綜放工作面煤巖近紅外光譜特征與機(jī)理

王賽亞,王世博，葛世榮，向 陽，周 悅，楊 恩，呂淵博

(中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭是我國重要的能源和工業(yè)原料，在可預(yù)見的較長時間內(nèi)，煤炭作為我國第1能源的地位不會動搖。然而我國采掘放頂裝備落后，采煤仍屬高危行業(yè)，近年來，我國煤炭百萬噸死亡率遠(yuǎn)高于世界先進(jìn)采煤國家的水平[1]。因此提高采掘放頂裝備的智能化水平，實現(xiàn)礦山“少人化”、“無人化”目標(biāo)，是達(dá)到煤炭安全高效綠色開采的必然選擇，其中精準(zhǔn)的煤與巖石識別技術(shù)是提高裝備智能化水平的核心難題[2]。

以測譜學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的光譜技術(shù)是一種從物質(zhì)本質(zhì)屬性上識別煤與巖石的方法[3]，可根據(jù)煤與巖石在特定波段的不同吸收特征進(jìn)行識別。部分學(xué)者對煤與巖石光譜特征進(jìn)行了研究:MAO Yachun等獲取了砂巖、灰?guī)r、頁巖等巖石的光譜曲線，得出炭質(zhì)頁巖光譜曲線最為平緩，而砂巖反射率較高，具有明顯吸收特征[4]。楊恩等對三大類典型的煤系巖石進(jìn)行光譜的測定，分析巖石中所含礦物以及元素組成對光譜吸收特征的影響規(guī)律，得出頁巖隨著炭質(zhì)物質(zhì)含量的增大，光譜曲線的斜率和吸收谷深度呈現(xiàn)先快速減小后趨于平緩的趨勢[5]。宋亮等獲取了92個煙煤和58個褐煤的光譜曲線，得出在可見-近紅外波段褐煤的反射率和曲線斜率均大于煙煤的結(jié)論[6]。SONG Zeyang等在現(xiàn)場和實驗室分別對烏達(dá)地區(qū)的煤炭、沉積巖、變質(zhì)巖進(jìn)行了光譜采集，通過對光譜吸收機(jī)理的研究指出煤炭中水的光譜吸收深度隨碳含量的增加而減小[7]。

筆者針對塔山綜放工作面煤與巖石識別的需求，將煤與巖石鉆芯按賦存位置分選為27種煤與巖石試樣。利用近紅外光譜儀分別獲取試樣的光譜曲線，分析不同賦存位置的夾矸、頂板巖以及煤的光譜曲線特征差異，完善并提出了光譜曲線吸收谷深度之和、1 100～2 500 nm波段的曲線斜率、2 250～2 500 nm波段的曲線斜率、凹凸度4種區(qū)別煤與巖石的特征參數(shù);利用XRD、XRF、工業(yè)分析獲得了煤與巖石試樣的礦物成分、元素含量和工業(yè)成分含量，研究煤與巖石不同光譜曲線特征的機(jī)理，以期為放煤過程的煤與巖石識別提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與原理方法。

1 實驗部分

1.1 樣品準(zhǔn)備

塔山綜放工作面煤與巖石鉆芯按賦存位置分為:3～5號煤層夾矸、2號煤層夾矸、直接頂巖、基本頂巖、3～5號煤層所含煤，2號煤層所含煤，共計27種、六大類。煤與巖石試樣的類型、特征、位置見表1。

1.2 實驗方法

圖1為光譜采集裝置示意圖。該裝置主要由光譜儀、載物臺、光源、光纖、準(zhǔn)直鏡頭和計算機(jī)組成。該光譜儀為荷蘭AVANTES公司的AvaSpec-NIR512-2.5-HSC-EVO光譜儀，共有512個像元探測器，有效測量波長范圍為1 100～2 500 nm，光譜分辨率為3.2 nm，雜散光小于1.0%;光纖的分支端分別連接光譜儀和光源;為更好的將外界平行光耦合至光纖內(nèi)，光纖合并端連接載物臺正上方100 mm處的準(zhǔn)直鏡頭。計算機(jī)通過數(shù)據(jù)線與光譜儀相連接，實時顯示被測試樣的光譜曲線。

