基于煤岩煤质多元指标的BP神经网络焦油产率预测方法研究

【目的】焦油产率是煤低温干馏利用最重要的煤质参数,决定着富油煤的清洁利用方向。但由于多方面的原因,在煤炭地质勘查阶段对煤焦油产率的测试数据十分有限,极大地制约了富油煤的精细评价和高效利用。【方法】为了提高富油煤精细评价的科学性和准确性,以陕北侏罗纪煤田以往测试1073组煤岩煤质数据为基础,并筛选出显微组分、工业分析、元素分析、灰成分分析等20项煤岩煤质参数齐全的141组数据,利用BP神经网络算法分别建立了20项煤岩煤质指标的焦油产率预测模型和以4项工业分析为基础的焦油产率预测模型,并对预测模型的准确性和合理性进行分析评价。【结果和结论】结果表明:以20项煤岩煤质指标为特征建立的预测模型最终训练均方误差为0.30,测试集数据预测结果平均绝对误差为0.65;以4项工业分析指标为特征建立的预测模型最终训练均方误差为1.07,测试集数据预测结果平均绝对误差为1.35;扩展集数据在两个模型中预测结果平均绝对误差分别为0.84和1.34,显示出20项煤岩煤质指标比4项工业分析煤质指标建立的预测模型具有更高的拟合优度和泛化性能。利用SHAP算法进一步对预测模型中20项煤岩煤质指标的重要性进行量化分析,显示出镜质组、氢元素、三氧化二铁、水分、挥发分、碳元素、壳质组、氧元素含量是焦油产率的正向影响因素,三氧化二铝、惰质组、固定碳、灰分、二氧化硅含量是焦油产率的负向影响因素,模型中煤岩煤质与焦油产率之间的内在联系很好地契合了地质上对焦油产率影响因素的基本认识,该焦油产率预测模型可以很好地应用于陕北侏罗纪煤田的焦油产率预测,为陕北地区富油煤的清洁高效利用提供支撑。

陕北富油煤地下原位热解先导试验

【目的】陕北富油煤地下原位热解先导试验在国内外尚属首次,开创了富油煤、油页岩等原位转化新方向,引起了行业内外广泛关注。富油煤地下原位热解的研究尚处于起步阶段,缺少现场工程数据的系统研究。【方法】通过现场先导试验,明确富油煤地下原位热解的地质条件和工程难点,总结陕北富油煤地下原位热解开采进展,探讨下一步技术攻关方向。【结果和结论】结果表明:(1)先导试验区具有煤层稳定、煤质条件好、煤焦油产率高、生油潜力大、煤系富水性弱、隔水层厚度大等优越的原位热解地质条件,但煤层孔隙连通性差、导流能力低、煤层导热能力差、高效加热难度大、煤层改造难度大、体积造缝要求高等因素影响到工程效果。(2)开展综合地质评价有利于规避地层水、断层等不利因素对地下热解过程的影响,可控冲击波致裂技术有助于地下煤层裂缝连通,井下高效电加热器稳定运行是高效产油的关键。(3)经过一个月加热运行,成功提取出全球第一桶地下原位热解油,初步打通了富油煤地下原位热解开采技术路径,获取了产油的地下温度、压力等工艺参数。先导试验存在加热周期短、产油量低、耗能高,缺少项目运行的系统性技术评价,需从研发高效井下电加热器、地下煤层体积造缝、热解−气化一体化、热能综合利用及集成CCS等方面继续升级技术,实现降本增效,综合提高富油煤地下原位热解开采的经济性、安全性和可靠性。

陕北风沙滩地区采煤塌陷裂缝对包气带水分运移的影响:模型建立

陕北风沙滩地区高强度采煤对包气带水分运移产生影响。在区域调查的基础上,以榆树湾煤矿20108工作面开切眼附近裂缝为野外原位监测点,采用野外原位监测与室内数值模拟相结合的方法,建立采煤塌陷裂缝对包气带水分运移影响的水热耦合数学模型。利用野外原位监测数据对所建立的模型进行识别和验证,表明模型计算值与野外监测数据之间拟合较好,从而获取了相关的水热参数。利用此模型可定量回答裂缝对土壤水分运移的影响程度,揭示裂缝对土壤水分运移的影响机理,为陕北风沙滩地区保水采煤和生态恢复提供参考。

