融合近紅外光譜的煤巖界面分布感知研究

楊恩， 王世博， 宣統(tǒng)

（1. 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3. 上?？臻g電源研究所，上海 200245）

0 引言

在井下煤炭長壁綜采工作面開采中，采煤機(jī)對開采環(huán)境的智能精準(zhǔn)感知是實(shí)現(xiàn)無人工作面和智能化開采的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題之一，也是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)機(jī)器人化的核心。近10 a來，盡管國內(nèi)外在無人化、智能化工作面方面取得了一些技術(shù)成果，但在以煤巖界面識(shí)別為主要代表的開采環(huán)境智能精準(zhǔn)感知方面缺乏新原理和新技術(shù)的突破[1-3]。目前煤巖識(shí)別主要依據(jù)煤巖多種理化性狀進(jìn)行識(shí)別區(qū)分，相關(guān)研究成果為綜采工作面煤壁煤巖界面探測關(guān)鍵工程應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[1]針對現(xiàn)有煤巖界面探測識(shí)別技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析，歸納出采前透視、采中觸覺、采后視覺三大類具有重要應(yīng)用指導(dǎo)意義的分類方法。為解決煤巖界面識(shí)別這一行業(yè)難題，亟需從應(yīng)用層面上探索綜采工作面煤巖界面分布感知的新方法。

受地物高光譜遙感和巖礦地物反射光譜探測啟發(fā)[4-6]，筆者研究了我國典型煤和煤系巖石近紅外波段（1 000～2 500 nm）反射光譜特征，獲得了煤巖物質(zhì)成分與光譜特征的關(guān)聯(lián)規(guī)律[7-8]，構(gòu)建了基于光譜特征參量提取和波形匹配的煤巖識(shí)別算法[9-10]，提出了基于煤巖光譜反射率與灰分產(chǎn)率相關(guān)性的煤巖識(shí)別方法[11]，煤巖整體識(shí)別率達(dá)到90%以上。該方法根據(jù)煤巖本質(zhì)物質(zhì)屬性不同所引起的反射光譜特征差異進(jìn)行煤巖區(qū)分，識(shí)別精度高，且單條光譜采集識(shí)別總時(shí)間達(dá)毫秒級，具有較好的實(shí)時(shí)性，驗(yàn)證了反射光譜技術(shù)用于煤巖識(shí)別的可能性，為煤巖界面反射光譜識(shí)別的工程應(yīng)用研究奠定了理論基礎(chǔ)。

近紅外波段光譜探測分析具有快速、低成本的優(yōu)勢[12-14]，可針對原位物質(zhì)進(jìn)行非破壞精確探測識(shí)別，已在礦物、巖石、煤炭等地物雙向反射光譜探測領(lǐng)域得到一定的研究[15-19]。地物近紅外雙向反射即礦物、巖石、煤炭等天然地物表面介于理想漫反射朗伯面和理想鏡面之間，表現(xiàn)出近紅外波段反射率空間探測分布方向性特征，尤其是反射前向熱點(diǎn)和入射后向熱點(diǎn)，即前向反射區(qū)域和后向反射區(qū)域[17-19]，如圖1所示（λ為入射波長）。

圖1 典型煤巖雙向反射分布Fig. 1 Bidirectional reflectance of typical types of coal and rock

煤巖后向反射區(qū)域即反射率探測方向與光源入射方向位于同一直線上，其相對較大的近紅外波段反射率使得煤巖在后向反射區(qū)域方向具有較好的光譜探測性[19]，為采集鏡頭-照射光源一體式小型反射光譜探頭傳感器的研制及其從不同方向探測識(shí)別煤巖界面位置分布提供了啟示。

針對目前廣泛應(yīng)用的記憶截割方法在后續(xù)截割循環(huán)中難以實(shí)現(xiàn)煤巖界面自主判定的問題[20]，為實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤機(jī)準(zhǔn)確、快速感知滾筒截割后的煤壁煤巖界面分布，以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)下一個(gè)截割循環(huán)采煤機(jī)滾筒截割位置，本文將近紅外反射光譜技術(shù)用于煤巖界面分布感知。搭建了模擬煤壁煤巖界面臺(tái)架，設(shè)計(jì)了安裝于采煤機(jī)機(jī)身的光纖準(zhǔn)直鏡-鹵鎢聚光光源一體式光譜探頭，在采煤機(jī)3種行走速度和光譜探頭4種掃描角速度下，測定了煤巖界面附近煤巖的近紅外波段（1 000～2 500 nm）后向反射光譜曲線；對于光譜探頭在煤壁上每條掃描軌跡中采集的所有反射光譜，選取2 150～2 250 nm差異性特征波段，基于余弦距離模糊C均值聚類（Cosine-distance Fuzzy C-means, CFCM）進(jìn)行煤巖反射光譜無監(jiān)督識(shí)別，基于高度差權(quán)重法和掃描軌跡方程確定了煤巖界面點(diǎn)理論預(yù)測位置。

