基于机器学习的煤与瓦斯突出预测研究进展及展望

我国煤矿安全生产形势不断好转,但煤与瓦斯突出事故仍时有发生。煤与瓦斯突出预测不仅能指导防突措施科学的运用、减少防突措施工程量,在一定程度上也可以确保煤矿工人的作业安全。机器学习(Machine Learning, ML)是一门涉及概率论、统计学和计算机学等领域的交叉学科,可以挖掘突出事故和指标间的非线性关系。将机器学习用于煤与瓦斯突出预测,已得到相对广泛的关注,并随着人工智能和计算机技术的快速进步,其在突出预测领域将发挥更大作用。因此,对机器学习在煤与瓦斯突出预测中的研究进行了全面的综述,分析其在突出预测中面临的难点并展望其发展方向。首先,简述煤与瓦斯突出假说、发生机理与预测指标选择的研究现状;介绍机器学习在煤与瓦斯突出预测领域的主要研究进展,包括支持向量机(Support Vector Machines,SVM)、人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)、极限学习机(Extreme Learning Machines,ELM)和集成学习(Ensemble Learning, EL)等算法的应用,以及特征选择和缺失数据填补在数据处理等方面的创新,同时也指出了目前基于机器学习的突出预测研究面临的挑战及存在的问题,例如事故与非事故样本的不平衡、数据的指标缺失和机器学习中的小样本等;最后,展望了基于机器学习的煤与瓦斯突出预测的未来发展方向,包括改进算法性能、优化特征工程和增加样本量等。随着计算机性能的提升,有望开发出更为复杂、精准的模型,以提高对突出事故的准确预测能力。

淮南矿区煤层顶板分段压裂水平井抽采技术及效果研究

淮南矿区为典型高瓦斯矿区,煤层碎软、渗透率低、瓦斯含量偏高、抽采难度大,为探讨地面煤层气顶板分段压裂水平井在矿区的技术可行性与瓦斯治理效果,在分析矿区主要煤层13-1煤储层特征基础上,采用应力解除法进行了煤层三向地应力测试,结果显示三向应力场类型主要为σ_(h,max)>σ_(v)>σ_(h,min),具有实施顶板分段压裂水平井技术的充分条件;利用MFrac Suite软件分别模拟了水平段距离煤层1、3、5 m时的压裂缝参数,压裂缝半长最大107.33 m、最小89.47 m,具有理想的压裂效果,说明顶板分段压裂水平井在淮南矿区具有比较好的地质适应性与可行性。以潘一煤矿13-1煤层“L”型顶板分段压裂水平井CBM01井为研究对象,采用井下钻孔检测与数值模拟等手段综合分析了瓦斯治理效果,结果显示CBM01井抽采415 d即显著降低了煤层瓦斯压力与瓦斯含量,距离水平井50、65 m处瓦斯压力由6.4 MPa分别降至2.6、2.7 MPa,降低幅度均超过55%,水平段两侧各15~20 m范围内瓦斯含量由13.5 m^(3)/t降至最大9.11 m^(3)/t、最小6.92 m^(3)/t,平均7.92 m^(3)/t,约10 m范围均降至8 m^(3)/t以下。最后,采用数值模拟方法预测了CBM01井抽采10 a的产气效果及瓦斯治理效果,气井抽采10 a累计产气约272.08×10^(4)m^(3),水平段倾向单侧约150 m范围内气含量均降至8 m^(3)/t以下、压力均降至3 MPa以下。综合研究结果表明,煤层顶板分段压裂水平井技术在淮南矿区瓦斯治理方面均具有较大的优势和应用效果。

