汪永才 郭愛華

【摘要】該文結(jié)合筆者實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，合理分析了影響煤層氣含量的地質(zhì)因素，隨后運(yùn)用支持向量機(jī)回歸的方法，對某工區(qū)煤層氣含量進(jìn)行定量預(yù)測。

【關(guān)鍵詞】影響 煤層氣含量 地質(zhì)因素 定量預(yù)測

對于煤層含氣量，其主要決定了煤層氣能否成藏。其中影響煤層氣含量的地質(zhì)因素不僅包括煤變質(zhì)程度以及煤層埋藏深度，還有巖漿活動(dòng)與煤層封閉性等等，煤變質(zhì)程度是最重要的影響因素。然而因?yàn)槊簩託夂亢退挠绊懸蛩亻g存在較為繁雜的關(guān)系，通過線性關(guān)系要合適地表示煤層氣含量的內(nèi)在變化規(guī)律較為困難。該文基于前人的研究分析，根據(jù)某工區(qū)的具體資料，通過數(shù)量比較少的已知樣本，選用可以避免局部極小問題的支持向量機(jī)回歸的這種辦法，正確地定量預(yù)測并分析了煤層氣含量，最終得出更為便利正確的煤層氣含量預(yù)測方法。

1 對煤層氣含量造成影響的地質(zhì)因素

1.1 煤層封閉性

進(jìn)行含氣量影響因素的分析之時(shí)，應(yīng)對煤層的頂?shù)装搴穸纫约皫r性進(jìn)行考慮。將處在煤儲層上下某厚度的巖層叫做煤層的封閉層，完好的封閉層能保證地層壓力，使地層水交替得以受阻，煤層氣通常吸附態(tài)得以存在。還使煤層氣以水溶、游離這些方式的散失得以變少。煤儲層針對煤層氣的貯存能力極大程度之上決定于封閉層具有的封閉性。封閉層的巖性及厚度對封閉層的有效性產(chǎn)生直接影響。據(jù)有關(guān)研究表明煤儲層上下二十米的封閉層對煤層造成最高的影響，還使封閉層和煤層氣含量之間的關(guān)系得以成立。其表示，伴隨著封閉系數(shù)的加大，煤層氣含量緩緩變大。

1.2 煤變質(zhì)程度

針對煤層氣含量，其伴隨著煤階的變大，會(huì)有首先急劇增高，再有緩慢增高，再有急劇增高，最后有急劇降低的這一階段性演化特征。首個(gè)階段停止在鏡質(zhì)組最高反射率達(dá)到大約1.3%的位置，就是褐煤至焦煤；再一個(gè)階段就是1.3%-2.8%，就是焦煤及瘦煤、貧煤以及初級無煙煤；第三個(gè)階段就是2.8%-3.5%，也就是無煙煤早期；最后一個(gè)階段高于3.5%，就是無煙煤中后期。首個(gè)階段中，煤層氣含量發(fā)生急劇增高，重點(diǎn)因?yàn)槊褐形⒖鬃兌?，生氣量變多；再一個(gè)階段之中，重點(diǎn)因?yàn)樾律紫蹲兇蟮目臻g有限；第三個(gè)階段，主要因?yàn)榧淄椴粌H生成很多，空隙空間以及吸附性也變大；最后一個(gè)階段，生氣作用停止導(dǎo)致煤層氣含量急劇降低。

1.3 煤層埋藏深度

在一定的深度之中，在另外的影響煤層氣含量的地質(zhì)條件相似、相同之時(shí)，煤層氣含量伴隨著埋藏深度進(jìn)而變多。然而很多時(shí)候，煤層氣含量和埋深間沒有明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，它的變化梯度伴隨著煤層埋深進(jìn)行改變。就是伴隨著埋藏深度增加，煤層氣含量梯度改變?yōu)椋簭男≈链蠛笾列。罱K趨于0。煤層氣含量當(dāng)煤層埋深高于某數(shù)值以后不隨埋深變多的這一現(xiàn)象，其常通過煤層的儲氣能力得以決定。然而不是全部地區(qū)的煤層氣含量均符合埋深加大而加多的此趨勢。在一些地方，于地史期間，出現(xiàn)過劇烈抬升剝蝕作用，致使甲烷大量散失。然后又出現(xiàn)再沉降作用，但是沉降程度未達(dá)至煤層再次生氣要求的深度地方，煤層氣含量常常主決定于煤儲層以上不斷沉積地層的殘留厚度，就是煤儲層和它的上部區(qū)不整合面間的地厚，但和目前煤層埋藏深度沒有關(guān)系。所以對地殼升降運(yùn)動(dòng)多、剝蝕及風(fēng)化作用劇烈地方的煤層氣分布趨勢進(jìn)行探究之時(shí)，要重點(diǎn)研究殘留厚度針對煤儲層含氣性造成的影響。