煤炭资源安全绿色高效开发模式研究——以陕北侏罗纪煤田为例

以陕北侏罗纪煤田为例,在定性分析该矿区煤炭资源安全绿色高效开发的优势、劣势、机遇和挑战的基础上,构建了煤炭资源安全绿色高效开发SWOT-AHP模型,定量分析了SWOT分组因素及其组内因素对该矿区煤炭资源安全绿色高效开发的相对重要程度,提出了适应该矿区内外部条件的煤炭资源安全绿色高效开发模式,即"在进一步巩固良好安全生产形势的基础上,以保水、保生态为前提,协调有序地开采中厚煤层煤炭资源,有效开发薄煤层煤炭资源,在清洁高效节水条件下加强煤炭资源就地转化与利用";同时提出了相关政策建议。

陕北高强度采煤对生态环境影响的研究进展

高强度采煤对生态环境影响显著。从高强度采煤对生态环境的影响、生态环境评价、生态补偿和生态恢复4个方面评述了陕北地区煤炭开采对生态环境影响的研究进展,可为陕北地区煤炭资源可持续开发与生态环境协调发展提供参考。

陕北煤炭资源回采率现状与对策研究

煤炭矿井回采率的高低,不仅关系到资源的节约利用,还关系到矿区环境保护问题。通过调查陕北9个生产矿井的煤炭资源回采率,发现其开采煤层均为中厚煤层和厚煤层,按照规定,矿井回采率最低应为75%,9个生产矿井全部没有达到75%的国家规定标准,其中矿井回采率最高的为68.7%,最低29.3%。分析原因,除客观条件(如煤层厚度)等因素外,生产单位珍惜资源的意识淡漠,监管缺位和管理制度缺陷都在很大程度上影响了回采率的提高。

陕北煤矿区地表水环境评价与水矿捆绑模式研究

为解决陕北煤矿区的经济发展与水环境关系问题,更好地保护矿区生态和环境。通过对陕北主要煤矿区地表水环境的实际监测和对历年水文数据分析,依据国家《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》和内梅罗水质指数法进行了地表水环境安全评价。结果表明:(1)陕北煤矿区的窟野河、窟野河人工湖、秃尾河、榆溪河、中营盘水库和红碱淖的水均为Ⅴ类水质;(2)陕北煤矿区地表水量呈减少趋势,尤其是煤炭工业发展以来地表水量减少速度加快。针对陕北煤矿区的水环境问题,提出了能解决经济发展与水环境关系的"水矿捆绑"发展模式,介绍了其具体实施流程,并对该模式的优势及不足之处进行了评价。

陕北侏罗纪煤田煤厚解释方法研究及应用效果

陕北侏罗纪煤田煤层厚度变化范围大(0～14m),而其调谐厚度为8m,故以往基于薄层理论的煤厚解释方法对其不完全适用。本次研究选用的九种参数的物理含义,并且通过楔型模型正演,得出不同参数适用于不同煤厚度变化范围,以便于对于不同地区有针对性地选用合适的参数来解释煤厚。文章还介绍了模型正演程序及反演程序的结构和流程,并介绍了其主要功能。最后用煤厚反演程序对大保当区实际资料进行了煤厚预测,其结果经钻孔验证,精度较高。

陕北侏罗纪煤田疏排水资源可持续利用研究

针对陕北能源化工基地水资源短缺、突水溃砂以及疏排水资源浪费问题并存,如何统筹兼顾,既充分利用地表水、地下水和矿区疏排水资源又规避矿井突水溃砂灾害,是研究区内水资源可持续利用面临的科学问题。本文以陕北侏罗纪煤田为示范研究区,在系统分析区内疏排水资源现状以及利用的可行性分析的基础上,将矿区疏排水资源纳入水资源优化配置中,构建了考虑疏排水资源的多水源优化配置模型,采用改进多目标粒子群算法进行模拟求解,科学合理分配极其短缺的水资源,以供管理者进行科学决策。

渭北煤田合阳县北中深部控煤构造样式分析

依据野外地表地质观测及地震、钻探最新的深部地质资料,结合对区域控煤构造认识,运用构造解析、构造应力场及地质力学分析等研究思路与方法,讨论了研究区控煤构造特征、构造样式以及成因。研究结果表明:研究区共有三类六种控煤构造样式,即挤压构造样式(宽缓褶皱、叠加褶皱)、走滑构造样式(反"S"型褶皱、"入"字型构造)及伸展构造样式(掀斜断块、堑垒构造),其中以伸展构造样式发育为主要特征;研究区由东南向西北,构造变形强度由强变弱,先后经历了印支期南北向挤压、燕山中期北西向挤压和喜马拉雅期北东向挤压-走滑与北西-南东向伸展断陷作用;晚期形成的正断层不仅破坏了煤层的连续性,而且成为奥灰水储集和运移的主要通道,增大了底板突水的可能性,使煤炭资源开发受到影响。