表1 塔山礦煤與巖石試樣Table 1 Tashan coal and rock samples

圖1 光譜采集裝置示意Fig.1 Schematic diagram of spectral acquisition device

首先利用干燥箱對試樣干燥處理，直至質(zhì)量趨于恒定。在采集試樣光譜時，依次將其繞中心軸線隨機(jī)旋轉(zhuǎn)5次角度，每次旋轉(zhuǎn)角度由光譜儀采集10組數(shù)據(jù)，每個試樣50組光譜數(shù)據(jù)的平均值即為該試樣的光譜數(shù)據(jù)。采集完成后，將采集區(qū)域內(nèi)的煤與巖石試樣打磨成粉末并分成3份，依次篩分粒度為:≤44，≤74，≤200 μm。分別采用Germany-Bruker-D8 Advance-XRD，Germany-Bruker-S8 Tiger-XRF，China-5E-MAG6700-全自動工業(yè)分析儀，獲取試樣的礦物成分、元素含量、工業(yè)成分含量。

2 煤與巖石光譜特征及其產(chǎn)生機(jī)理

2.1 綜放工作面煤系巖石與煤的光譜特征

圖2分別為綜放工作面煤系巖石與煤的近紅外光譜曲線。為使其與賦存位置相對應(yīng)，已對光譜曲線偏移處理。由圖2(a)可知，3～5號煤層夾矸中的1，3，5，7，14號試樣的光譜曲線較為相似，在1 410,1 900，2 210 nm波長處出現(xiàn)吸收谷;9號試樣的光譜曲線在1 410，1 900 nm波長處出現(xiàn)較微弱的吸收谷;16號試樣的光譜曲線相對平滑、無吸收谷。直接頂中的24，25，26號試樣較18，19，20號試樣而言，光譜曲線在1 410，1 900，2 210 nm波長處的吸收谷更為明顯;直接頂中的2號煤層夾矸22號試樣與3～5號煤層夾矸試樣的光譜曲線相似，僅在1 410，1 900，2 210 nm波長處出現(xiàn)微弱的吸收谷?；卷斨械?7號試樣在1 410，1 900和2 210 nm波長處出現(xiàn)了非常明顯的吸收谷，并且在2 210 nm處的吸收谷較尖銳。由圖2(b)可知，幾乎所有煤試樣的光譜曲線較為平滑，但3～5號煤層中13號煤試樣的光譜曲線在2 250～2 500 nm波段出現(xiàn)明顯的下降趨勢，以及2號煤層中23號煤試樣在2 210 nm波長處出現(xiàn)了相對明顯的吸收谷。

整體來看，煤系巖石與煤的光譜曲線差別明顯，主要表現(xiàn)為:煤的光譜曲線較平滑，而巖的光譜曲線有明顯的吸收谷;煤的曲線在1 100～2 500 nm波段基本呈上升趨勢，而巖的曲線呈下降趨勢;煤的光譜曲線在2 250～2 500 nm波段基本呈上升趨勢，而巖的光譜曲線在此波段呈下降趨勢;煤的光譜曲線近似直線，而巖的光譜曲線呈拱形。

2.2 綜放工作面煤系巖石與煤光譜曲線的差異特征

圖3為綜放工作面煤系巖石與煤光譜曲線的特征參數(shù)定義圖。為定量描述煤與巖石光譜曲線的差異特征，故引入吸收谷深度之和Hz[8]、1 100～2 500 nm波段的曲線斜率K、2 250～2 500 nm波段的曲線斜率K′、曲線的凹凸度H′。圖3(a)中，H1，H2，H3分別為1 410，1 900，2 210 nm處的吸收谷深度，Hz為三者之和。圖3(b)中，1 100，2 500 nm對應(yīng)反射率連線的斜率K定義為1 100～2 500 nm波段的曲線斜率，ΔR，Δλ分別為反射率和波長的增量。圖3(c)中，2 250，2 500 nm對應(yīng)反射率連線的斜率K′定義為2 250～2 500 nm波段的曲線斜率，ΔR′，Δλ′分別為反射率和波長的增量。圖3(d)中，1 400～2 100 nm波段內(nèi)最大反射率與曲線首尾連線的豎直距離H′定義為光譜曲線的凹凸度。

圖4為綜放工作面煤與巖石光譜曲線的特征參數(shù)趨勢圖。由圖4(a)可知，除16號煤系巖石試樣外，巖光譜曲線的Hz遠(yuǎn)大于煤光譜曲線的Hz，隨著煤或巖賦存位置由低到高，Hz有增大趨勢。由圖4(b)可知，煤的光譜曲線在1 100～2 500 nm波段的斜率K均為正值，巖石的斜率K基本為負(fù)值，但16號煤系巖石試樣的斜率K為正值;隨著煤或巖賦存位置由低到高，K值雖有波動，但呈減小趨勢。由圖4(c)可知，除13，23號煤試樣在2 250～2 500 nm波段的斜率K′為負(fù)值外，煤的光譜曲線在該波段的斜率K′基本為正值，巖的斜率K′全為負(fù)值;隨著煤或巖賦存位置由低到高，K′呈下降趨勢。由圖4(d)可知，煤的光譜曲線H′遠(yuǎn)小于巖光譜曲線的H′;隨著巖石的賦存位置由低到高，H′呈上升趨勢。

