張 超，劉善軍，易文華，謝子超，劉博雄，岳 衡

1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北 三河 065201

引 言

煤炭是我國(guó)最主要的能源，在“碳達(dá)峰、碳中和”能源供給結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下，煤炭依然在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)占據(jù)著我國(guó)的基礎(chǔ)能源的位置。在原煤開采、運(yùn)輸、洗選加工、精煤儲(chǔ)運(yùn)以及低中階煤提質(zhì)改性等方面都需要及時(shí)了解煤的成分、含量以及混矸程度，這是掌握和監(jiān)控煤炭質(zhì)量的必要措施。傳統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)手段是現(xiàn)場(chǎng)采樣、室內(nèi)化驗(yàn)，因采樣密度低、測(cè)點(diǎn)稀疏、工作量大、周期長(zhǎng)、效率低等原因，已成為智能礦山建設(shè)的瓶頸，如何研發(fā)新的煤測(cè)試技術(shù)，以適應(yīng)新時(shí)代背景下礦業(yè)發(fā)展的需要，是亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速興起，利用高光譜遙感進(jìn)行巖礦大面積探測(cè)逐漸得到重視，由于其具有便捷、無(wú)損、快速等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)礦山開采、礦井災(zāi)害區(qū)域劃分及評(píng)價(jià)等方面能達(dá)到安全、高效的目的，已被廣泛地應(yīng)用于巖石礦物分類、巖礦組分定量反演和蝕變信息提取等領(lǐng)域；同時(shí)一些學(xué)者也開展了煤的光譜特征和遙感監(jiān)測(cè)研究，取得了很大進(jìn)展[1-2]。然而，由于煤在不同生產(chǎn)階段其破碎程度和顆粒大小不同，而顆粒度又是影響其光譜特征的重要因素[3-4]，因此，對(duì)于不同顆粒度煤的光譜特征的深入了解和認(rèn)識(shí)，從而掌握顆粒度對(duì)于煤的光譜特征的影響規(guī)律，是提升煤的光譜識(shí)別精度的重要途徑。

然而，目前相關(guān)研究主要集中在巖石或礦物顆粒對(duì)光譜特征的影響方面，如楊柏林等[5]發(fā)現(xiàn)巖石和礦物的反射光譜特征與顆粒度等表面狀態(tài)有關(guān)，并提取了顆粒度的敏感波段；Salisbury等[6]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基頻振動(dòng)帶強(qiáng)度與粒徑的大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并認(rèn)為該現(xiàn)象是由于孔隙率造成的；Okin等[7]對(duì)不同粒徑的蒙脫石和石英反射光譜進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在50～750 μm粒徑范圍內(nèi)，試樣光譜反射率隨粒徑減小而逐漸增大；Reda Amer等[8]分析蝕變礦物明礬石、高嶺石、絹云母和方解石的連續(xù)參考光譜后發(fā)現(xiàn)，位置、形狀和強(qiáng)度的變化很可能與樣品純度和粒度的變化有關(guān)；Vernazza[9]等對(duì)行星巖礦進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)巖礦顆粒度會(huì)對(duì)巖礦的光譜趨勢(shì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響；Carli和Hatcher等[10-11]發(fā)現(xiàn)試樣的光譜反射率會(huì)隨著顆粒度的減小而呈指數(shù)型增長(zhǎng)；閆柏琨、王潤(rùn)生等[12-13]發(fā)現(xiàn)，不同礦物反射光譜隨粒度的變化規(guī)律存在差異性，且同種礦物在不同波段內(nèi)反射率隨粒度的變化也有所不同。余明高等[14]分析了顆粒度與采空區(qū)自然發(fā)火的關(guān)系，遺煤粒徑越小，顆粒表面積越大，對(duì)氧氣的吸附能力越強(qiáng)，煤的自燃傾向性越高。

上述表明，顆粒度是影響巖礦光譜特征的重要因素；然而目前對(duì)于煤的相關(guān)研究較少，在所查到的文獻(xiàn)中，僅發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[3]選取0.2，1，3和13 mm粒度等級(jí)煤質(zhì)進(jìn)行了近紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)粒度越大，光譜的不穩(wěn)定因素增加，粒度對(duì)光譜有重要影響。該文獻(xiàn)作者選擇的粒度較大；更小的煤粉粒度在選煤廠非常常見(jiàn)；為此，采集了內(nèi)蒙古、新疆、山西主要礦區(qū)的褐煤、煙煤、無(wú)煙煤，制備了更小粒度的實(shí)驗(yàn)樣品，制備了更小的粒度，通過(guò)測(cè)試不同煤種不同顆粒度煤樣的可見(jiàn)光-近紅外反射光譜，揭示了煤的顆粒度對(duì)不同煤種反射光譜的影響規(guī)律，為煤巖智能識(shí)別、煤質(zhì)定量反演時(shí)考慮顆粒度影響，從而提高煤光譜識(shí)別精度提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品