1 煤壁煤巖反射光譜采集實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室搭建煤壁煤巖反射光譜采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 煤巖反射光譜采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 2 Experimental platform of coal-rock reflectance spectra detection

采用氣煤、炭質(zhì)泥頁巖10 cm×10 cm×20 cm均勻切割塊樣搭建模擬煤壁煤巖界面臺(tái)架。整個(gè)臺(tái)架由多個(gè)長約2.5 m的臺(tái)架拼接而成，每個(gè)臺(tái)架煤壁上層為10 cm厚的巖，下層為20 cm厚的煤，煤層塊樣下表面放于臺(tái)架臺(tái)面，臺(tái)架臺(tái)面距地面高度為2 m。為簡化分析，所搭建的煤巖界面整體在同一平面，即實(shí)際煤巖界面距地面高度為220 cm。

基于煤巖地物后向反射區(qū)域熱點(diǎn)特征，設(shè)計(jì)了光纖準(zhǔn)直鏡-鹵鎢聚光光源一體式光譜探頭，整體采用10 mm中小口徑SMA905光纖準(zhǔn)直鏡，6個(gè)100 W鹵鎢聚光光源圍繞光纖準(zhǔn)直鏡布置。光譜探頭通過旋轉(zhuǎn)掃描平臺(tái)安裝于采煤機(jī)機(jī)身，隨旋轉(zhuǎn)掃描平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上下旋轉(zhuǎn)掃描，同時(shí)隨采煤機(jī)行走實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描和水平復(fù)合運(yùn)動(dòng)下對模擬煤壁煤巖進(jìn)行多角度光線照射和反射光譜采集。在實(shí)驗(yàn)過程中，為有效模擬前滾筒采后煤壁表面與采煤機(jī)的相對位置，在保證采煤機(jī)行走安全的前提下，前滾筒盡可能靠近模擬煤壁。另外，為增強(qiáng)所采集反射光譜的信噪比，光譜探頭布置于采煤機(jī)機(jī)身靠近煤壁一側(cè)，其旋轉(zhuǎn)中心與模擬煤壁表面水平距離約為95 cm。

采用AvaSpec-NIR512-2.5-HSC-EVO型近紅外光纖光譜儀采集近紅外反射光譜，波段設(shè)定為1 000～2 500 nm。光譜儀通過石英光纖連接一體式光譜探頭，計(jì)算機(jī)控制光譜儀與光譜探頭旋轉(zhuǎn)掃描平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，組建反射光譜探測采集系統(tǒng)。為使近紅外反射光譜具有較高的信噪比，設(shè)定光譜儀低噪聲模式下最長積分時(shí)間為0.1 s。根據(jù)采煤機(jī)常見負(fù)載和空載狀態(tài)行走速度，設(shè)定采煤機(jī)0，3，7 m/min 3種行走速度，每種行走速度下設(shè)定光譜探頭3，4，5，6 °/s 4種掃描角速度，測定12種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下模擬煤壁煤巖界面附近煤巖的近紅外后向反射光譜曲線。

2 煤壁煤巖界面分布計(jì)算方法

2.1 煤壁煤巖光譜掃描軌跡方程

光纖準(zhǔn)直鏡-鹵鎢聚光光源一體式光譜探頭從任意方向探測物體時(shí)，光源照射入射光路與光纖準(zhǔn)直鏡探測后向反射光路基本位于同一直線，即探測角θo近似等于入射角θi，其旋轉(zhuǎn)掃描模擬煤壁過程橫向視圖如圖3所示。設(shè)光譜探頭向上及向下均以角速度ω運(yùn)動(dòng)，光譜探頭距地面垂直距離為h0，距煤壁表面水平距離為d0，與模擬煤壁底面、頂面垂直距離分別為hmin，hmax，探測煤壁最小、最大入射角分別為θimin，θimax，則探測擺角范圍（即最大、最小入射角夾角）為θimax-θimin。設(shè)煤壁表面探測點(diǎn)與光譜探頭垂直距離為h，則與最低入射光線夾角為θi-θimin，由圖3中幾何關(guān)系可知