多工况输气管道泄漏声波信号自适应去噪

为实现极低信噪比下管道泄漏声波信号去噪,基于多通道信号的相关性,提出使用相关系数矩阵筛选变分模态分解所得模态分量。针对不同工况的泄漏信号,提出不依赖真值的去噪质量评价指标,将其作为多目标灰狼优化算法目标函数,基于Pareto前沿获取变分模态分解的最佳模态数K和惩罚因子η,实现多工况自适应去噪。搭建了输气管道泄漏多工况实验平台,在不同工况、不同输入信号信噪比(-8~4 dB)下验证所提方法的去噪效果。结果表明,该方法能有效抑制噪声,-8 dB时去噪信号信噪比提升2.84 dB以上。对比基于单目标优化的去噪方法,-8 dB下新方法的信噪比和相关系数分别提高了3.65 dB和31.26%。

不同剪切端面和围压下损伤煤体孔渗特性实验研究

煤体损伤是影响渗透率变化和瓦斯流动的重要因素;采用多剪切端面损伤渗流测试系统和核磁共振仪,分析了不同剪切端面和围压下损伤煤体孔渗特性变化规律。结果表明:损伤煤体内中大孔增多,吸附空间向渗流空间转化,孔隙间连通性变好;50%剪切端面情况下,渗流空间(驰豫时间T_(2)>10 ms)平均面积百分比由9.89%增大为14.94%;剪切应力作用下,煤体轴向变形量不断增大,50%剪切端面比30%剪切端面导致的轴向变形量大,而围压值越大,轴向变形量越小;随着剪切应力的增大,煤体渗透率先降低后缓慢增加,当应力达到煤体强度阈值时,损伤煤体渗透率以指数形式增大,50%剪切端面对应的渗透率值普遍比30%剪切端面的大,前者是后者的7倍左右。

低渗煤中氮气与二氧化碳气体吸附的表征模型

地质领域常以等温吸附试验为研究方法,探究煤中气体之间的吸附行为。以刘庄矿13煤为研究对象,开展了N_(2)、CO_(2)气体吸附实验,在综合分析拟合回归系数平方R^(2)、模型计算值与实验值的残差平方和v与相对误差s的基础上,选出低渗煤中气体吸附的最佳吸附模型。结果表明:对于低渗煤中N_(2)吸附的模型拟合精度由高到低为:优化L模型>优化D-A模型>优化D-R模型>D-A模型>L模型>D-R模型>F模型;对于低渗煤中CO_(2)吸附的模型拟合精度由高到低为:优化L模型>优化D-A模型=优化D-R模型>D-A模型>L模型>D-R模型>F模型。实验结果可作为低渗煤层中气体吸附及CO_(2)封存提供地质依据。

低轨卫星L频段中继通信载荷技术研究

针对深远海和陆基间高速率实时数据通信需求,完成了一种应用于低轨卫星的高集成度、低成本、低功耗L频段中继通信载荷的设计和实现。该中继通信载荷将通信天线、射频前端、信号处理单元、电源变换单元和接口单元等集成化设计。接收前端采用有源相控阵天线设计,发射前端设计了GaN功率放大器以提高接收单元G/T值和发射单元等效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)。信号处理单元集成了零中频接收结构和直接射频调制结构,可完成反向链路8Mb/s载荷数据接收解调及前向链路数据处理转发的功能。载荷单机和装星后的环境模拟测试以及星地通信回路模拟测试结果表明,装星载荷可实现L频段卫星通信。整机质量为12.87 kg,在工作温度-25℃~+55℃范围内,发射端功率放大器输出大于30 W时,最大功耗为91.2 W(3.04 A/30 V)。

