入模块,能够更好地实现人机联动,使其具有智能监测温度功能。经模拟实验证明,该系统可操作性强,整体结构简单明了,兼具老式测温仪的优势并且测量数据更加精准,分块化功能更加可靠稳定,具有广泛的应用价值。

原子荧光光度计测定土壤及水系沉积物样品中的砷

原子荧光光度计作为测定土壤及水系沉积物重金属含量的一项科学手段,近年来得到了化学界的广泛关注与认可。本文从试验的角度出发,利用原子荧光光度计分别测定土壤和水系沉积物的砷,并针对样品的个体化特点,展开测定结果分析与讨论。实验证明,利用原子荧光光度计不但能够测定土壤样品中的砷含量,还能有效测定水系沉积物样品中的砷含量,其应用具有一定的普遍性与高效性。

神南矿区“110工法”采空区覆岩稳定性研究

以神南矿区为工程背景,采用岩体微观室内实验、现场监测、物理模拟实验(DIC监测、应变监测)和FLAC3D数值模拟方法,分析了矿区主要岩层岩体结构特征,获得了“110工法”(一种新型的无煤柱开采技术)开采工艺下采空区上覆岩体位移场和应力场的演变规律。研究结果表明:神南矿区岩体节理裂隙发育程度较高,岩体质量等级较差;110工法利用岩体的碎胀效应和高恒阻能量吸收锚索补偿力学支护特性,在千米级埋深的煤层开采中仍具有良好的沿空留巷效果;110工法下的采空区位移沉降从大到小依次为中部区域、切线侧区域、非切线侧区域。110工法的切顶卸压和高恒阻能量吸收锚索的联合开采技术,可为其他地下空间中大变形软弱围岩的稳定性研究提供科学依据。

基于FTIR与烷烃气碳同位素特征的中阶煤结构演化研究

煤变质作用过程存在多次阶跃点,并发生以热降解-热裂解作用为主形成烷烃气。为探究中阶煤结构演化特征,以西山煤田中阶煤为研究对象,采用傅里叶红外光谱测试分析方法对中阶煤化学结构演化特征及其与烷烃气碳同位素关系进行了研究。结果表明,煤层气碳同位素值位于-57.20‰~-31.41‰之间,乙烷与甲烷碳同位素值相比变化相对较弱。样品中羟基以自缔合氢键为主,芳香烃结构以苯环三取代为主,芳碳率在演化中变化较弱,芳环缩合度则出现增大—减小—增大的变化趋势,脂肪烃以亚甲基含量为主,支链化程度参数在演化中出现减小—急增—减小的阶段性变化。结合甲烷碳同位素特征分析认为,中阶煤阶段结构演化可划分为五个阶段,第一阶段(0.65%<Ro<1.10%)以热解作用为主导,δ13C1呈微弱减小的趋势;第二阶段(1.10%<Ro<1.30%)以热解与缩聚的叠合为主,δ13C1值开始变重;第三阶段(1.30%<Ro<1.50%)由煤的热解逐渐进入以缩聚作用为主,烷烃气大量生成,δ13C1值变重趋势减弱;第四阶段(1.50%<Ro<1.80%)以缩聚作用为主,第五阶段(1.80%<Ro<2.0%)则由芳环的缩聚为叠合阶段做准备,δ13C1值的减小或与纳米孔隙结构变化对甲烷吸附的差异有关。中阶煤化学结构演化和碳同位素变化关系的研究对指导煤层气勘探开发和煤炭资源清洁利用具有重要意义。

基于OBE理念的地下水动力学课程教学改革研究

根据新工科背景下应用型人才培养定位与能源类应用型本科高校培养目标要求,针对地下水动力学课程在传统教学过程中存在的教学内容过于理论化、学生被动接受知识、缺乏互动及教学成果不佳等问题,基于OBE教育理念,结合课程特点,从教学目标、教学内容、教学模式、教学手段和评价体系等方面进行地下水动力学课程的教学改革研究与实践路径探索,以期提高教学质量,培养满足企业需要的技术人才,为应用型高校地下水科学与工程专业课程的基础教学探索新模式。