陕北生态脆弱矿区煤炭与地下水组合特征及保水开采

陕北侏罗纪煤田煤炭资源富集,正在建设陕北、神东2个大型煤炭基地,但矿区生态环境脆弱,区内唯一具有供水意义和重要生态价值的含水层位于煤层之上,研究揭示了区合理生态地下水位埋深为1.5～5.0 m,煤层开采的导水裂隙导致地下水位下降,表生生态退化,控制地下水位是生态脆弱矿区科学开采的核心。开采实践和室内模拟实验表明,当煤层上覆隔水岩组厚度≥33～35倍采高时,煤层开采不会导致地下水位下降;煤层上覆隔水岩组厚度≤18倍采高时,煤层开采会破坏隔水层,导致水位下降;18～35倍采高时,可采取"限制采高"等措施实现保水开采。以控制地下水位为目标,以采动隔水层稳定性分区为基础,以采煤方法规划为手段的开采方法是生态脆弱矿区煤炭资源科学开采的有效途径。

陕北典型风沙滩地区浅层地下水动态特征及对煤炭开采响应分析

以地下水长期监测数据为基础,综合分析榆林市榆阳区萨拉乌苏组潜水区域水位动态的时空发育特征,运用模糊聚类分析法将研究区的浅层地下水划分为3个动态类型:水位强烈波动区(Ⅰ类)、水位中等波动区(Ⅱ类)、水位弱波动区(Ⅲ类)。研究不同动态类型区水位变化规律以及主要影响因素,开展地下水位动态与煤炭开采量、大气降水量的相关性分析,认为:Ⅰ类区水位动态主要受大气降水影响,水位动态变化较大;Ⅱ类、Ⅲ类区水位动态受大气降和煤炭开采的综合影响,水位动态变化较弱。在现有开采条件下,研究区区域地下水动态的主要影响因素是大气降水,其次是煤矿开采。

陕北侏罗纪煤田三角洲平原沉积环境及其岩石力学特征

三角洲平原沉积环境是陕北侏罗纪煤田煤炭资源的主要形成环境之一,为获得不同环境煤层顶板岩石力学参数特征,进一步探究沉积环境与岩石力学特征之间的关系,首先从区域沉积环境分析入手,然后运用岩心精细描述、沉积构造分析、地球物理测井分析等技术,识别微相、划分顶板沉积微相类型及其组合特征;之后对不同沉积环境中不同位置、不同岩性的岩石进行系统地分层采样和测试分析;最后综合分析煤层顶板各沉积微相的岩石力学特征。结果表明,煤层直接顶板以泥岩、粉砂质泥岩为主,形成于三角洲平原亚相中的沼泽、湖泊沉积微相,局部见粉砂岩、细粒砂岩形成于分流河道和天然堤微相;基本顶主要以中细粒砂岩为主,形成于分流河道沉积微相;沉积环境不仅控制煤层顶板岩性分布而且控制岩石力学参数及其含水层富水性的分布,其中,湖泊、沼泽相泥岩顶板区是顶板支护的重点部位,多期分流河道砂岩叠置顶板区是未来矿井防治水以及探放水的重点区域。

陕北侏罗纪富油煤有机地球化学特征

富油煤的有机地球化学特征对研究其形成时期的古沉积环境和演化过程具有重要意义。以陕北地区侏罗纪延安组6个主采煤层为研究对象,运用煤质分析和气相色谱–质谱联用方法分析其有机地球化学特征。结果表明:陕北地区延安组主采煤的氯仿沥青"A"含量较高,饱芳比较低;正构烷烃呈单峰型分布,中链饱和烃占优势,Pr/n C17、Ph/n C18、Pr/Ph的值较高;C28和C29的规则甾烷和重排甾烷占主导地位。分析表明:陕北地区延安组主采煤层处于低热–成熟阶段,为富氢基质镜质体和壳质组生油的有利阶段;有机质来源以陆生高等植物为主并有部分水生生物混入,形成于贫氧的泥炭沼泽环境,且经历了较强的生物降解作用,为富氢组分的形成提供了有利的条件。