2.3 綜放工作面煤系巖石與煤的光譜特征機(jī)理研究

表2為綜放工作面煤系巖石與煤的主要元素及工業(yè)成分含量表;圖5為綜放工作面煤系巖石與煤的XRD衍射譜圖，為使其與賦存位置相對應(yīng)，已對衍射線偏移處理。

由表2和圖5(a)可知，3～5號煤層夾矸3，5，7號試樣的主要礦物成分包括高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)、石英(SiO2)、鈉長石(NaAlSi3O8)、綠錐石(F3(SiFe)iO5(OH)4)、方解石(MgCaCO3)、利蛇紋石(Mg3[(OH)4|Si2O5])，1，14號試樣的主要礦物成分包括高嶺石,石英,鈉長石,綠錐石;1，3，5，7，14號試樣的光譜曲線在1 410 nm波長的吸收谷主要是由其所含礦物中結(jié)構(gòu)水(OH-)產(chǎn)生的第1共振引起的[9-11]，1 900 nm波長處的吸收谷主要是石英包體水中H—O—H與彎曲拉伸的OH產(chǎn)生的共振引起的[5,12-13]，2 210 nm波長的吸收谷主要是由鈉長石、高嶺石中Al與OH-的彎曲拉伸振動引起的[5]。9號試樣的主要礦物成分包括高嶺石、石英、鈉長石、綠錐石，該試樣在1 410，1 900 nm波長處吸收谷較弱的原因主要是其所含礦物中結(jié)構(gòu)水、石英包體水含量較少。16號試樣的主要礦物成分包括高嶺石、方解石、利蛇紋石、石英、綠錐石，該試樣中基質(zhì)(主要是C，H，O元素組成的有機(jī)物)和固定碳含量較多，其中大量的不透明炭質(zhì)物質(zhì)遮蔽了結(jié)構(gòu)水、石英包體水、Al—OH在1 410，1 900，2 210 nm波長處的吸收谷特征，所以該試樣的光譜曲線較平滑且與煤試樣的光譜曲線特征較類似[14-15]。

圖3 煤系巖石與煤光譜曲線的特征參數(shù)定義Fig.3 Definition of characteristic parameters of spectral curves of coal measures rocks and coal

圖4 煤系巖石與煤光譜曲線的特征參數(shù)趨勢Fig.4 Trend chart of characteristic parameters of spectral curves of coal measures rocks and coal

表2 煤系巖石與煤的主要元素及工業(yè)成分含量Table 2 Table of main elements and industrial components of coal measures rocks and coal %

圖5 煤系巖石與煤的XRD譜Fig.5 X-ray diffraction spectra of coal measures rocks and coal

直接頂中的24，25，26號試樣較18，19，20號試樣而言，含有較多的石英包體水導(dǎo)致光譜曲線在1 900 nm波長處呈現(xiàn)相對明顯的吸收谷;同時由于24，25，26號試樣中的基質(zhì)和固定碳較少，其不透明炭質(zhì)物質(zhì)的遮蔽作用對結(jié)構(gòu)水、石英包體水、Al—OH在1 410，1 900，2 210 nm波長處吸收特征的影響較微弱，所以直接頂中24，25，26號試樣的吸收谷更為顯著。直接頂中的2號煤層夾矸22號試樣含有大量的基質(zhì)和固定碳，其中的不透明炭質(zhì)物質(zhì)遮蔽了結(jié)構(gòu)水、石英包體水、Al—OH在1 410，1 900，2 210 nm波長處的吸收特征[15]，使得22號試樣與3～5號煤層夾矸試樣的光譜曲線相似，僅出現(xiàn)微弱的吸收谷。

基本頂中的27號試樣僅有少量的基質(zhì)、不存在固定碳，所以其對Al—OH、結(jié)構(gòu)水、包體水的吸收特征遮蔽作用較弱，致使27號試樣光譜曲線吸收谷深度之和Hz、1 100～2 500 nm波段曲線斜率K、2 250～2 500 nm波段曲線斜率K′、曲線凹凸度H′的絕對值相對較大;同時受地質(zhì)形成過程中火成巖侵蝕作用小、礦物分子中晶格排列有序的影響，使27號試樣的光譜曲線在2 210 nm波長處表現(xiàn)出尖銳的吸收谷[16-17]。

