楊松淵

（霍州煤電集團李雅莊礦選煤廠，山西 霍州 031400）

1 工作原理分析

激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法（LIES）的工作原理：采用高能量激光光源在試樣表面形成高強度激光光斑，激發(fā)樣品發(fā)光，對發(fā)光進行光譜檢測可得到元素含量。采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法實現(xiàn)元素含量檢測的工作原理如圖1。

圖1 激光元素分析工作原理

2 試驗原料

檢測試樣取自霍州煤電集團李雅莊礦選煤廠，該試樣主要是由高灰分煤和精煤構(gòu)成，按相應(yīng)比例進行配置而成。采用人工和機械混合方法對煤樣進行混勻，并逐步破碎，直至達到規(guī)定的粒度。取6組試樣送檢，檢測主要元素含量，得到煤炭試樣元素成分，見表1 數(shù)據(jù)。

表1 煤炭試樣元素成分分析結(jié)果（%）

3 檢測方法分析

3.1 工作參數(shù)

試驗采用Niton Apollo 手持激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）分析儀。該設(shè)備激光器能量范圍為 150～350 MJ，設(shè)備發(fā)射激光波長1064 nm，設(shè)備檢測范圍180～850 nm，設(shè)備工作頻率1～2 Hz，測量時間4～10 min。

3.2 檢測方法

從6 組試樣中，各取試樣6 g，制片為d=5 cm的圓形樣片，取4×4 點陣共16 個點進行檢測，共檢測60 次。排除干擾數(shù)據(jù)后，對后40 次光譜檢測數(shù)據(jù)計算各元素含量。

3.3 數(shù)據(jù)處理

在檢測試驗中，激光在激發(fā)煤炭樣品時，煤樣表面會被激光燒蝕有一定燒蝕坑，面積在1 mm2左右。由于每次燒蝕坑的面積不同，檢測結(jié)果會有一定的差別，因此數(shù)據(jù)會有一定的波動，數(shù)據(jù)重復(fù)性差，一般要對檢測數(shù)據(jù)進行有效的數(shù)據(jù)處理后才可得到較理想的檢測結(jié)果。在本次煤質(zhì)元素成分檢測試驗中可知煤炭樣品中灰分主要成分是Si、Al、Fe、Ca 等元素，因此對元素成分的準確檢測決定著煤炭灰分等指標(biāo)。

4 測量結(jié)果

當(dāng)前激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法對測量數(shù)據(jù)算法主要采用偏最小二乘法（PLS）進行擬合，可得數(shù)據(jù)相關(guān)性R2。從偏最小二乘法擬合結(jié)果可知，該一次線性擬合結(jié)果無法有效地覆蓋全部采樣點，存在偏差較為嚴重，因此必須尋找更為合理的數(shù)據(jù)處理方式。

針對數(shù)據(jù)處理存在的不足，考慮采用一種“折線”方程擬合。從光譜中挑選相應(yīng)的代表元素的多個譜線，利用多元線性回歸計算元素含量，建立多個自變量的擬合方程，選擇最優(yōu)組合來預(yù)測，得到相關(guān)性R2的優(yōu)化結(jié)果，如圖2～圖5。

圖2 樣品Ti 元素擬合結(jié)果圖

圖3 樣品Fe 元素擬合結(jié)果圖

圖4 樣品Ca 元素擬合結(jié)果圖

圖5 樣品Al 元素擬合結(jié)果圖

結(jié)果可知，對檢測數(shù)據(jù)采用多元線性回歸擬合處理得到的樣品元素含量與通過標(biāo)準檢測所得到的樣品元素含量基本一致，處理結(jié)果可完全覆蓋采樣點。采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法及采用多元線性回歸擬合對數(shù)據(jù)進行處理，可準確地檢測到煤樣的不同元素含量，為煤質(zhì)分析的準確性提供了保障。

5 結(jié)論

（1）激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法精度和準確性高，可以針對煤樣的不同元素進行針對性測試，測量K、Na、Ti 等微量元素準確性高。在進行檢測數(shù)據(jù)處理時，采用偏最小二乘法與多元擬合算法進行結(jié)合使用，可得較好的相關(guān)性和偏差。

（2）激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法應(yīng)用于煤礦企業(yè)中煤質(zhì)的分析，有效提高了煤質(zhì)分析的準確性和 時效性，并提高了煤質(zhì)分析的自動化程度。

（3）李雅莊礦選煤廠煤質(zhì)科采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法進行煤質(zhì)在線分析后，有效解決了因無法實時檢測煤質(zhì)而導(dǎo)致的生產(chǎn)過程的不穩(wěn)定性問題。該檢測方式的應(yīng)用，自動化程度高，減少了人工崗位，提高了檢測精度，有效降低檢測誤差。