基于改进MFO优化空间谱的埋地管道泄漏定位

现有管道泄漏声波定位法仅能提供泄漏所在区域。为实现区域内地下泄漏源的精确定位,基于地面均匀圆形阵列(uniform circular array, UCA),提出选择性反向学习飞蛾火焰优化(selective ppposition based moth-flame optimization, SOMFO)结合双波谱的埋地管道泄漏定位方法。针对土壤P1波和S波共存且波速不明确等问题,构造地面UCA的双波谱函数,以其最大输出为优化目标,使用SOMFO寻优双波速度及泄漏源三维坐标共5个参数,并设计了多孔泄漏定位策略。搭建了埋地管道泄漏试验装置,通过互谱解卷绕相位的直线特性验证了P1波和S波的存在。试验结果表明,基于SOMFO优化双波谱的定位方法可准确估计波速及三维坐标,定位误差最大为0.066 m。此外,研究了多孔泄漏及寻优算法对定位精度的影响。与现有两种精确定位方法相比,新方法对单孔泄漏的定位精度分别提升9.68%和24.32%,多孔泄漏分别提升49.17%和61.15%。

基于低温液氮浸溶处理的淮南矿区松软中阶煤孔隙特征

为了研究低温液氮浸溶处理对淮南矿区中阶煤孔隙结构及其分形特征影响,采用不同液氮浸溶时间处理煤样,通过压汞法和液氮吸附法对煤体的孔隙结构加以测定,结合分形理论从多角度分析不同浸溶时间下煤体孔隙的发育规律及其尺度特征。结果表明:随着液氮浸溶时间的增加,煤体总孔容由198.089×10^(-3) cm^(3)/g上升至371.553×10^(-3) cm^(3)/g,总比表面积则由4.984m^(2)/g下降至4.496 m^(2)/g,效果显著;煤体吸附孔减小,渗流孔增加,吸附孔的孔隙连通性增加形成更大级别的孔隙,逐渐向渗流孔转变;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数与液氮浸溶时间呈现负线性相关,液氮浸溶对于渗流孔分形维数比对吸附孔分形维数的影响程度更为显著;渗流孔分形维数和吸附孔分形维数随着液氮浸溶时间的增大逐渐降低,表明了煤体内部孔隙随着液氮浸溶时间的增大结构复杂程度降低,孔隙之间的贯通性增强,煤体孔隙度和渗透性的增加;综合分形维数随着煤体平均孔径和总孔体积的增加而减小,随着总比表面积的增加而增加,随着液氮浸溶时间的增加,煤体综合分形维数下降,煤体的吸附能力有所减弱,渗流能力有所增强,有助于提升淮南矿区低渗煤层煤层气抽采效果。

OBD-1(黑色)可逆热致变色微胶囊制备及其在防伪领域的应用

当今社会,假冒伪劣产品泛滥,给社会经济带来严重的负面影响。旨在研发一种灵敏度高、温变区间小、耐酸耐碱的OBD-1(黑色)可逆热致变色微胶囊,并将其应用在温变防伪涂料。选取黑色发色剂OBD-1、双酚A、十六醇为芯材料,脲醛树脂为壁材料,通过原位聚合法制备微胶囊。利用显微镜观察微胶囊的外部形貌,通过激光粒径测定仪对微胶囊粒径及粒径分布范围进行了测定,考察了微胶囊制备时的不同的制备条件对微胶囊粒径大小和样品性能的影响,并得到最佳制备比例。