由表2和圖5(b)可知，煤試樣的主要礦物成分包括鈉長石、綠錐石、方解石、高嶺石、利蛇紋石、石英。高嶺石和綠錐石等礦物中的結(jié)構(gòu)水(OH-)、石英包體水、高嶺石和鈉長石中的Al—OH會引起吸收谷特征[18-19]。煤中基質(zhì)含量大約是其礦物含量的5.3倍，基質(zhì)中脂族結(jié)構(gòu)、芳香結(jié)構(gòu)、含氧氮等雜原子團(tuán)的中紅外波段基頻在近紅外波段的倍頻和組合頻相互重疊產(chǎn)生眾多吸收谷特征，但絕大多數(shù)吸收谷特征不明顯[3,20-22]，反而會遮蔽無機(jī)離子團(tuán)在1 100～2 500 nm波段的吸收特征，造成煤的光譜曲線整體較為平滑，且光譜曲線呈上升趨勢。2號煤層23號試樣在2 210 nm波長處的吸收谷，主要是由高嶺石和鈉長石中Al—OH引起的;同時23號試樣中存在較少的基質(zhì)和固定碳，所以不透明炭質(zhì)物質(zhì)的遮蔽作用對Al—OH在2 210 nm波長產(chǎn)生吸收特征的影響較小，使該試樣在此波長處表現(xiàn)出相對明顯的吸收谷，同時致使23號試樣的光譜曲線特征與煤系巖石的光譜曲線特征較類似。

2.4 不同礦區(qū)煤與巖石光譜曲線的差異特征

為探究圖3定義的吸收谷深度之和Hz、1 100～2 500 nm波段的曲線斜率K、2 250～2 500 nm波段的曲線斜率K′、曲線的凹凸度H′4個特征參數(shù)對不同礦區(qū)煤與巖石光譜特征的普遍性和適用性。依次采集山西、山東、寧夏、內(nèi)蒙古礦區(qū)的煤與巖石光譜曲線。不同礦區(qū)的煤與巖石光譜曲線如圖6所示。表3展示了不同礦區(qū)煤與巖石樣本的編號、類型、產(chǎn)地等信息。

圖6 不同礦區(qū)煤與巖石的近紅外光譜Fig.6 Near-infrared spectral curves of coal and rock in different mining areas

表3 不同礦區(qū)的煤與巖石樣本Table 3 Coal and rock samples from different mining areas

利用上述4個特征參數(shù)對不同礦區(qū)的煤與巖石光譜曲線進(jìn)行定量描述，圖7為不同礦區(qū)煤與巖石光譜曲線的特征參數(shù)趨勢圖。由圖7可知，巖光譜曲線的吸收谷深度之和Hz遠(yuǎn)大于煤光譜曲線的吸收谷深度之和Hz，煤與巖石光譜曲線吸收谷深度之和Hz平均約相差40倍;巖光譜曲線在1 100～2 500 nm波段的斜率K基本為負(fù)值，而煤光譜曲線在該波段的斜率K基本為正值;巖光譜曲線在2 250～2 500 nm波段的斜率K′基本為負(fù)值，而煤光譜曲線在該波段的斜率K′基本為正值;煤與巖石光譜曲線的凹凸度H′均為正值，巖光譜曲線的凹凸度H′遠(yuǎn)大于煤光譜曲線的凹凸度H′，煤與巖石光譜曲線的凹凸度H′平均約相差13倍。

圖7 不同礦區(qū)煤與巖石光譜曲線的特征參數(shù)趨勢Fig.7 Characteristic parameter trend diagram of spectral curves of coal and rock in different mining areas

3 結(jié) 論

(1)煤層夾矸較頂板巖而言，煤層夾矸的光譜曲線吸收特征和曲線斜率絕對值偏小，主要是因為煤層夾矸中相對較多的不透明炭質(zhì)物質(zhì)遮蔽了結(jié)構(gòu)水、石英包體水、Al—OH在其特征波長處的吸收特征。

(2)雖然煤中基質(zhì)含量是其礦物含量的5.3倍，但是基質(zhì)中大量的有機(jī)基團(tuán)在1 100～2 500 nm波段的吸收特征不明顯，且大量的不透明炭質(zhì)物質(zhì)遮蔽了無機(jī)離子團(tuán)在1 100～2 500 nm波段的吸收特征，從而導(dǎo)致幾乎所有煤的光譜曲線與煤系巖石光譜曲線相比較為平滑，且光譜曲線呈上升趨勢。

(3)煤與巖石光譜曲線差異特征主要表現(xiàn)為:煤的反射光譜在1 100～2 500 nm，2 250～2 500 nm波段的曲線斜率基本為正值，而巖石在該波段的光譜曲線斜率基本為負(fù)值;巖石光譜曲線的吸收谷深度之和、凹凸度遠(yuǎn)大于煤光譜曲線的吸收谷深度之和、凹凸度。