選擇變質(zhì)程度不同的褐煤(內(nèi)蒙古烏海)、煙煤(新疆哈密)和無(wú)煙煤(山西陽(yáng)泉)，依據(jù)原煤在開采、破碎、運(yùn)輸、分選等實(shí)際情況選取塊狀、粒狀和粉狀煤樣制作光譜測(cè)試樣品。參照實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤的理化性質(zhì)時(shí)常用的粒度，綜合劃分顆粒度等級(jí)，最終將樣品分為塊狀和如表1的12個(gè)顆粒度等級(jí)。煤樣煤質(zhì)工業(yè)分析指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 煤樣品顆粒度等級(jí)分布

表2 不同煤質(zhì)的工業(yè)分析結(jié)果

1.2 光譜測(cè)試

采用便攜式地物光譜儀(SVC HR-1024)對(duì)煤樣進(jìn)行可見(jiàn)光-近紅外光譜測(cè)試，波長(zhǎng)范圍350～2 500 nm，其中350～1 000 nm波段光譜分辨率≤3.2 nm，1 000～1 850 nm波段的光譜分辨率≤8.5 nm，1 850～2 500 nm波段的光譜分辨率≤6.5 nm。

實(shí)驗(yàn)在暗室內(nèi)進(jìn)行，盡量保證測(cè)試環(huán)境穩(wěn)定。使用特制鹵素?zé)粽丈錁悠?，以模擬太陽(yáng)光線。測(cè)試前以標(biāo)準(zhǔn)白板為背景進(jìn)行定標(biāo)，測(cè)試中每間隔10 min使用白板定標(biāo)1次，將白板的反射率作為標(biāo)準(zhǔn)參考光譜。將不同粒徑煤樣放在直徑為7 cm的黑色樣品盒中，光照方向與水平方向夾角為45°，光譜儀鏡頭垂直于樣品，鏡頭距離樣品50 cm，鹵素?zé)艟鄻悠分行木嚯x為80 cm。為控制測(cè)試環(huán)境和操作人員造成的隨機(jī)誤差，進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)典型樣品重復(fù)觀測(cè)多次，要求測(cè)試值與平均值間相對(duì)誤差不大于0.5%，待測(cè)試穩(wěn)定后開始正式實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)每個(gè)樣品觀測(cè)3次，取其平均值作為結(jié)果值。光譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。

圖1 光譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)布置現(xiàn)場(chǎng)

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒度對(duì)不同煤種光譜影響的共有特征

圖2為褐煤、煙煤、無(wú)煙煤3種煤樣在塊狀和12個(gè)等級(jí)顆粒度下的光譜測(cè)試結(jié)果。由圖所示，顆粒度對(duì)3種不同煤種的光譜影響具有一些共性特征，主要如下：

(1)所有煤樣雖然種類不同，但主要成分均為碳(C)，顏色呈黑色，因此反射率均較低，3種煤樣塊狀樣品的反射率在整個(gè)波段最高不超過(guò)16%，粒狀樣品不超過(guò)23%；

(2)不同煤種以及不同顆粒度樣品的可見(jiàn)光-近紅外光譜形態(tài)基本相似，即在可見(jiàn)光波段(380～780 nm)反射率均較低，且隨波長(zhǎng)增加反射率略呈降低趨勢(shì)；近紅外波段(780～2 500 nm)，隨波長(zhǎng)的增加反射率逐漸升高，呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì)。

(3)3種煤樣顆粒度對(duì)光譜的影響呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即以0.10 mm為界，在顆粒度大于0.10 mm時(shí)，所有煤的光譜曲線反射率均較低，最大不超過(guò)10%，由可見(jiàn)光波段到近紅外波段反射率增加不顯著，且反射率隨顆粒度變化無(wú)明顯規(guī)律。當(dāng)顆粒度小于0.10 mm時(shí)，光譜曲線發(fā)生顯著變化，且在不同波段變化趨勢(shì)不同：在可見(jiàn)光波段，隨顆粒度減小，反射光譜曲線呈降低趨勢(shì)，二者呈正相關(guān)關(guān)系；而在近紅外波段，隨顆粒度減小，光譜反射光譜曲線呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？偟膩?lái)看，顆粒度對(duì)光譜特征的影響在近紅外波段要明顯強(qiáng)于可見(jiàn)光波段，并隨著波長(zhǎng)的增加越加明顯。從圖2(a)看出，褐煤在最小的顆粒度(<0.05 mm)級(jí)別，其在2 500 nm波長(zhǎng)處的反射率高出>0.10 mm顆粒度樣品的反射率達(dá)13%以上。