榆横北区巴拉素井田沉积特征分析

陕北侏罗纪煤田榆横北区内煤炭资源丰富,但区内矿井普遍受到顶板水害影响。为了区内矿井后期水文地质和防治水工作的高效开展,以巴拉素井田先期开采地段为例,通过对矿井未来首采的2号煤顶板直接充水含水层进行沉积环境分析,以此掌握其赋存特征。结果表明:2号煤顶板的侏罗系直罗组和延安组第四段含水层主要形成于弱还原-还原沉积环境,具有平行层理、槽状交错层理、过渡性层理、冲刷面等沉积构造;直罗组沉积由河道砂坝和河漫滩构成,古河道呈北西-南东向展布;延安组第四段沉积微相以分流河道和分流间洼为主,分流河道呈北东-南西方向展布。

多煤层对比方法优化研究

当前,我国煤炭开采向西部地区转移接续是必然趋势,针对西部分布最为广泛的侏罗系中统延安组陆相含煤沉积建造存在的多煤层对比依据缺乏、多解的难题,联合高精度地震勘探和数字测井技术,利用煤、岩层物性响应标志,结合陕北侏罗纪煤田阿包兔地区勘查工程实践,开展陆相多煤层精细对比工作,探讨并构建了陆相含煤建造多煤层对比方法组合模式,形成了7类12项方法组合的架构体系,并提出了相应的工作程序和实施原则。应用研究表明,加强物探资料综合分析,深挖利用煤岩物性标志、重视利用组合标志可有效提高煤层对比的可靠程度,这对于煤矿资源合理开发和勘探生产保障具有现实意义。

陕北浅埋煤层一体化漏风通道探查技术

以陕北侏罗纪煤田浅埋煤层受火灾威胁矿井为研究对象,应用高分辨率无人机可见光与热红外双光低空遥感、手持红外热成像仪、风速测量仪、球胆采样器、束管检测和采样、气相色谱仪、钻孔测温、钻孔窥视等技术手段,综合开展天空、地面、孔中与井下综采工作面、密闭墙、巷道等潜在漏风通道隐蔽致灾因素的快速探查;系统归纳陕北侏罗纪煤田浅埋煤层地面、孔中、井下漏风通道隐蔽致灾因素的类型和特征,构建“空-地-孔-井”四位一体的浅埋煤层煤矿漏风通道隐蔽致灾因素的快速排查技术体系,并以受火灾威胁的德泉煤矿为对象应用该技术体系进行了探查,快速确定了漏风通道类型、空间分布特征,结合防灭火工程实现了对火区的快速熄灭和煤矿隐蔽高温区温度的整体快速控制,保障了矿井的安全、绿色、高效开采。

陕北地区地下水源与矿井开采影响关系研究

在我国陕北地区煤炭资源丰富、水资源匮乏,民生与采矿矛盾日益严重。为了研究地下水源是否受煤矿井下开采影响,采用现场调查、水质化验、沉陷预测、影响因素分析等方法,对魏墙煤矿工作面开采与马家梁地区居民用水之间相互影响情况进行研究。结果表明:矿井采掘3号煤层时,其顶板侏罗系延安组第四段砂岩含水层为主要充水水源,覆岩导水裂隙带为主要充水通道。居民用水水源多为浅部的第四系潜水及基岩裂隙水,少量的依靠深机井取白垩系砂岩裂隙水,与魏墙煤矿井下取水及排水水源不同。矿井2014—2016年采掘影响地下水位变化不明显,通过大气降雨统计、地下水入渗等计算,认为马家梁地区居民取水点水量减少源于居民用水量增加、自然气象的季节性影响以及区域降水量减少。

陕北矿区开采潜水保护固液两相耦合实验及分析

矿山开采中涌水突水涌沙淹井实验研究都需进行固液耦合相似材料实验,但长期来由于没有寻找到合适的相似材料,井工采矿固液耦合实验一直没有突破性的进展.通过大量试验筛选,得到石蜡适合作固液耦合实验的胶凝剂,并作出试件物理力学参数随不同相似材料配比的变化规律,从而获得榆神府矿区各岩层相似实验配比.针对榆神府矿区沙基型覆岩及富水特点,进行了固液耦合水资源保护实验,采用间歇式开采.得出了从不同基岩厚度工作面实现保水开采的合理推进距.图4,表2,参10.