1、現(xiàn)有研究存在的問題

從前述煤巖識別的研究現(xiàn)狀可知，國內(nèi)外已提出并局部試驗了多種煤巖識別方法，但由于煤礦井下地質(zhì)條件復雜、煤巖屬性多變、干擾因素多等原因使得這些方法未獲得普遍應(yīng)用。從地物反射光譜探測、高光譜遙感的研究現(xiàn)狀可知，反射光譜技術(shù)已在巖礦、煤礦等地物遙感識別領(lǐng)域得到了應(yīng)用，受此啟發(fā)，采用反射光譜技術(shù)進行煤巖識別。現(xiàn)有煤巖識別技術(shù)未基于煤巖物質(zhì)成分的差異進行煤巖區(qū)分，基于物質(zhì)成分的反射光譜技術(shù)用于煤巖識別還未有相關(guān)深入研究。

據(jù)此，基于反射光譜的煤巖識別本文對以下方面進行研究：為從煤巖物質(zhì)成分差別引起的反射光譜差異上進行煤巖識別，需要研究煤巖反射光譜特征及其物質(zhì)成分對光譜特征的影響，同時需要研究探測方位、煤巖狀態(tài)等因素對其反射光譜的影響。

2、煤巖識別及反射光譜概述

地下煤層經(jīng)長期沉積作用賦存于頂板巖石和底板巖石之間，由于自然形成煤層厚度的變化，煤巖交界常起伏變化。與此同時，由于煤炭形成沉積過程的影響，煤層頂?shù)装迮c煤層交界處常為富含碳質(zhì)物質(zhì)的碳質(zhì)頁巖或黑色頁巖，常使得頂?shù)装鍘r石外觀顏色上呈現(xiàn)出類似于相鄰煤層煤炭的黑色。

圖1綜采工作面中煤巖識別示意圖

相同波段的波形特征不同，此現(xiàn)象是反射光譜技術(shù)成功應(yīng)用于地物反射光譜探測、高光譜遙感等領(lǐng)域的基本原理。其中，地物反射光譜探測和高光譜遙感所使用的光譜波段范圍主要為可見光和近紅外，波長范圍為380-2526nm，光譜分辨率小于λ/100，其中λ為光譜波長。

圖2不同物質(zhì)反射光譜測定示意圖

光譜是物質(zhì)成分的“指紋”，煤巖反射光譜的差異性反映了煤巖物質(zhì)成分的差異。因此，以物性成分為辨識依據(jù)的反射光譜技術(shù)有望為煤巖識別提供新的技術(shù)原理。受地物反射光譜探測和高光譜遙感啟發(fā)，本文在可見-近紅外波段范圍研究煤巖反射光譜特征及其識別方法。

3、煤的反射光譜特征物質(zhì)成分機理

3.1成分結(jié)構(gòu)對煤反射光譜影響機理

前述3大類12種典型煤的XRD碳材料結(jié)構(gòu)和礦物成分類型分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨煤階的變化，煤的XRD光譜曲線展現(xiàn)出一定的規(guī)律性。前述12種典型煤的XRD譜線整體波形中展現(xiàn)了兩個主要的衍射峰—002和100衍射峰，其中002表示芳香層片碳網(wǎng)平行定向程度，100表示芳香層片碳網(wǎng)的大小，因為部分煤樣如低階煙煤和褐煤，002和100兩處衍射峰較微弱，故采用(002)和(100)表示。隨煤階的升高，25°、43°附近的(002)、(100)衍射峰變得越來越明顯，表明煤階越高，煤中芳香層片碳網(wǎng)平行定向的程度越好，芳香層片碳網(wǎng)越大，即分子結(jié)構(gòu)芳構(gòu)化程度越高。

圖312種典型煤XRD譜圖

Q：石英；K：高嶺石；P：黃鐵礦；M：云母

從圖3中可以看處，除(002)和(100)兩個主要衍射峰外，各階煤種中還有各類礦物，主要為石英、高嶺石、黃鐵礦、云母等，這些礦物在近紅外波段產(chǎn)生較為明顯的吸收谷特征，這些吸收谷特征是巖礦高光譜遙感的主要基礎(chǔ)。因此煤的反射光譜吸收谷特征受隨煤階變化的有機成分影響，也受礦物成分影響。

3.2煤的反射光譜特征參數(shù)與成分含量的相關(guān)性

本章所選的12種典型煤種在上一章進行的元素含量XRF分析結(jié)果主要包括了Si、Al、Fe元素的含量，以燒失后氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3形式表示，如表3所示。成分含量工業(yè)分析結(jié)果包括空氣干燥基水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發(fā)分(Vad)、固定碳(FCad)，如表1所示。