圖2 不同等級(jí)顆粒度煤樣光譜曲線

(4)0.10 mm可作為顆粒度影響煤光譜特征顯著變化的臨界閾值。如圖2所示，第10等級(jí)(0.07～0.10 mm)與第9等級(jí)(0.10～0.125 mm)顆粒度光譜曲線變化幅度顯著，褐煤、煙煤、無(wú)煙煤反射率最大增加分別為4.20%，2.45%和2.35%，而大于0.10 mm的相鄰等級(jí)顆粒度的三種煤反射率的最大變化幅度也僅分別為2.80%，0.95%和1.30%。

(5)塊狀煤的光譜曲線與粗顆粒度(>0.125 mm)光譜曲線基本平行，光譜曲線差異僅體現(xiàn)在反射率的大小(塊狀反射率大于粗顆粒樣品)，而形態(tài)基本一致。

2.2 顆粒度對(duì)不同煤種光譜影響的差異特征

圖2顯示，雖然顆粒度對(duì)3種煤的光譜都有影響，但不同煤種間也存在差異，主要如下：

(1)相同顆粒度不同煤種的反射光譜曲線存在差異(見(jiàn)圖3)，從圖中可看出，顆粒度相同的不同煤種樣品在可見(jiàn)光波段反射率差異相對(duì)較小，一般不超過(guò)2%，而在大于1 000 nm的近紅外波段差異明顯，且波長(zhǎng)越長(zhǎng)越明顯。其中，褐煤的反射率最高，煙煤居中，無(wú)煙煤最低。而且，這種差距以0.10 mm為界，大于0.10 mm以上的較粗顆粒，3種煤相同粒度反射率的差異較小，基本小于4%；當(dāng)顆粒度小于0.10 mm時(shí)，這種差距拉大，在最小顆粒度級(jí)別(<0.05 mm)，3種煤在近紅外波段反射率最大差距達(dá)到13%，且波長(zhǎng)越長(zhǎng)差距越明顯。這表明，利用光譜進(jìn)行煤種的識(shí)別時(shí)，使用小顆粒粉狀樣品的效果要好于大顆粒樣品，且波長(zhǎng)越長(zhǎng)效果越好。

(2)顆粒度對(duì)煤光譜特征的影響主要表現(xiàn)在近紅外光譜曲線的斜率。從圖3看出，小于0.10 mm的3個(gè)顆粒度級(jí)別，3 種煤在波長(zhǎng)大于1 000 nm的光譜曲線近似直線，不同煤的光譜直線斜率不同，無(wú)煙煤最低，褐煤最高，煙煤居中。

2.3 機(jī)理分析

實(shí)驗(yàn)表明，顆粒度對(duì)于煤的光譜特征有重要影響，且不同煤種影響有所差異。下面就其機(jī)理進(jìn)行如下討論。

(1)當(dāng)顆粒度大于0.10 mm時(shí)，煤樣的光譜反射率隨顆粒度變化規(guī)律不顯著。究其原因，當(dāng)煤樣顆粒較大時(shí)，鹵素?zé)舭l(fā)出的平行光傾斜照射到顆粒表面上，以幾何光學(xué)的反射為主，顆粒堆積的隨機(jī)性造成了遮擋陰影的隨機(jī)性，進(jìn)而導(dǎo)致煤樣光譜反射率隨顆粒度變化無(wú)明顯規(guī)律。