1.4 巖漿活動(dòng)以及構(gòu)造類型

因?yàn)閹r漿進(jìn)行侵入之時(shí)，具有動(dòng)力、烘烤的作用，在巖墻兩邊，產(chǎn)生了天然焦以及高變質(zhì)煤、多節(jié)理煤以及正常煤的這一分帶問題。對于天然焦以及高變質(zhì)煤，它們的滲透率與孔隙率比原煤層要高，于是煤層氣的富集、貯存形式和正常煤層大有不同。于天然焦之內(nèi)，煤層氣通常通過游離狀態(tài)，存到節(jié)理、孔隙之內(nèi)，于高變質(zhì)煤之內(nèi)，游離氣與吸附氣共同存在，而吸附氣含量顯然低于游離氣含量。

同時(shí)，不等類型的地質(zhì)構(gòu)造于其進(jìn)行形成之時(shí)，因?yàn)椴幌嗤臉?gòu)造應(yīng)力場以及應(yīng)力分布，致使封閉層以及煤儲層具有的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特點(diǎn)、地下水徑流條件這些產(chǎn)生區(qū)別，最終對煤儲層的含氣性造成影響。

1.5 煤巖蓋層的條件

煤屬于裂隙- 孔隙性儲層，一種雙重孔隙介質(zhì)。煤層氣儲集的主要空間是孔隙，煤層氣運(yùn)移的主要通道為裂隙。一般情況下，圍巖的隔氣、透氣性能，對煤層氣的賦存產(chǎn)生著重要影響。如果煤層頂、底板巖性比較緊密完整的頁巖、油頁巖，煤層中產(chǎn)生的氣體就能保存下來，這樣的地質(zhì)情況下，煤層氣含量就比較高； 如果頂、底板的巖石為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的礫巖和砂巖時(shí)，氣體容易逸散，從而使煤層的氣含量較低。另外，影響煤層氣的含量的因素還有水動(dòng)力條件和地質(zhì)構(gòu)造。當(dāng)發(fā)生水力封閉現(xiàn)象時(shí)，煤層就會(huì)較容易的保存氣，而當(dāng)發(fā)生水力驅(qū)散、運(yùn)移現(xiàn)象時(shí)，會(huì)造成煤層氣的逸散，然后在新條件下氣進(jìn)行聚集。1.6 儲氣能力

在煤儲層中，煤層氣主要有三種形式：游離氣、水溶氣和吸附氣。其中主要以吸附氣的形式存在。這是因?yàn)橛坞x氣、水溶氣容易受煤層孔隙、溫度和壓力等因素的影響，氣的存儲能力小，故含量都不大。一般情況下，吸附氣占煤層含氣量的80%以上。煤層的煤巖成分、壓力以及煤層的埋深等都直接影響到煤層的儲氣能力。從理論上來講，隨著煤埋藏深度的增加，煤層中氣體的壓力隨之增大，吸附氣的含量也隨之逐漸趨于飽和。但是，在一定的深度范圍內(nèi)，埋藏深度增加，其煤層中的氣含量也隨之增加。經(jīng)過對大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，普通情況下，煤層中的氣含量會(huì)隨著埋藏深度以及壓力的增加而增加。

2 煤層氣含量的定量預(yù)測研究

通過對煤層氣含量的主控地質(zhì)因素進(jìn)行研究。針對實(shí)際工區(qū)煤層氣含量的主要影響因素進(jìn)行研究，正確選用合適的參數(shù)，運(yùn)用支持向量機(jī)回歸能夠定量預(yù)測工區(qū)的煤層含氣量。

2.1 支持向量回歸原理介紹

支持向量機(jī)（ SVM） 是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它以統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論（ SLT ） 為基礎(chǔ)，以最小化錯(cuò)誤率的理論界限為依據(jù)，用于小樣本統(tǒng)計(jì)估計(jì)和預(yù)測學(xué)習(xí)的一種方法。它將輸入向量通過一種事先選擇好的非線性映射映射到一個(gè)高維特征空間，為了求得最優(yōu)解，需在特征空間中構(gòu)造最優(yōu)分類超平面。支持向量回歸的原理即是將待訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集通過一個(gè)非線性映射映射到一個(gè)高維特征空間，一般是