高精度位场边界识别方法及在煤矿火烧区边界解释的应用

场源边界识别是位场数据解释必不可少的任务,早先人们使用数据的分布特征来获取场源的边界信息,难以在较强的背景异常条件下识别弱异常,为此使用基于一定窗口尺寸的自动控制滤波器来识别场源的分布,然而这种方法的结果对于窗口尺寸有较大的依赖,且对于复杂异常难以良好应用。近几年,人们主要采用位场数据导数的特征点反映场源边界信息的特征,然后利用成像结果与边界的对应关系来识别场源体的水平边界。其中,磁异常水平导数的极值、垂直导数的零值与地质体边界相对应,现有边界识别方法主要采用一阶水平和垂直导数的比值所组成的均衡边界识别滤波器来完成地质体位置的圈定,但方法分辨率和泛用性较低。基于此,提出将基于不同阶导数比值的边界检测滤波器与多尺度无监督深度学习相结合,利用不同阶导数比值来获得更高分辨率的边缘成像结果,同时建立Deep Image Prior(DIP)与Generative Adversarial Network-None Local(GAN-NL)网络相结合的多尺度无监督深度学习,根据边缘成像结果的极值来获取源水平位置。利用多尺度DIP网络来识别源位置,在DIP网络中加入自注意机制神经网络增强其学习能力,可以在不需要大量数据标签的情况下去除噪声,利用GAN-NL网络对极值点进行分类,给出极值点的位置信息。与其他边缘检测滤波器比较的结果表明:所开发的边界识别方法具有更高的分辨能力,其能够更精确、更清晰地显示场源的边缘,相对常规方法精度提升15%左右。多尺度无监督深度学习可以根据边缘成像结果自动给出源边缘,且结果与真实边缘一致,具有良好的泛用性。通常情况下,煤层与围岩之间不存在明显的磁性差异。而煤层自燃时,高温使煤层顶板地层中的黄铁矿、菱铁矿等结核体受热变质,形成含铁磁性矿物的烧成岩。温度降低后,保留了强烈的热剩余物,磁化强度比燃烧前高几十倍,因此煤矿燃烧区存在明显的磁异常。这一特性为利用磁测法圈定燃烧区域边界提供了物理前提。针对山东某矿煤田燃烧区开展磁法勘探来查明其分布,将所开发的边界识别方法用于获取火烧区的分布范围,后期打钻验证结果准确率85%。

大体积肾癌经腹入路与经后腹腔入路腹腔镜根治性切除术的效果比较

目的:比较经腹入路与经后腹腔入路腹腔镜手术在大体积肾癌中的效果。方法:选取大体积肾癌病人60例,分为经腹腔入路手术组(经腹腔组)和经后腹腔入路手术组(经后腹腔组),比较2组病人临床指标及术后并发症发生率。结果:经腹腔组的手术时间、术后通气时间、术后住院时间均短于经后腹腔组,术后24 h疼痛评分低于经后腹腔组,但出血量高于经后腹腔组,差异均有统计学意义(P<0.05~P<0.01),2组术后并发症差异无统计学意义(P>0.05)。结论:2种手术方式在治疗大体积肾癌中均安全、有效。但经腹入路的的手术时间更短,术后更早通气,恢复更快,值得选择。

东昆仑八宝山盆地上三叠统页岩气成藏地质条件分析

为探讨八宝山盆地上三叠统页岩气的成藏潜力,通过野外地质剖面测量、二维地震、调查井施工、录井、解析、样品采集及分析测试等工作,对研究区八宝山组的形成背景、泥页岩规模、生烃条件(TOC、Ro、有机质类型)、储集条件(矿物特征、储集空间、孔结构参数)、含气性、埋藏史和热演化史等进行研究。结果表明:①东昆仑八宝山盆地三叠纪以来经历了基底形成、断陷演化及隆升改造三个演化阶段,昆中、昆南断裂控制盆地沉积格局,在晚三叠世断陷期沉积滨浅湖、半深湖—深湖相的泥页岩夹砂岩、粉砂岩,受沉积相控制,自山前向盆地内泥页岩厚度逐渐增大,大部分地段累积厚度超过300 m,有效厚度在16.24~79.63 m之间,为八宝山组页岩气聚集成藏提供了物质基础;②井内714件样品的TOC含量分布在0.01%~49.14%,有机质类型以Ⅲ型为主,Ro在2.37%~3.45%,泥页岩有机质含量、热演化程度高,有机质类型好,生气条件优越;③八宝山组上段石英、黏土矿物含量平均为40.83%、46.06%;八宝山组下段石英、黏土矿物含量平均为39.62%、47.08%,与Barnett页岩、Marcellus页岩及四川盆地海相富有机质泥页岩相比,脆性矿物含量略低,黏土矿物含量稍高。八宝山组上、下段含气量平均为4.19 m^(3)/t、5.44 m^(3)/t,泥页岩中发育大量微裂缝、溶蚀孔隙、裂缝孔隙、粒间孔隙、有机质孔隙等,其比表面积、孔体积、孔径平均值分别为6.9403 m^②/g、0.0116 cm^(3)/g、8.5138 nm,有利于页岩气富集和吸附;④埋藏史、生烃史结果显示:八宝山盆地具有早期浅埋、中期深埋、晚期抬升的特点,上覆侏罗系羊曲组的硅质砾岩、碎屑岩及新生代沉积地层广泛分布,作为区域性盖层对页岩气藏起到了很好地封盖作用,综合研究认为八宝山盆地页岩气资源远景广阔。