表1典型煤種的元素含量和工業(yè)分析成分含量/%

根據(jù)前述分析，煤階升高時，煤分子結(jié)構(gòu)芳構(gòu)化程度變大，煤分子結(jié)構(gòu)模型具有石墨化趨勢，煤中C/H比增大，即煤固定碳含量增加，揮發(fā)分產(chǎn)率降低，同時，煤在近紅外波段的反射光譜曲線長波長方向傾斜程度減小。因此，煤階越高，光譜斜率越小，揮發(fā)分產(chǎn)率越低，固定碳含量越高，光譜斜率與揮發(fā)分產(chǎn)率、固定碳含量的線性相關(guān)性分析如圖4所示。由圖4可知，選取的12種典型煤種光譜斜率與揮發(fā)分產(chǎn)率、固定碳含量呈較好的正、負線性相關(guān)性。

圖4典型煤種有機成分含量與光譜斜率相關(guān)性分析

由12個典型煤種反射光譜曲線計算所得每種煤中揮發(fā)分、水分、Fe₂O₃、Al₂O₃四類物質(zhì)的吸收谷深度與表3中揮發(fā)分、水分、Fe₂O₃、Al₂O₃四類物質(zhì)含量進行相關(guān)性分，結(jié)果如圖5所示。

圖5典型煤種物質(zhì)成分含量與對應(yīng)吸收谷深度和相關(guān)性分析

由前述不同煤階煤的成分變化分子結(jié)構(gòu)機理分析可知，煤組成成分極其復雜，分子結(jié)構(gòu)種類繁多，脂肪側(cè)鏈、含氧官能團等有機基團類型多樣。各類有機基團在近紅外波段所產(chǎn)生的合頻和倍頻吸收谷特征也具有多樣性，產(chǎn)生眾多的微弱吸收谷和少量明顯吸收谷，其中1698nm、2303nm兩處吸收谷較為明顯。煤揮發(fā)分來源于復雜多樣的脂肪側(cè)鏈、含氧官能團等有機基團，煤1698nm、2303nm兩處吸收谷不能有效反映揮發(fā)分產(chǎn)率。

3.3煤巖反射光譜差異性分析

本節(jié)以代表性煤礦煤巖近距離采集的可見-近紅外波段反射光譜為研究對象，研究了代表性煤礦煤巖反射光譜主要差異性吸收谷譜帶。選取了4個代表性煤礦的典型煤巖試樣，對其可見-近紅外波段反射光譜曲線進行分析，具體煤礦包括：山西馬蘭煤礦、山西新景煤礦、山東東風煤礦、山東興隆莊煤礦。其中，馬蘭煤礦選取的典型煤巖類型包括焦煤、碳質(zhì)泥巖(46)、碳質(zhì)泥巖(48)、黑色頁巖、粉砂巖，新景煤礦選取的典型煤巖類型包括無煙煤二號、黑色頁巖，東風煤礦選取的典型煤巖類型包括貧煤、貧瘦煤、砂質(zhì)頁巖、中粒砂巖、細砂巖，興隆莊煤礦選取的典型煤巖類型包括氣煤、粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r(04)、泥質(zhì)灰?guī)r(08)。以上典型煤巖試樣按0.5mm粒度粉末抹平表面近距離采集的光譜曲線進行研究，按煤巖試樣所在煤礦，其可見-近紅外范圍光譜反射率曲線如圖6所示。

圖6代表性煤礦煤巖反射光譜曲線對比

根據(jù)煤巖反射光譜特征分析可知，在可見-短波近紅外波段（400-1100nm），受以Fe元素為主的過渡金屬元素離子電子能級躍遷影響，大部分煤巖試樣產(chǎn)生頻繁的、吸收谷深度較小的多重吸收谷，由圖6可知，難以在此波段找到較明顯的具有普適性的煤巖差異性吸收谷特征。因此，本節(jié)重點研究長波近紅外波段（1100-2450nm）煤巖反射光譜的差異性。

由圖6可見，在長波近紅外波段，與煤相比，大部分煤系巖石表現(xiàn)出了較為明顯的吸收谷特征，主要集中在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm四個波段，表現(xiàn)為煤系巖石的吸收谷較明顯，吸收谷深度較大。整體波形上，大部分煤系巖石較波折，呈現(xiàn)上凸波形，煤較為平緩，呈現(xiàn)下凹波形。只有馬蘭煤礦碳質(zhì)基質(zhì)含量較高的碳質(zhì)泥巖(46)光譜波形較為平滑，吸收谷特征不明顯，與同煤礦的焦煤較為相似。

