综放工作面煤岩近红外光谱特征与机理

2020-09-16王赛亚王世博葛世荣吕渊博

煤炭学报 2020年8期

王赛亚,王世博，葛世荣，向阳，周悦，杨恩，吕渊博

(中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116)

煤炭是我国重要的能源和工业原料，在可预见的较长时间内，煤炭作为我国第1能源的地位不会动摇。然而我国采掘放顶装备落后，采煤仍属高危行业，近年来，我国煤炭百万吨死亡率远高于世界先进采煤国家的水平[1]。因此提高采掘放顶装备的智能化水平，实现矿山“少人化”、“无人化”目标，是达到煤炭安全高效绿色开采的必然选择，其中精准的煤与岩石识别技术是提高装备智能化水平的核心难题[2]。

以测谱学为基础发展起来的光谱技术是一种从物质本质属性上识别煤与岩石的方法[3]，可根据煤与岩石在特定波段的不同吸收特征进行识别。部分学者对煤与岩石光谱特征进行了研究:MAO Yachun等获取了砂岩、灰岩、页岩等岩石的光谱曲线，得出炭质页岩光谱曲线最为平缓，而砂岩反射率较高，具有明显吸收特征[4]。杨恩等对三大类典型的煤系岩石进行光谱的测定，分析岩石中所含矿物以及元素组成对光谱吸收特征的影响规律，得出页岩随着炭质物质含量的增大，光谱曲线的斜率和吸收谷深度呈现先快速减小后趋于平缓的趋势[5]。宋亮等获取了92个烟煤和58个褐煤的光谱曲线，得出在可见-近红外波段褐煤的反射率和曲线斜率均大于烟煤的结论[6]。SONG Zeyang等在现场和实验室分别对乌达地区的煤炭、沉积岩、变质岩进行了光谱采集，通过对光谱吸收机理的研究指出煤炭中水的光谱吸收深度随碳含量的增加而减小[7]。

笔者针对塔山综放工作面煤与岩石识别的需求，将煤与岩石钻芯按赋存位置分选为27种煤与岩石试样。利用近红外光谱仪分别获取试样的光谱曲线，分析不同赋存位置的夹矸、顶板岩以及煤的光谱曲线特征差异，完善并提出了光谱曲线吸收谷深度之和、1 100～2 500 nm波段的曲线斜率、2 250～2 500 nm波段的曲线斜率、凹凸度4种区别煤与岩石的特征参数;利用XRD、XRF、工业分析获得了煤与岩石试样的矿物成分、元素含量和工业成分含量，研究煤与岩石不同光谱曲线特征的机理，以期为放煤过程的煤与岩石识别提供基础数据与原理方法。

1 实验部分

1.1 样品准备

塔山综放工作面煤与岩石钻芯按赋存位置分为:3～5号煤层夹矸、2号煤层夹矸、直接顶岩、基本顶岩、3～5号煤层所含煤，2号煤层所含煤，共计27种、六大类。煤与岩石试样的类型、特征、位置见表1。

1.2 实验方法

图1为光谱采集装置示意图。该装置主要由光谱仪、载物台、光源、光纤、准直镜头和计算机组成。该光谱仪为荷兰AVANTES公司的AvaSpec-NIR512-2.5-HSC-EVO光谱仪，共有512个像元探测器，有效测量波长范围为1 100～2 500 nm，光谱分辨率为3.2 nm，杂散光小于1.0%;光纤的分支端分别连接光谱仪和光源;为更好的将外界平行光耦合至光纤内，光纤合并端连接载物台正上方100 mm处的准直镜头。计算机通过数据线与光谱仪相连接，实时显示被测试样的光谱曲线。

表1 塔山矿煤与岩石试样Table 1 Tashan coal and rock samples

图1 光谱采集装置示意Fig.1 Schematic diagram of spectral acquisition device

首先利用干燥箱对试样干燥处理，直至质量趋于恒定。在采集试样光谱时，依次将其绕中心轴线随机旋转5次角度，每次旋转角度由光谱仪采集10组数据，每个试样50组光谱数据的平均值即为该试样的光谱数据。采集完成后，将采集区域内的煤与岩石试样打磨成粉末并分成3份，依次筛分粒度为:≤44，≤74，≤200 μm。分别采用Germany-Bruker-D8 Advance-XRD，Germany-Bruker-S8 Tiger-XRF，China-5E-MAG6700-全自动工业分析仪，获取试样的矿物成分、元素含量、工业成分含量。

