顆粒度對不同煤種可見光-近紅外光譜的影響

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 110819 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北 三河 065201

引 言

煤炭是我國最主要的能源，在“碳達峰、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)長的時間內(nèi)占據(jù)著我國的基礎(chǔ)能源的位置。在原煤開采、運輸、洗選加工、精煤儲運以及低中階煤提質(zhì)改性等方面都需要及時了解煤的成分、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)測手段是現(xiàn)場采樣、室內(nèi)化驗，因采樣密度低、測點稀疏、工作量大、周期長、效率低等原因，已成為智能礦山建設(shè)的瓶頸，如何研發(fā)新的煤測試技術(shù)，以適應(yīng)新時代背景下礦業(yè)發(fā)展的需要，是亟待解決的問題。

近年來，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速興起，利用高光譜遙感進行巖礦大面積探測逐漸得到重視，由于其具有便捷、無損、快速等優(yōu)點，對礦山開采、礦井災(zāi)害區(qū)域劃分及評價等方面能達到安全、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；同時一些學(xué)者也開展了煤的光譜特征和遙感監(jiān)測研究，取得了很大進展[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，對于不同顆粒度煤的光譜特征的深入了解和認識，從而掌握顆粒度對于煤的光譜特征的影響規(guī)律，是提升煤的光譜識別精度的重要途徑。

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]實驗發(fā)現(xiàn)基頻振動帶強度與粒徑的大小呈負相關(guān)關(guān)系，并認為該現(xiàn)象是由于孔隙率造成的；Okin等[7]對不同粒徑的蒙脫石和石英反射光譜進行了研究，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]等對行星巖礦進行光譜分析，發(fā)現(xiàn)巖礦顆粒度會對巖礦的光譜趨勢產(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隨著顆粒度的減小而呈指數(shù)型增長；閆柏琨、王潤生等[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，對氧氣的吸附能力越強，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；然而目前對于煤的相關(guān)研究較少，在所查到的文獻中，僅發(fā)現(xiàn)文獻[3]選取0.2，1，3和13 mm粒度等級煤質(zhì)進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，粒度對光譜有重要影響。該文獻作者選擇的粒度較大；更小的煤粉粒度在選煤廠非常常見；為此，采集了內(nèi)蒙古、新疆、山西主要礦區(qū)的褐煤、煙煤、無煙煤，制備了更小粒度的實驗樣品，制備了更小的粒度，通過測試不同煤種不同顆粒度煤樣的可見光-近紅外反射光譜，揭示了煤的顆粒度對不同煤種反射光譜的影響規(guī)律，為煤巖智能識別、煤質(zhì)定量反演時考慮顆粒度影響，從而提高煤光譜識別精度提供借鑒。

1 實驗部分

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)和無煙煤(山西陽泉)，依據(jù)原煤在開采、破碎、運輸、分選等實際情況選取塊狀、粒狀和粉狀煤樣制作光譜測試樣品。參照實驗室測定煤的理化性質(zhì)時常用的粒度，綜合劃分顆粒度等級，最終將樣品分為塊狀和如表1的12個顆粒度等級。煤樣煤質(zhì)工業(yè)分析指標見表2。

表1 煤樣品顆粒度等級分布

表2 不同煤質(zhì)的工業(yè)分析結(jié)果

1.2 光譜測試

采用便攜式地物光譜儀(SVC HR-1024)對煤樣進行可見光-近紅外光譜測試，波長范圍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。

實驗在暗室內(nèi)進行，盡量保證測試環(huán)境穩(wěn)定。使用特制鹵素?zé)粽丈錁悠?，以模擬太陽光線。測試前以標準白板為背景進行定標，測試中每間隔10 min使用白板定標1次，將白板的反射率作為標準參考光譜。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。為控制測試環(huán)境和操作人員造成的隨機誤差，進行預(yù)實驗，對典型樣品重復(fù)觀測多次，要求測試值與平均值間相對誤差不大于0.5%，待測試穩(wěn)定后開始正式實驗。實驗中對每個樣品觀測3次，取其平均值作為結(jié)果值。光譜測試實驗布置如圖1所示。

圖1 光譜測試實驗布置現(xiàn)場

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒度對不同煤種光譜影響的共有特征

圖2為褐煤、煙煤、無煙煤3種煤樣在塊狀和12個等級顆粒度下的光譜測試結(jié)果。由圖所示，顆粒度對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波段最高不超過16%，粒狀樣品不超過23%；