圖3 光譜探頭探測模擬煤壁橫向視圖Fig. 3 Transverse view of spectrum detector detecting simulated coal wall

面向煤壁觀測，以采煤機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)掃描平臺(tái)及光譜探頭向右側(cè)以速度v勻速直線運(yùn)動(dòng)為例，光譜探頭向上和向下以角速度ω運(yùn)動(dòng)時(shí)，其在煤壁上的探測點(diǎn)所形成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡曲線分別如圖4中軌跡1、軌跡2所示。

圖4 光譜探頭煤壁掃描軌跡Fig. 4 Scanning trajectories on the coal wall by spectrum detector

對于軌跡1，設(shè)軌跡上任意一點(diǎn)距地面垂直距離為H，與最低點(diǎn)采樣時(shí)刻間隔時(shí)間為t，采煤機(jī)向右行走距離為L，結(jié)合圖3可知

由式（1）-式（4）可得

軌跡2與軌跡1對稱，掃描所用時(shí)間相等，二者掃描時(shí)間之和為1個(gè)掃描周期T，則

1個(gè)掃描周期內(nèi)采煤機(jī)向右行走距離為LT，則

對于軌跡2，由式（5）、式（7）可得

軌跡1，2均為周期函數(shù)曲線，由式（5）、式（8）可得煤壁煤巖光譜掃描軌跡方程：

式中N∈N。

在光譜探頭對煤壁煤巖界面探測過程中，近紅外光譜儀低噪聲模式最長積分時(shí)間下每0.1 s采集1次光譜數(shù)據(jù)，反射光譜探測采集系統(tǒng)對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，判定煤巖類型。圖4中，光譜探頭煤壁掃描軌跡上的圓點(diǎn)為光譜數(shù)據(jù)獲取時(shí)光譜探頭所對準(zhǔn)位置，黑、紅顏色分別為反射光譜探測采集系統(tǒng)對光譜數(shù)據(jù)的煤、巖識(shí)別判定結(jié)果，根據(jù)判定結(jié)果位置計(jì)算軌跡上煤巖界面位置。

2.2 掃描軌跡煤巖無監(jiān)督識(shí)別

煤巖反射光譜數(shù)據(jù)識(shí)別方法主要包括有監(jiān)督識(shí)別和無監(jiān)督識(shí)別。反射光譜有監(jiān)督識(shí)別主要是指與光譜數(shù)據(jù)庫等標(biāo)準(zhǔn)或已知光譜數(shù)據(jù)匹配的方法[9-11]；反射光譜無監(jiān)督識(shí)別主要是指對采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行自主聚類分類的方法[21-23]。與反射光譜有監(jiān)督識(shí)別方法相比，相關(guān)改進(jìn)型反射光譜無監(jiān)督識(shí)別方法具有自適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)勢[21]。針對不同探測角度煤巖反射光譜的無監(jiān)督識(shí)別，文獻(xiàn)[21]對常規(guī)模糊C均值聚類（Fuzzy C-means,FCM）進(jìn)行了聚類距離改進(jìn)研究，提出了CFCM，經(jīng)對不同類型組別煤巖反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和結(jié)果分析，得出CFCM對各類煤巖組合在整體識(shí)別率、迭代次數(shù)、總耗時(shí)方面具有較好效果。因此，本文采用CFCM作為反射光譜數(shù)據(jù)識(shí)別方法。

為解決常規(guī)歐氏距離FCM用于反射光譜數(shù)據(jù)無監(jiān)督識(shí)別時(shí)常產(chǎn)生較大誤差的問題[21-22]，CFCM受反射光譜曲線相似性匹配分析常采用的光譜向量夾角余弦啟發(fā)，采用余弦距離代替歐氏距離。設(shè)圖4中任意一條軌跡上各圓點(diǎn)所對應(yīng)反射光譜某特征波段光譜數(shù)據(jù)向量xi（i=1, 2, …,P，P為每條軌跡上采集光譜數(shù)）所組成的光譜數(shù)據(jù)矩陣為X=[x1,x2, …,xP]，每次迭代煤、巖2個(gè)類別同維向量聚類中心分別為y1，y2，每次迭代xi屬于第j（j=1, 2）類的隸屬度為uij，則xi與yj的余弦距離為