青藏高原黑海盆地天然气水合物成藏要素及前景预测

为了搞清青藏高原多年冻土区黑海盆地天然气水合物成藏条件及其资源前景,通过实地勘查、样品采集及测试和资料二次开发等方式,开展了物源探究、地温统计、水源追索、冻土和储集运移条件的调查等工作。研究结果表明:1)物源充足,希里可特组烃源岩具有较高的有机质丰度和成熟度,Ⅲ型有机质类型是主要物源,八宝山组烃源岩提供次要物源;2)地温适宜,平均温度为-5~1℃;3)地下水水源较充足,补给源主要是大气水和冰雪融水;4)冻土发育,冻土厚度为10~250 m;5)储集运移条件良好,希里可特组、八宝山组和第四系中的砂岩层,各岩层中发育的裂缝、孔隙以及次级高角度断裂是天然气水合物储集、运移的空间和通道;6)天然气水合物成藏前景较好,在黑海盆地优选出成藏远景区1处。以上成果认识,对整个东昆仑乃至青藏高原地区天然气水合物远景区预测具有指导意义。

基于CFD-DEM耦合的埋地输气管道泄漏声场分析

埋地输气管道泄漏声场产生机理和特性尚不明确,制约着管道泄漏声波检测技术的发展。使用计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)与离散元(discrete element method,DEM)耦合方法分析管道泄漏的气固作用,结合宽频噪声源模型和阵列成像技术进行泄漏声场分析和测试。数值模拟结果表明,泄漏高速喷流冲击土壤致使泄漏孔外部形成空洞,并在泄漏孔和空洞内产生四极子声源。土壤阻隔导致流体速度和湍流动能减小,能量由流体传递至土壤颗粒,土壤颗粒运动速度达到了10 m/s。1 MPa管道内压下,泄漏喷流的最大流速超过1000 m/s,由此产生的气动噪声声压级达到了180 dB。相较于其他方向,泄漏孔向上时空洞更大,流场和声场能量更强。声场成像结果证明泄漏孔与声源重合,基于地面阵列的泄漏检测具有可行性。

埋地管道泄漏三维坐标-波速联合估计方法

为实现埋地输气管道泄漏精确定位,使用加速度传感器在土表检测泄漏振动声波,并提出基于非均匀L形阵列的泄漏源三维坐标和波速联合估计方法。大孔径非均匀L形阵列内嵌小孔径L子阵,由小孔径子阵结合Root-MUSIC算法求解远场信源DOA与波速的约束关系,再利用大孔径L阵进行波速和近场信源距离的二维空间谱估计,最后根据估计结果计算三维坐标从而降低计算量。定位实验结果验证了L形阵列性能的优越性,基于L形阵列的联合估计法能够估计不同土壤条件下的泄漏振动声波传播速度,并得出泄漏源的三维坐标。相较于使用理论波速的定位方法,联合估计法定位误差降低了90.9%,避免了理论波速误差对定位的不利影响。联合估计法的计算耗时比直接三维空间谱估计降低了88%,且定位精度保持不变。根据远/近场判据计算出信源范围rmin~rmax,实验验证该范围内可实现精确定位。