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

(3)3種煤樣顆粒度對光譜的影響呈現(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，所有煤的光譜曲線反射率均較低，最大不超過10%，由可見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明顯規(guī)律。當(dāng)顆粒度小于0.10 mm時，光譜曲線發(fā)生顯著變化，且在不同波段變化趨勢不同：在可見光波段，隨顆粒度減小，反射光譜曲線呈降低趨勢，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趨勢，二者呈負相關(guān)關(guān)系?？偟膩砜矗w粒度對光譜特征的影響在近紅外波段要明顯強于可見光波段，并隨著波長的增加越加明顯。從圖2(a)看出，褐煤在最小的顆粒度(<0.05 mm)級別，其在2 500 nm波長處的反射率高出>0.10 mm顆粒度樣品的反射率達13%以上。

圖2 不同等級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(0.07～0.10 mm)與第9等級(0.10～0.125 mm)顆粒度光譜曲線變化幅度顯著，褐煤、煙煤、無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 顆粒度對不同煤種光譜影響的差異特征

圖2顯示，雖然顆粒度對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(見圖3)，從圖中可看出，顆粒度相同的不同煤種樣品在可見光波段反射率差異相對較小，一般不超過2%，而在大于1 000 nm的近紅外波段差異明顯，且波長越長越明顯。其中，褐煤的反射率最高，煙煤居中，無煙煤最低。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，這種差距拉大，在最小顆粒度級別(<0.05 mm)，3種煤在近紅外波段反射率最大差距達到13%，且波長越長差距越明顯。這表明，利用光譜進行煤種的識別時，使用小顆粒粉狀樣品的效果要好于大顆粒樣品，且波長越長效果越好。

(2)顆粒度對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個顆粒度級別，3 種煤在波長大于1 000 nm的光譜曲線近似直線，不同煤的光譜直線斜率不同，無煙煤最低，褐煤最高，煙煤居中。

2.3 機理分析

實驗表明，顆粒度對于煤的光譜特征有重要影響，且不同煤種影響有所差異。下面就其機理進行如下討論。

(1)當(dāng)顆粒度大于0.10 mm時，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，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，顆粒堆積的隨機性造成了遮擋陰影的隨機性，進而導(dǎo)致煤樣光譜反射率隨顆粒度變化無明顯規(guī)律。

(2)當(dāng)顆粒度小于0.10 mm時，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，顆粒度減小造成光的散射作用增強。根據(jù)散射理論，當(dāng)顆粒大小與光波長相當(dāng)時，會發(fā)生米氏散射，而當(dāng)顆粒大于入射光波長時，會發(fā)生丁達爾散射。當(dāng)顆粒度為0.10 mm時，此時顆粒大小是近紅外光波長的一百～幾十倍，以丁達爾散射為主；而當(dāng)顆粒度達到0.05 mm以下時，此時米氏散射大大增強。為進一步了解散射作用對反射率的影響，對顆粒度小于0.05 mm的粉狀樣品進行了顯微鏡粒度分析，結(jié)果見圖4所示。從圖中看出，對于顆粒度小于0.05 mm的3種煤(褐煤、煙煤和無煙煤)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?？偭糠謩e達到34.6%，53.5%和40.9%，而該粒徑范圍與大于1 μm的近紅外波長接近，致使這個波段的米氏散射效應(yīng)增強。所以，煤樣在顆粒度小于0.05 mm且波長大于1 μm時反射率最大，同時顆粒度由0.10 mm減小至小于0.05 mm時，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，在可見光波段，煤樣的光譜反射率呈顯著降低趨勢。究其原因，顆粒度小于0.10 mm時，顆粒間的團聚效應(yīng)增強，即顆粒之間會因為表面張力作用相互粘結(jié)在一起，同時小顆粒也會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，根據(jù)入射角等于反射角的關(guān)系，前向反射增強，其他方向反射減弱。在本實驗中，光譜觀測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，該方向的反射率減小。這種效應(yīng)在3種煤種尤以無煙煤表現(xiàn)明顯。所以，在圖2(c)中無煙煤在粒度小于0.10 mm時，在可見光波段，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，使得光譜反射率整體較高。

3 結(jié) 論

通過開展不同顆粒度煤樣的可見光-近紅外光譜測試，針對顆粒度對不同煤種反射光譜的影響進行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)不同煤種在可見光-近紅外波段的反射率均較低，且變化趨勢基本相同，即在可見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，顆粒度對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，顆粒度對煤樣的光譜影響增大，且顆粒度越小影響越大。顆粒度對光譜特征的影響主要表現(xiàn)在近紅外波段，且隨著波長的增加越加明顯。在可見光波段影響較小，反射率差異不超過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，無煙煤影響最小。

(3)0.10 mm顆粒度是顆粒度對煤的光譜特征影響的敏感界限。利用光譜進行煤種識別時，需要考慮顆粒度的影響，同時，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。