霍林河低阶煤分子结构模型构建

分子模拟能够从分子层面探究煤的分子结构特征,对煤炭进一步加工利用和高效转化具有重要意义。选取霍林河低阶煤(HLH)样为研究对象,采用工业分析元素分析、FTIR和13C固体核磁共振光谱等分析技术,获得霍林河低阶煤的结构参数信息。结果表明,HLH煤的桥周比为0.258,芳香度为39.61%,芳香环取代基数量主要为4。芳香结构主要是苯、萘和菲,脂肪碳结构以环状为主。依据分析结果构建出煤的分子式为C194H150O40N2,分子量为3149.25。煤的大分子结构中芳香结构单元包括1个苯环,2个萘,3个菲。氮原子包括1个吡啶,1个吡咯。通过模拟软件构建了煤分子结构模型并对分子结构模型进行优化,优化后的模型能量显著降低,结构更加稳定。

构造物理化学条件对煤变质作用的控制

煤是对温度和压力等地质因素十分敏感的有机岩,各种构造-热事件控制下的物理化学条件,是促进煤岩演化的根本动力。本文对煤变质作用过程的研究现状进行了综述,着重讨论了煤岩在高煤阶-石墨演化阶段的控制因素、演化过程和演化机制。煤变质作用包括煤化作用阶段和石墨化作用阶段,共同构成一个连续的有机质演化过程,总体趋势是分子结构有序化、化学成分单一化,最终演变为以碳元素为主、三维有序结构的石墨。温度和压力(应力)是控制煤变质作用两大因素,在不同的演化阶段,这两大因素所起的作用和演变机理都有所差异。在低、中煤阶演化阶段,温度是煤化学结构演化的主要控制因素,为化学键断裂提供活化能,应力缩聚和应力降解则对煤化学结构演化具有催化作用。高煤阶-石墨化阶段的主要机制是导致基本结构单元BSUs之间相互联结使短程有序化范围增大的拼叠作用,构造应力在其中起到关键作用,BSUs定向和面网间距不断减小,促进大分子物理结构演化。加强煤变质作用的高级阶段-石墨演化过程的研究,将丰富和深化对煤-石墨物理化学结构完整演化序列的认识。煤系石墨成矿机制的高温高压模拟实验,则为煤变质作用构造物理化学条件研究提供了可行的技术手段。

酸化预处理对焦煤可溶有机质组成和结构的影响

为了探究酸化预处理对煤的可抽提物组成及大分子结构的影响,采用HCl、HF对山西古交焦煤进行酸化脱矿物处理,并选取不同浓度的四氢呋喃(THF)对原煤(RC)及酸化煤(DC)进行溶剂抽提实验,借助色谱-质谱(GC-MS)、傅里叶红外光谱(FTIR)等现代技术手段,对比分析了原煤、酸化煤的抽提物组成及抽余物的主要官能团和结构参数的差异。研究表明:随着溶剂浓度的增加,原煤和酸化煤的抽提率都有增大的趋势,酸化后,煤中矿物质显著减少,溶剂可渗性增大,抽提率明显增大,但酸化预处理对高浓度THF抽提率的增加效应不明显,原因在于高浓度THF溶剂已经能较大限度地抽提出焦煤中的可溶离组分,酸化预处理对可溶离组分的促进作用相对较弱,所以随着溶剂浓度的增高,原煤及酸化煤的抽提率差异呈现减小的趋势;酸化预处理后,煤样的富氢程度参数(I_(1))值明显减小,比原煤小了0.61,随着THF浓度的增高,原煤的I_(1)值先减小后增大,而酸化煤的I_(1)值先增大再减小,二者呈现完全相反的趋势;芳构化程度参数(I_(2))和富氧程度参数(I_(3))明显增大,其中I_(2)值是原煤的2倍,I_(3)值为11.82,几乎是原煤的3倍,且原煤经不同浓度THF抽提后,含氧指数I_(3)值表现出先增大后减小的特征,酸化煤表现出减小的特征;脂肪结构参数(I_(4))明显减小,仅为原煤的8%,其抽余物的I_(4)值均远远低于原煤抽余物;酸化煤抽提物中杂原子化合物的相对含量极大减少,降低幅度范围为83.14%~89.64%,脂肪烃相对含量显著增大,是原煤抽提物中脂肪烃含量的5~26倍,主要包括二十烷、二十二烷、二十三烷等直链烃,其中C_(19)—C_(23)占抽提物总成分的79.17%;芳香类物质未见于抽提物中,原煤中也仅见于100%THF抽提物中,相对含量变化不大。研究认为,酸化预处理对煤中的脂肪结构和含氧化合物影响较大,对芳香结构的影响相对较小。