其中：

式中：Q為該特征波段光譜數(shù)據(jù)向量維數(shù)；xis，yjs分別為xi，yj的第s維元素。

CFCM每次迭代所得隸屬度uij和聚類損失J分別為

式中k為加權(quán)指數(shù)。

下次迭代聚類中心為

以此迭代計(jì)算，當(dāng)聚類損失與前1次計(jì)算值之差的絕對值小于給定閾值ε時(shí)，取當(dāng)前迭代所得2×P維隸屬度矩陣U=[uij]T判定所對應(yīng)光譜數(shù)據(jù)的煤巖類別。

根據(jù)文獻(xiàn)[21]結(jié)果分析，CFCM對氣煤-泥巖煤巖類型2 150～2 400 nm特征波段內(nèi)單條光譜數(shù)據(jù)無監(jiān)督識(shí)別平均耗時(shí)在毫秒級，因此本文選取其最優(yōu)加權(quán)指數(shù)k=2.0，閾值ε=0.000 01。

2.3 掃描軌跡上煤巖界面位置計(jì)算

因采煤機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)掃描平臺(tái)及光譜探頭向右側(cè)以速度v勻速直線運(yùn)動(dòng)，光譜探頭向上和向下以均勻角速度ω?cái)[角運(yùn)動(dòng)，所以基于光譜儀積分時(shí)間和式（9），可計(jì)算確定光譜探頭煤壁掃描軌跡上光譜數(shù)據(jù)獲取時(shí)光譜探頭所對準(zhǔn)各圓點(diǎn)位置。同時(shí)，基于CFCM無監(jiān)督識(shí)別方法，可確定各圓點(diǎn)所對應(yīng)煤巖類型，從而確定圖4中每條軌跡黑、紅色圓點(diǎn)所代表的煤、巖探測位置分布。

以圖4中軌跡1為例，從軌跡1最下側(cè)的探測煤點(diǎn)向上至第1個(gè)探測巖點(diǎn)，設(shè)該探測巖點(diǎn)前的探測煤點(diǎn)距離地面高度為Hc0，從軌跡1最上側(cè)的探測巖點(diǎn)向下至第1個(gè)探測煤點(diǎn)，設(shè)該探測煤點(diǎn)前的探測巖點(diǎn)距離地面高度為Hr0。當(dāng)這2個(gè)探測煤巖點(diǎn)之間無探測煤巖點(diǎn)時(shí)，煤巖界面高度Hif取Hc0，Hr0均值，即

當(dāng)高度為Hc0，Hr0的2個(gè)探測煤巖點(diǎn)之間有交叉分布探測煤巖點(diǎn)時(shí)，如圖4中軌跡1，探測煤巖位置未呈現(xiàn)煤巖各自集中分布現(xiàn)象，而是部分交叉分布，則采用高度差權(quán)重法計(jì)算煤巖界面高度。設(shè)高度為Hc0，Hr0的探測煤巖點(diǎn)之間交叉分布的探測煤巖點(diǎn)中探測煤點(diǎn)數(shù)為m，探測巖點(diǎn)數(shù)為n，各探測煤點(diǎn)高度與Hc0差值分別為ΔHc1，ΔHc2，…，ΔHcm，Hr0與各探測巖點(diǎn)高度差值分別為ΔHr1，ΔHr2，…，ΔHrn，則采用高度差權(quán)重法計(jì)算的煤巖界面高度為

同理可得軌跡2中煤巖界面高度。聯(lián)合式（15）、式（16），以及式（9）的反函數(shù)，可計(jì)算出各掃描軌跡上煤巖界面高度對應(yīng)的橫坐標(biāo)，即可確定各條光譜探頭煤壁掃描軌跡上的煤巖界面點(diǎn)坐標(biāo)。連接各煤巖界面點(diǎn)所得的折線可近似作為煤壁煤巖界面位置。

3 采煤機(jī)和光譜探頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下煤巖界面探測結(jié)果

3.1 采煤機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)

采煤機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)（v=0）下，每隔25 cm取臺(tái)架煤壁共9處不同位置，光譜探頭在每處位置以3，4，5，6 °/s 4種掃描角速度采集煤壁近紅外后向反射光譜，并進(jìn)行煤巖界面位置判定。

臺(tái)架煤壁左起第1處位置各掃描角速度下煤巖代表性近紅外后向反射光譜如圖5所示。

圖5 采煤機(jī)靜止（v=0）時(shí)光譜探頭各掃描角速度下煤巖代表性近紅外后向反射光譜Fig. 5 Representative near-infrared reflectance spectra in the backward direction of coal and rock under each scanning angular velocity of spectrum detector when the shearer is stationary（v=0）