煤矿井下空气质量革命技术现状与展望

我国煤矿安全高效开采技术处于世界领先水平,但以粉尘为主的毒害物质、高温、高湿、噪声等多种职业危害因素诱发的职业疾病长期困扰煤矿从业人员,目前职业病危害已超过安全事故对职工的伤害,严重制约行业未来发展。提出了井下空气质量革命理念,全面总结了井下控降尘技术(包括煤层注水减尘技术、喷雾降尘技术、通风排尘技术、化学试剂抑尘技术、井下空气质量革命控降尘体系)、燃油车辆尾气治理、井下空气质量监测预警系统的现状。为进一步推进井下空气质量革命理论与技术突破,立足于“分源-分区-分级-分策”的粉尘高效治理理念,寻求建立多源多相多场粉尘协同降尘与综合治理的理论体系;指明了采掘区域粉尘高效智能防控技术及装备、矿井粉尘环境多参量同步智能监测技术及装备等关键技术装备的发展方向;指出必须充分融合理工医管学科建立煤矿粉尘防控多主体协同体系,为井下空气质量革命由目前的起步阶段向中高级阶段发展奠定理论与技术基础,分步实现煤矿从业人员生命全周期职业健康的目标,最终做到煤矿职业病少发病或零发病,助力健康中国战略。

基于集成学习方法的冲击地压危险性预测研究

为了进一步提高冲击地压危险性预测的准确性,利用集成学习方法对冲击地压发生的主要因素指标进行了分析,分别采用集成学习方法中7种分类预测模型对冲击地压危险性进行了预测,实验结果表明,7种模型均具有一定的可靠性,将模型的准确度和海明损失作为评价指标,得出XGBoost算法具有较高的预测性能,可以相对有效地对冲击地压的危险性进行预测。最后,利用SHAP值对XGBoost模型进一步解释,冲击地压危险性受弹性能指数的影响最大。

柴达木盆地盐湖黏土中锂、铷、铯超常富集及其开发潜力

1研究目的(Objective)柴达木盆地是中国最大的盐类沉积盆地,蕴藏着丰富的钾、钠、镁、锂、硼、溴、碘等盐类矿产。前人针对第四纪现代盐湖矿床、碎屑孔隙卤水矿床、古近纪—新近纪盐类矿床开展了大量的勘查和研究工作,为建设世界级盐湖产业基地打下了良好的基础。

基于UKF的柔性直流输电系统故障电流抑制方法

基于柔直系统暂态过程的数学模型,利用无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter)对故障情况下MMC交流侧输出电流进行追踪,将故障电流分为稳态最大电流与不可控电流,通过在电流参考轴上对不可控电流分量进行消除,从而达到抑制故障电流的目的。最后,通过软件平台搭建仿真模型,验证了所提出方法的有效性。

低渗煤中N_(2)吸附模型适用性分析

以中国两淮煤田低渗含煤区刘庄矿13煤和祁东矿7煤为研究对象,开展了N_(2)等温吸附试验。以回归系数平方、标准差和相对误差三种指标综合分析了Langmuir模型(简称L模型)、Toth模型(简称T模型)、Dubinin-Astakhov(简称D-A模型)、Dubinin-Radushkevich模型(简称D-R模型)、Optimize Langmuir模型(简称优化L模型)、Optimize Toth模型(简称优化T模型)、Optimize Dubinin-Astakhov模型(简称优化D-A模型)、Optimize Dubinin-Radushkevich模型(简称优化D-R模型),共8种模型对低渗煤中N_(2)吸附曲线的适用性。结果表明:两组煤样中N_(2)吸附都符合经典IUPAC等温吸附分类标准中的第Ⅰ型等温吸附曲线;8种模型对低渗煤中N_(2)吸附的拟合精度由高到低依次为优化T模型>T模型>优化L模型>优化D-A模型>优化D-R模型>D-A模型>L模型>D-R模型。