(2)當(dāng)顆粒度小于0.10 mm時(shí)，在近紅外波段煤樣光譜反射率隨顆粒度減小而上升。究其原因，主要是由于當(dāng)顆粒度小于0.10 mm時(shí)，顆粒度減小造成光的散射作用增強(qiáng)。根據(jù)散射理論，當(dāng)顆粒大小與光波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，會(huì)發(fā)生米氏散射，而當(dāng)顆粒大于入射光波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)生丁達(dá)爾散射。當(dāng)顆粒度為0.10 mm時(shí)，此時(shí)顆粒大小是近紅外光波長(zhǎng)的一百～幾十倍，以丁達(dá)爾散射為主；而當(dāng)顆粒度達(dá)到0.05 mm以下時(shí)，此時(shí)米氏散射大大增強(qiáng)。為進(jìn)一步了解散射作用對(duì)反射率的影響，對(duì)顆粒度小于0.05 mm的粉狀樣品進(jìn)行了顯微鏡粒度分析，結(jié)果見(jiàn)圖4所示。從圖中看出，對(duì)于顆粒度小于0.05 mm的3種煤(褐煤、煙煤和無(wú)煙煤)粉狀樣品，小于2.5 μm的顆粒分別占顆粒數(shù)量的60.5%，67.5%和64.5%，而小于1 μm的顆粒總量分別達(dá)到34.6%，53.5%和40.9%，而該粒徑范圍與大于1 μm的近紅外波長(zhǎng)接近，致使這個(gè)波段的米氏散射效應(yīng)增強(qiáng)。所以，煤樣在顆粒度小于0.05 mm且波長(zhǎng)大于1 μm時(shí)反射率最大，同時(shí)顆粒度由0.10 mm減小至小于0.05 mm時(shí)，在大于1 μm波段反射率上升速度很快。

圖3 相同顆粒度不同煤種的反射光譜曲線

圖4 粒徑<0.05 mm煤樣顆粒分布顯微鏡分析結(jié)果

(3)當(dāng)顆粒度小于0.10 mm時(shí)，在可見(jiàn)光波段，煤樣的光譜反射率呈顯著降低趨勢(shì)。究其原因，顆粒度小于0.10 mm時(shí)，顆粒間的團(tuán)聚效應(yīng)增強(qiáng)，即顆粒之間會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩ψ饔孟嗷フ辰Y(jié)在一起，同時(shí)小顆粒也會(huì)被吸附在大粒徑樣品表面，且隨樣品粒徑的減小，比表面積越大，吸附位點(diǎn)越多[17]，最終導(dǎo)致樣品表面的起伏減小，平整度增加。平整度增加使得樣品透光性減弱，表面的鏡面反射增強(qiáng)，根據(jù)入射角等于反射角的關(guān)系，前向反射增強(qiáng)，其他方向反射減弱。在本實(shí)驗(yàn)中，光譜觀測(cè)方向與試樣表面垂直，并非前向反射方向，所以當(dāng)顆粒度小于0.10 mm時(shí)，該方向的反射率減小。這種效應(yīng)在3種煤種尤以無(wú)煙煤表現(xiàn)明顯。所以，在圖2(c)中無(wú)煙煤在粒度小于0.10 mm時(shí)，在可見(jiàn)光波段，光譜反射率明顯比大顆粒的低。

(4)塊狀煤樣反射率整體較高，究其原因，主要是由于塊狀樣品表面較為平整，無(wú)明顯孔隙，不存在光的透射作用，導(dǎo)致反射或漫反射作用強(qiáng)，使得光譜反射率整體較高。

3 結(jié) 論

通過(guò)開展不同顆粒度煤樣的可見(jiàn)光-近紅外光譜測(cè)試，針對(duì)顆粒度對(duì)不同煤種反射光譜的影響進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)不同煤種在可見(jiàn)光-近紅外波段的反射率均較低，且變化趨勢(shì)基本相同，即在可見(jiàn)光波段反射率緩慢下降，在近紅外波段快速上升。

(2)當(dāng)顆粒度大于0.10 mm時(shí)，顆粒度對(duì)光譜特征的影響較小，煤樣反射光譜隨顆粒度變化規(guī)律不明顯。當(dāng)顆粒度小于0.10 mm時(shí)，顆粒度對(duì)煤樣的光譜影響增大，且顆粒度越小影響越大。顆粒度對(duì)光譜特征的影響主要表現(xiàn)在近紅外波段，且隨著波長(zhǎng)的增加越加明顯。在可見(jiàn)光波段影響較小，反射率差異不超過(guò)2%。不同煤種光譜曲線受顆粒度的影響不同，褐煤的影響最大，煙煤次之，無(wú)煙煤影響最小。

(3)0.10 mm顆粒度是顆粒度對(duì)煤的光譜特征影響的敏感界限。利用光譜進(jìn)行煤種識(shí)別時(shí)，需要考慮顆粒度的影響，同時(shí)，選擇顆粒度小于0.10 mm的粉末狀樣品效果要好于大顆?；驂K狀樣品。