Hilbert 空間，然后將非線性函數(shù)回歸問題轉(zhuǎn)化為高維特征空間中的線性函數(shù)回歸問題。我們可以假定一個(gè)訓(xùn)練樣本集{ xi，yi}，i = 1，…，n。其中xi為n 維樣本輸入，yi為n 維樣本輸出，n 為樣本個(gè)數(shù)，我們需要求解的便是從xi映射到y(tǒng)i的函數(shù)f，使訓(xùn)練之后，可以通過f找到與x想對應(yīng)的y。

2.2 某工區(qū)煤層氣含量的主控因素分析

該文以某礦區(qū)為研究工區(qū)，總體構(gòu)造形態(tài)呈現(xiàn)中生界構(gòu)成的NW向緩傾單斜構(gòu)造，存在少許寬緩短軸褶皺發(fā)育，斷裂不發(fā)育。對煤層氣含量造成影響的重要地質(zhì)因素包括：成煤構(gòu)造以及后期改造致使坳陷以及隆起存在長久的繼承性，同時(shí)煤層蓋層物質(zhì)厚度比較大，同時(shí)發(fā)育穩(wěn)定；煤田累計(jì)達(dá)到15m到20m的可采厚度，礦區(qū)煤層之中雖然煤層氣含量比較低，而因?yàn)槊簩雍穸群艽?，進(jìn)行儲存的煤層氣資源量比較大；礦區(qū)鏡煤反射率重點(diǎn)位于0.6%-0.8%此范圍內(nèi)，屬于中低揮發(fā)分煙煤，吸附量也比較高，同時(shí)煤層氣含量也比較大。針對控制以及影響礦區(qū)煤層氣含量的重要地質(zhì)因素進(jìn)行研究，正確選用煤層厚度，表示煤層變質(zhì)程度以及煤吸附能力的鏡煤反射率以及灰分含量視為對工區(qū)煤層氣含量造成影響的三項(xiàng)參數(shù)。

2.3 基于支持向量機(jī)回歸的煤層氣含量定量預(yù)測

對于支持向量機(jī)回歸，它的自適應(yīng)調(diào)整能力非常強(qiáng)，能夠進(jìn)行主控因素和煤層氣含量二者間關(guān)系模型的建立，最終就煤層氣含量做出定量預(yù)測。該文中支持向量機(jī)的輸入向量主要有具體測試的煤層厚度以及鏡煤反射率、灰分含量三項(xiàng)參數(shù)，將煤層氣含量視為輸出向量。進(jìn)行15組訓(xùn)練樣本的隨機(jī)選用，并進(jìn)行預(yù)測模型的建立，正確建立模型結(jié)構(gòu)。主要通過徑向基函數(shù)當(dāng)做核函數(shù)-radialbasis kernel function-KRF，合理進(jìn)行參數(shù)取值。同時(shí)為驗(yàn)證該模型的具體運(yùn)用效果，選用10組樣本當(dāng)做檢驗(yàn)樣本實(shí)施預(yù)測分析，得出測試結(jié)果。

由測試結(jié)果能夠知道，通過支持向量機(jī)回歸的這一算法，進(jìn)行煤層氣含量和主控因素二者間關(guān)系模型的建立，某種程度之上，它的預(yù)測結(jié)果表示煤層氣含量和主控因素間的變化動(dòng)態(tài)，同時(shí)煤層氣含量的預(yù)測值與實(shí)測值間存在比較小的誤差，達(dá)到實(shí)際精度的要求。

3 總結(jié)

雖然影響煤層氣含量的因素很多很雜，但是于某穩(wěn)定礦區(qū)之中，依然能針對實(shí)際問題作出實(shí)際分析。按照工區(qū)的已知實(shí)測數(shù)據(jù)，選用合適的參數(shù)，通過支持向量機(jī)回歸方法，建立出來的煤層氣含量預(yù)測模型，有著極易實(shí)現(xiàn)及準(zhǔn)確性大的優(yōu)勢，為煤層氣含量進(jìn)行定量預(yù)測的一種積極嘗試。

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