2 煤与岩石光谱特征及其产生机理

2.1 综放工作面煤系岩石与煤的光谱特征

图2分别为综放工作面煤系岩石与煤的近红外光谱曲线。为使其与赋存位置相对应，已对光谱曲线偏移处理。由图2(a)可知，3～5号煤层夹矸中的1，3，5，7，14号试样的光谱曲线较为相似，在1 410,1 900，2 210 nm波长处出现吸收谷;9号试样的光谱曲线在1 410，1 900 nm波长处出现较微弱的吸收谷;16号试样的光谱曲线相对平滑、无吸收谷。直接顶中的24，25，26号试样较18，19，20号试样而言，光谱曲线在1 410，1 900，2 210 nm波长处的吸收谷更为明显;直接顶中的2号煤层夹矸22号试样与3～5号煤层夹矸试样的光谱曲线相似，仅在1 410，1 900，2 210 nm波长处出现微弱的吸收谷。基本顶中的27号试样在1 410，1 900和2 210 nm波长处出现了非常明显的吸收谷，并且在2 210 nm处的吸收谷较尖锐。由图2(b)可知，几乎所有煤试样的光谱曲线较为平滑，但3～5号煤层中13号煤试样的光谱曲线在2 250～2 500 nm波段出现明显的下降趋势，以及2号煤层中23号煤试样在2 210 nm波长处出现了相对明显的吸收谷。

整体来看，煤系岩石与煤的光谱曲线差别明显，主要表现为:煤的光谱曲线较平滑，而岩的光谱曲线有明显的吸收谷;煤的曲线在1 100～2 500 nm波段基本呈上升趋势，而岩的曲线呈下降趋势;煤的光谱曲线在2 250～2 500 nm波段基本呈上升趋势，而岩的光谱曲线在此波段呈下降趋势;煤的光谱曲线近似直线，而岩的光谱曲线呈拱形。

2.2 综放工作面煤系岩石与煤光谱曲线的差异特征

图3为综放工作面煤系岩石与煤光谱曲线的特征参数定义图。为定量描述煤与岩石光谱曲线的差异特征，故引入吸收谷深度之和Hz[8]、1 100～2 500 nm波段的曲线斜率K、2 250～2 500 nm波段的曲线斜率K′、曲线的凹凸度H′。图3(a)中，H1，H2，H3分别为1 410，1 900，2 210 nm处的吸收谷深度，Hz为三者之和。图3(b)中，1 100，2 500 nm对应反射率连线的斜率K定义为1 100～2 500 nm波段的曲线斜率，ΔR，Δλ分别为反射率和波长的增量。图3(c)中，2 250，2 500 nm对应反射率连线的斜率K′定义为2 250～2 500 nm波段的曲线斜率，ΔR′，Δλ′分别为反射率和波长的增量。图3(d)中，1 400～2 100 nm波段内最大反射率与曲线首尾连线的竖直距离H′定义为光谱曲线的凹凸度。

图4为综放工作面煤与岩石光谱曲线的特征参数趋势图。由图4(a)可知，除16号煤系岩石试样外，岩光谱曲线的Hz远大于煤光谱曲线的Hz，随着煤或岩赋存位置由低到高，Hz有增大趋势。由图4(b)可知，煤的光谱曲线在1 100～2 500 nm波段的斜率K均为正值，岩石的斜率K基本为负值，但16号煤系岩石试样的斜率K为正值;随着煤或岩赋存位置由低到高，K值虽有波动，但呈减小趋势。由图4(c)可知，除13，23号煤试样在2 250～2 500 nm波段的斜率K′为负值外，煤的光谱曲线在该波段的斜率K′基本为正值，岩的斜率K′全为负值;随着煤或岩赋存位置由低到高，K′呈下降趋势。由图4(d)可知，煤的光谱曲线H′远小于岩光谱曲线的H′;随着岩石的赋存位置由低到高，H′呈上升趋势。

2.3 综放工作面煤系岩石与煤的光谱特征机理研究

表2为综放工作面煤系岩石与煤的主要元素及工业成分含量表;图5为综放工作面煤系岩石与煤的XRD衍射谱图，为使其与赋存位置相对应，已对衍射线偏移处理。

由表2和图5(a)可知，3～5号煤层夹矸3，5，7号试样的主要矿物成分包括高岭石(Al2Si2O5(OH)4)、石英(SiO2)、钠长石(NaAlSi3O8)、绿锥石(F3(SiFe)iO5(OH)4)、方解石(MgCaCO3)、利蛇纹石(Mg3[(OH)4|Si2O5])，1，14号试样的主要矿物成分包括高岭石,石英,钠长石,绿锥石;1，3，5，7，14号试样的光谱曲线在1 410 nm波长的吸收谷主要是由其所含矿物中结构水(OH-)产生的第1共振引起的[9-11]，1 900 nm波长处的吸收谷主要是石英包体水中H—O—H与弯曲拉伸的OH产生的共振引起的[5,12-13]，2 210 nm波长的吸收谷主要是由钠长石、高岭石中Al与OH-的弯曲拉伸振动引起的[5]。9号试样的主要矿物成分包括高岭石、石英、钠长石、绿锥石，该试样在1 410，1 900 nm波长处吸收谷较弱的原因主要是其所含矿物中结构水、石英包体水含量较少。16号试样的主要矿物成分包括高岭石、方解石、利蛇纹石、石英、绿锥石，该试样中基质(主要是C，H，O元素组成的有机物)和固定碳含量较多，其中大量的不透明炭质物质遮蔽了结构水、石英包体水、Al—OH在1 410，1 900，2 210 nm波长处的吸收谷特征，所以该试样的光谱曲线较平滑且与煤试样的光谱曲线特征较类似[14-15]。