采空区冒落带内破碎岩体的渗流特征与渗透性试验研究

为探索采空区冒落带内破碎岩体中地下水的渗流特征,建立采空区冒落带内破碎岩体渗透系数与空隙率的相关关系,确定采空区冒落带内破碎岩体的渗透系数值,并基于采空区冒落带内破碎岩体的空隙分布特征与大孔隙非均质多孔介质的水流特征,设计了一套一维渗流柱,采用常水头稳态渗透法对采空区冒落带内破碎岩体的渗透性能以及不同空隙率破碎岩体的渗透系数进行了研究。结果表明:采空区冒落带内破碎岩体中地下水流呈高速非线性渗流特征,地下水流特征明显受渗透介质空隙率与粒径分布的影响;采空区冒落带内破碎岩体的渗透性能总体上随空隙率的增加而增强,其渗透性能分为缓增区和激增区两段;采空区冒落带内破碎岩体不同区域的渗透系数差别较大,采空区中部的重新压实区破碎岩体的渗透系数明显低于两侧的裂隙发育区岩体,说明采动破坏对岩石渗透性的影响很大。

基于SVM的地下采煤区沉陷灾害发育敏感性分区研究

地下采煤区沉陷灾害发育重点区预测目前尚无固定程式,且敏感区预测结果存在不确定性较大的问题。以山西省太原市西山地区沉陷灾害为研究对象,分别以2012年和2014年核查编录的沉陷灾害数据为建模数据和验证数据,以高程、坡度、坡向、地势起伏度、地面曲率、地层岩组、地质构造为敏感性评价因子,综合运用GIS空间分析、统计分析和支持向量机(SVM)等方法,构建了4种核函数SVM沉陷灾害敏感性分区预测模型,分别从模型的评价因子权重、模型优选、敏感性分区预测结果、预测精度和模型适用性进行了分析。结果表明:多项式核函数SVM模型(PL-SVM)的训练精度(受试者特征曲线下面积AUC=0.854)与验证精度(AUC=0.755)均较高,模型预测能力良好,是4种模型中表现最好的模型,所划分敏感性分区结果合理,极高与高敏感区以较小面积分布较多沉陷灾害点,而低敏感区则以较大面积分布极少沉陷灾害点。PL-SVM模型预测的太原西山地区沉陷灾害发育极高、高、中和低敏感区的面积占比分别为:20.19%、17.43%、21.18%、41.20%,频率比值与敏感性等级之间呈良好的正相关,符合线性函数关系。PL-SVM模型敏感性评价结果可靠,适用性好,对地下采煤区沉陷灾害发育特征研究及灾害普查重点区预判具有参考意义。

热解过程中油页岩孔隙率变化规律

为预测原位热解工艺带来的水文地质环境变化,通过控制热解温度和时间的方法研究了不同热解程度油页岩的孔隙率变化规律。从油母质热解造成油页岩孔隙率变化的机理出发,结合油页岩的热解反应速率方程,建立了热解过程中油页岩的孔隙率变化定量模型,并将理论值与实验值进行了对比验证。结果表明:该模型计算结果与实验数据吻合良好,误差较小。可见该孔隙率定量模型能够较准确地计算热解过程中油页岩的孔隙率。