馬蘭煤礦中碳質(zhì)泥巖(48)、黑色頁巖與焦煤差異性明顯吸收谷出現(xiàn)在1400nm、1900nm、2200nm三個波段，粉砂巖與焦煤差異性明顯吸收谷出現(xiàn)在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm四個波段。

新景煤礦中黑色頁巖與無煙煤二號差異性明顯吸收谷出現(xiàn)在1400nm、1900nm、2200nm三個波段，但黑色頁巖此三個波段吸收谷較弱，煤巖吸收谷差異性相對較弱。

東風煤礦中砂質(zhì)頁巖與貧煤、貧瘦煤差異性明顯吸收谷出現(xiàn)在1400nm、1900nm、2200nm三個波段，中粒砂巖、細砂巖與貧煤、貧瘦煤差異性明顯吸收谷出現(xiàn)在1900nm、2200nm兩個波段。

興隆莊煤礦中泥質(zhì)灰?guī)r(08)與氣煤差異性明顯吸收谷出現(xiàn)在1900nm、2350nm兩個波段，泥質(zhì)灰?guī)r(04)與氣煤差異性明顯吸收谷出現(xiàn)在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm四個波段，粉砂巖與氣煤差異性明顯吸收谷出現(xiàn)在1900nm一個波段。因此，除碳質(zhì)泥巖(46)外，所有煤巖均具有明顯差異性吸收谷。在煤礦井下開采原位煤巖表面常含有有大量水分，當煤巖表面均含有大量水分時，1400nm和1900nm兩波段吸收谷在煤巖反射光譜曲線中均較為明顯，此時1400nm和1900nm兩波段吸收谷不能有效區(qū)分煤巖反射光譜，因此，只取2200nm和2350nm兩個波段吸收谷作為煤巖反射光譜曲線區(qū)分的基礎(chǔ)。

其中，2200nm波段可作為前三個煤礦中大部分煤巖區(qū)分的特征波段，2200nm波段也可作為興隆莊煤礦中氣煤與泥質(zhì)灰?guī)r(04)區(qū)分的特征波段，2350nm波段可作為興隆莊煤礦中氣煤與兩種泥質(zhì)灰?guī)r區(qū)分的特征波段。綜上，在利用反射光譜吸收谷特征進行煤巖區(qū)分時，本文選擇2200nm和2350nm兩個波段，其中2200nm波段優(yōu)先選擇。對于馬蘭煤礦中碳質(zhì)泥巖(46)和興隆莊煤礦中粉砂巖則難以通過吸收谷特征進行煤巖反射光譜區(qū)分，但此粉砂巖可通過整體波形進行煤巖區(qū)分，而此碳質(zhì)泥巖(46)通過整體波形也難以進行煤巖區(qū)分。

4、總結(jié)

本章主要研究結(jié)果如下

采用了光譜斜率、吸收谷深度和兩種參數(shù)對煤的反射光譜特征進行表示，并與其煤階、成分進行了相關(guān)性分析:當煤階從無煙煤至低階煙煤變化時，光譜斜率隨煤階降低呈線性增加;當煤階從低階煙煤至褐煤變化時，光譜斜率隨煤階降低呈指數(shù)函數(shù)增加;煤光譜斜率與揮發(fā)分產(chǎn)率、固定碳含量呈正、負線性關(guān)系;煤空氣干燥基水分、Fe₂O₃、Al₂O₃含量、空氣干燥基揮發(fā)分產(chǎn)率分別與各自吸收谷深度和呈強、中、中、弱線性關(guān)系煤系巖石的反射光譜特征及其物質(zhì)成分機理煤系巖石反射光譜曲線在可見-短波近紅外波段出現(xiàn)多重吸收;在長波近紅外波段整體波形上凸，吸收谷分布在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm四個位置，近紅外波段吸收谷特征比可見波段更加明顯，碳質(zhì)物質(zhì)含量較高的碳質(zhì)泥巖吸收谷微弱，與煙煤的光譜曲線較相似。煤系巖石礦物中Fe等過渡金屬離子的電子過程主要影響可見-短波近紅外波段，礦物中H₂0、-OH、CO₃^2-三類基團振動過程主要影響長波近紅外波段，碳質(zhì)物質(zhì)對礦物光譜的掩蔽作用使得碳質(zhì)物質(zhì)含量較高碳質(zhì)泥巖的吸收谷不明顯

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