图3 煤系岩石与煤光谱曲线的特征参数定义Fig.3 Definition of characteristic parameters of spectral curves of coal measures rocks and coal

图4 煤系岩石与煤光谱曲线的特征参数趋势Fig.4 Trend chart of characteristic parameters of spectral curves of coal measures rocks and coal

表2 煤系岩石与煤的主要元素及工业成分含量Table 2 Table of main elements and industrial components of coal measures rocks and coal %

图5 煤系岩石与煤的XRD谱Fig.5 X-ray diffraction spectra of coal measures rocks and coal

直接顶中的24，25，26号试样较18，19，20号试样而言，含有较多的石英包体水导致光谱曲线在1 900 nm波长处呈现相对明显的吸收谷;同时由于24，25，26号试样中的基质和固定碳较少，其不透明炭质物质的遮蔽作用对结构水、石英包体水、Al—OH在1 410，1 900，2 210 nm波长处吸收特征的影响较微弱，所以直接顶中24，25，26号试样的吸收谷更为显著。直接顶中的2号煤层夹矸22号试样含有大量的基质和固定碳，其中的不透明炭质物质遮蔽了结构水、石英包体水、Al—OH在1 410，1 900，2 210 nm波长处的吸收特征[15]，使得22号试样与3～5号煤层夹矸试样的光谱曲线相似，仅出现微弱的吸收谷。

基本顶中的27号试样仅有少量的基质、不存在固定碳，所以其对Al—OH、结构水、包体水的吸收特征遮蔽作用较弱，致使27号试样光谱曲线吸收谷深度之和Hz、1 100～2 500 nm波段曲线斜率K、2 250～2 500 nm波段曲线斜率K′、曲线凹凸度H′的绝对值相对较大;同时受地质形成过程中火成岩侵蚀作用小、矿物分子中晶格排列有序的影响，使27号试样的光谱曲线在2 210 nm波长处表现出尖锐的吸收谷[16-17]。

由表2和图5(b)可知，煤试样的主要矿物成分包括钠长石、绿锥石、方解石、高岭石、利蛇纹石、石英。高岭石和绿锥石等矿物中的结构水(OH-)、石英包体水、高岭石和钠长石中的Al—OH会引起吸收谷特征[18-19]。煤中基质含量大约是其矿物含量的5.3倍，基质中脂族结构、芳香结构、含氧氮等杂原子团的中红外波段基频在近红外波段的倍频和组合频相互重叠产生众多吸收谷特征，但绝大多数吸收谷特征不明显[3,20-22]，反而会遮蔽无机离子团在1 100～2 500 nm波段的吸收特征，造成煤的光谱曲线整体较为平滑，且光谱曲线呈上升趋势。2号煤层23号试样在2 210 nm波长处的吸收谷，主要是由高岭石和钠长石中Al—OH引起的;同时23号试样中存在较少的基质和固定碳，所以不透明炭质物质的遮蔽作用对Al—OH在2 210 nm波长产生吸收特征的影响较小，使该试样在此波长处表现出相对明显的吸收谷，同时致使23号试样的光谱曲线特征与煤系岩石的光谱曲线特征较类似。

2.4 不同矿区煤与岩石光谱曲线的差异特征

为探究图3定义的吸收谷深度之和Hz、1 100～2 500 nm波段的曲线斜率K、2 250～2 500 nm波段的曲线斜率K′、曲线的凹凸度H′4个特征参数对不同矿区煤与岩石光谱特征的普遍性和适用性。依次采集山西、山东、宁夏、内蒙古矿区的煤与岩石光谱曲线。不同矿区的煤与岩石光谱曲线如图6所示。表3展示了不同矿区煤与岩石样本的编号、类型、产地等信息。

图6 不同矿区煤与岩石的近红外光谱Fig.6 Near-infrared spectral curves of coal and rock in different mining areas

表3 不同矿区的煤与岩石样本Table 3 Coal and rock samples from different mining areas

利用上述4个特征参数对不同矿区的煤与岩石光谱曲线进行定量描述，图7为不同矿区煤与岩石光谱曲线的特征参数趋势图。由图7可知，岩光谱曲线的吸收谷深度之和Hz远大于煤光谱曲线的吸收谷深度之和Hz，煤与岩石光谱曲线吸收谷深度之和Hz平均约相差40倍;岩光谱曲线在1 100～2 500 nm波段的斜率K基本为负值，而煤光谱曲线在该波段的斜率K基本为正值;岩光谱曲线在2 250～2 500 nm波段的斜率K′基本为负值，而煤光谱曲线在该波段的斜率K′基本为正值;煤与岩石光谱曲线的凹凸度H′均为正值，岩光谱曲线的凹凸度H′远大于煤光谱曲线的凹凸度H′，煤与岩石光谱曲线的凹凸度H′平均约相差13倍。