從圖5可看出，采煤機(jī)靜止時(shí)光譜探頭各掃描角速度下，隨著探測入射角θi增大，氣煤、炭質(zhì)泥頁巖近紅外波段（1 000～2 500 nm）后向反射光譜曲線整體均呈下降趨勢；隨著光譜探頭掃描角速度ω增大，煤巖后向反射光譜曲線整體均趨于平緩。同時(shí)，在光譜探頭各掃描角速度下，煤巖后向反射光譜曲線均具有明顯的差異性吸收谷譜帶，主要表現(xiàn)在炭質(zhì)泥頁巖在1 400，1 900 nm附近的H2O振動(dòng)吸收譜帶，以及2 200 nm附近黏土礦物的Al-OH振動(dòng)吸收譜帶[8]。由于煤中水分和外界水分也可使煤在1 400，1 900 nm附近產(chǎn)生較為明顯的吸收谷譜帶[7-8]，所以選取2 200 nm附近2 150～2 250 nm波段作為煤巖識(shí)別特征波段。

采煤機(jī)靜止時(shí)光譜探頭各掃描角速度下，對于每條掃描軌跡上獲得的2 150～2 250 nm特征波段內(nèi)所有反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行CFCM無監(jiān)督識(shí)別。針對煤巖探測結(jié)果，采用式（15）、式（16）計(jì)算軌跡上的煤巖界面點(diǎn)坐標(biāo)，連接9條軌跡上各自煤巖界面點(diǎn)，得到煤壁煤巖界面位置預(yù)測折線，如圖6所示。可看出采煤機(jī)靜止時(shí)，在光譜探頭各掃描角速度下，預(yù)測折線所表示的探測煤巖界面與實(shí)際煤巖界面吻合性較好，其中光譜探頭3，4，5 °/s 3種掃描角速度下的煤巖界面探測結(jié)果整體優(yōu)于6 °/s時(shí)探測結(jié)果。

圖6 采煤機(jī)靜止（v=0）時(shí)光譜探頭各掃描角速度下煤巖界面探測結(jié)果Fig. 6 Detection results of coal-rock interface under each scanning angular velocity of spectrum detector when the shearer is stationary（v=0）

3.2 采煤機(jī)行走狀態(tài)

采煤機(jī)行走速度v=3，7 m/min時(shí)，光譜探頭以3，4，5，6 °/s 4種角速度進(jìn)行上下掃描運(yùn)動(dòng)，采集煤壁近紅外后向反射光譜并進(jìn)行煤巖界面位置判定。采煤機(jī)行走速度v=3，7 m/min時(shí)，臺(tái)架煤壁左起第1條向上掃描軌跡在各掃描速度下的煤巖代表性近紅外后向反射光譜分別如圖7、圖8所示。在光譜探頭每段掃描軌跡上對2 150～2 250 nm特征波段光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行CFCM無監(jiān)督識(shí)別及煤巖界面位置計(jì)算，得到煤壁煤巖界面位置預(yù)測折線，如圖9、圖10所示。

從圖7、圖8可看出，采煤機(jī)處于行走狀態(tài)時(shí)，在光譜探頭各掃描角速度下，隨著探測入射角增大，氣煤、炭質(zhì)泥頁巖近紅外波段（1 000～2 500 nm）后向反射光譜曲線整體均呈下降趨勢。相同采煤機(jī)行走速度下，隨著光譜探頭掃描角速度增大，煤巖反射光譜曲線整體均趨于平緩。綜合圖5、圖7、圖8可知，相同光譜探頭掃描角速度下，隨著采煤機(jī)行走速度增大，煤巖反射光譜曲線整體均趨于平緩。同時(shí)，采煤機(jī)處于行走狀態(tài)時(shí)，在光譜探頭各掃描角速度下，煤巖反射光譜曲線在1 400，1 900，2 200 nm附近均具有明顯的差異性吸收谷譜帶。

圖7 采煤機(jī)以3 m/s速度行走時(shí)光譜探頭各掃描角速度下煤巖代表性近紅外后向反射光譜Fig. 7 Representative near-infrared reflectance spectra in the backward direction of coal and rock under each scanning angular velocity of spectrum detector when the shearer moves at 3 m/s

圖8 采煤機(jī)以7 m/s速度行走時(shí)光譜探頭各掃描角速度下煤巖代表性近紅外后向反射光譜Fig. 8 Representative near-infrared reflectance spectra in the backward direction of coal and rock under each scanning angular velocity of spectrum detector when the shearer moves at 7 m/s

從圖9、圖10可看出，采煤機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在光譜探頭各掃描角速度下，預(yù)測折線所表示的探測煤巖界面與實(shí)際煤巖界面吻合性較好，其中采煤機(jī)行走速度v=3 m/min時(shí)，光譜探頭3，5 °/s 2種掃描角速度下煤巖界面探測結(jié)果整體優(yōu)于4，6 °/s時(shí)的探測結(jié)果；采煤機(jī)行走速度v=7 m/min時(shí)，光譜探頭3，4，5 °/s 3種掃描角速度下的煤巖界面探測結(jié)果整體優(yōu)于6 °/s時(shí)的探測結(jié)果。

3.3 煤巖界面分布探測結(jié)果評價(jià)

為比較采煤機(jī)和光譜探頭各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下煤巖界面探測結(jié)果，采用探測煤巖界面高度與實(shí)際高度（220 cm）的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）進(jìn)行探測結(jié)果評價(jià)。定義RMES為

式中：M為每種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下掃描軌跡段數(shù)；Hifr為每段掃描軌跡中煤巖界面點(diǎn)高度。

圖6、圖9、圖10中采煤機(jī)和光譜探頭各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下煤巖界面點(diǎn)探測高度與實(shí)際高度的RMSE如圖11所示。

圖9 采煤機(jī)以3 m/s速度行走時(shí)光譜探頭各掃描角速度下煤巖界面探測結(jié)果Fig. 9 Detection results of coal-rock interface under each scanning angular velocity of spectrum detector when the shearer moves at 3 m/s

圖10 采煤機(jī)以7 m/s速度行走時(shí)光譜探頭各掃描角速度下煤巖界面探測結(jié)果Fig. 10 Detection results of coal-rock interface under each scanning angular velocity of spectrum detector when the shearer moves at 7 m/s

由圖11可知，采煤機(jī)靜止及行走速度v=3，7 m/min時(shí)，光譜探頭3，4，5 °/s 3種掃描角速度下煤巖界面點(diǎn)探測結(jié)果的RMSE均小于6 °/s時(shí)，且均不超過1.5 cm，探測效果較好；采煤機(jī)靜止及行走速度v=3 m/min時(shí)，光譜探頭6 °/s掃描角速度下煤巖界面點(diǎn)探測結(jié)果的RMSE均不超過2 cm，探測效果較好。可見，采用反射光譜探測采集系統(tǒng)聯(lián)合CFCM、高度差權(quán)重法、煤壁掃描軌跡方程，能夠有效實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)和光譜探頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下煤巖界面分布的實(shí)時(shí)精確感知。

圖11 采煤機(jī)各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下煤巖界面分布探測結(jié)果評價(jià)Fig. 11 Evaluation of detection results of coal-rock interface distribution under each movement state of the shearer

4 結(jié)論

（1） 在采煤機(jī)靜止及行走速度v=3，7 m/min狀態(tài)下，光纖準(zhǔn)直鏡-鹵鎢聚光光源一體式光譜探頭掃描角速度為3，4，5，6 °/s時(shí)，所采集氣煤、炭質(zhì)泥頁巖近紅外波段（1 000～2 500 nm）后向反射光譜均具有1 400，1 900，2 200 nm附近明顯的差異性吸收谷譜帶，且隨著探測入射角增大，反射光譜曲線均呈下降趨勢。

（2） 同一采煤機(jī)行走速度下，隨著光譜探頭掃描角速度增大，以及同一光譜探頭掃描角速度下，隨著采煤機(jī)行走速度增大，反射光譜曲線整體均趨于平緩。

（3） 基于光譜探頭的反射光譜探測采集系統(tǒng)融合CFCM、高度差權(quán)重法、煤壁掃描軌跡方程，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)和光譜探頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下煤巖界面分布的快速精確識(shí)別，其中光譜探頭掃描角速度為3，4，5 °/s時(shí)煤巖界面點(diǎn)的識(shí)別效果整體較好。

（4） 基于煤巖反射光譜差異性特征譜帶，建立采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下反射光譜探測采集系統(tǒng)及煤巖界面分布識(shí)別方法，為近紅外反射光譜技術(shù)應(yīng)用于煤巖界面分布的精確高效感知提供了理論參考。