1. 引言

前文已對典型煤巖的反射光譜曲線特征進(jìn)行研究，并分析了反射光譜特征產(chǎn)生的物質(zhì)成分機(jī)理。本文將對煤巖反射光譜曲線特征參數(shù)與其成分的進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)律。并分析典型煤礦煤巖反射光譜的差異性，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M碳質(zhì)物質(zhì)對碳質(zhì)泥巖反射光譜的影響規(guī)律，研究探測幾何和表面狀態(tài)對煤巖反射光譜的影響規(guī)律。

1. 典型煙煤和碳質(zhì)泥巖試樣反射光譜及成分分析

以前述山西馬蘭煤礦為例，選取了其另外 6 塊煙煤和碳質(zhì)泥巖煤巖試樣，其中煙煤 3 塊，屬于焦煤，碳質(zhì)泥巖 3 塊，如圖1 所示。明顯地，碳質(zhì)泥巖與煤均為黑色，外觀色澤上較為接近。

圖 1 馬蘭煤礦 6 塊典型煙煤和碳質(zhì)泥巖試樣

上6塊煤巖0.5 mm粒度粉末試樣所測400-2450 nm波段光譜反射率曲線如圖2所示，在圖 20 中，標(biāo)出了 8 個(gè)與主要組成成分相關(guān)的光譜特征帶，這 8個(gè)特征譜帶的主要相關(guān)基團(tuán)和離子如表 1所示。6 塊煤巖元素含量 XRF 分析結(jié)果和揮發(fā)分、灰分工業(yè)分析結(jié)果如表2所示。

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圖 2馬蘭煤礦 6 塊典型煙煤和碳質(zhì)泥巖試樣光譜反射率曲線

表 1 煙煤和碳質(zhì)泥巖試樣主要組成成分相關(guān)光譜帶

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表 2 煙煤和碳質(zhì)泥巖 XRF 分析和工業(yè)分析結(jié)果

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在圖 2 中，碳質(zhì)泥巖 3 在 1400 nm、1900 nm、2200 nm 波段反射光譜曲線吸收谷比其他 5 個(gè)試樣明顯，因此，碳質(zhì)泥巖 3 通過這 3 個(gè)吸收谷特征能夠清晰地與 3 種煙煤進(jìn)行區(qū)分。而碳質(zhì)泥巖 1、碳質(zhì)泥巖 2 與 3 種煙煤的反射光譜曲線較為相似，難以進(jìn)行區(qū)分。在 700 nm、870 nm 波段，碳質(zhì)泥巖 1 與煙煤 3 光譜曲線較為相似。在 400-550 nm、1000-1100 nm 波段多重吸收谷，以及 2300-2450nm 波段有機(jī)物多重吸收谷，在所有的反射光譜曲線中均有出現(xiàn)。碳質(zhì)泥巖 3 與其余 5 種試樣相比，碳質(zhì)泥巖 3 整體光譜曲線呈直線形狀，而其余 5 種試樣整體光譜曲線呈下凹形狀。表2中顯示了主要礦物元素 SiO2、Al2O3、Fe2O3、基質(zhì)的含量，以及工業(yè)分析成分揮發(fā)分、灰分的含量，其中基質(zhì)含量主要是指有機(jī)質(zhì)中的 C、H、O、N含量。碳質(zhì)泥巖 1 和碳質(zhì)泥巖 2 的基質(zhì)含量（47.80%和 41.25%）比碳質(zhì)泥巖 3的基質(zhì)含量（20.24%）大得多，這可能是導(dǎo)致碳質(zhì)泥巖 1、碳質(zhì)泥巖 2 的反射光譜曲線與三種煙煤樣品反射光譜曲線相似的主要原因。碳質(zhì)泥巖 3 反射光譜曲線 1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段的明顯吸收谷取決于其低基質(zhì)含量（20.24%）和產(chǎn)生高灰分（78.94%）的黏土、石英礦物。表2中兩個(gè)較高的鐵礦物元素含量（3.39%、3.14%）是造成碳質(zhì)泥巖 1 和煙煤 3 在 700 nm、870 nm 波段明顯吸收谷的主要原因。根據(jù)對表2中的主要成分和表1中的成分相關(guān)譜帶的分析，表1中的8個(gè)選定波長點(diǎn)吸收谷可以反映煙煤或碳質(zhì)泥巖的主要成分信息。從圖2中的反射曲線波形和表2中的成分含量可以很容易地推斷，分別與樣品中有機(jī)質(zhì)、礦物成分相關(guān)的基質(zhì)含量、灰分含量是決定樣品反射光譜曲線波形的關(guān)鍵因素。因此，需獲得碳質(zhì)物質(zhì)含量對煙煤和碳質(zhì)泥巖可見-近紅外波段反射光譜的影響規(guī)律。

1. 碳質(zhì)物質(zhì)含量對煙煤和碳質(zhì)泥巖反射光譜影響模擬實(shí)驗(yàn)

為研究碳質(zhì)物質(zhì)含量對煙煤和碳質(zhì)泥巖反射光譜的影響，采用了不同比例煙煤粉末與黏土粉末混合物的反射光譜進(jìn)行模擬，所采用煙煤粉末為馬蘭煤礦的干燥特低灰煙煤，屬于焦煤，其灰分為 2%，所采用黏土粉末的主要礦物成分含量為：高嶺石 62%、石英 19%、水云母 10%、蒙脫石 4%、褐鐵礦 3%、伊利石 1.2%，干燥特低灰煙煤粉末和黏土粉末粒度均為 0.5 mm。以干燥特低灰煙煤和黏土重量比分別為 0:100、5:95、…、95:5、100:0 的比例組成間隔為 5%的 21 種混合粉末試樣，按照圖 2-5 所示近距離反射光譜測量方法，測定了其培養(yǎng)皿中抹平表面的 400-2450 nm 波段反射光譜，所得的 21 條光譜反射率曲線如圖3所示。圖3(a)中的 12 條反射光譜曲線標(biāo)出了 1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段 3 個(gè)明顯吸收谷譜帶。

圖3特低灰煙煤與黏土不同比例混合粉末試樣光譜反射率曲線

由圖3可知，純黏土粉末具有最高的反射光譜曲線，而 5%煙煤含量的混合粉末大幅明顯下降，尤其是在 780-2450 nm 的近紅外波段，當(dāng)混合粉末中煙煤含量大于 5%時(shí)，隨煙煤含量的增加，混合粉末的反射光譜曲線以較小的幅度下降。隨煙煤含量的增加，混合粉末反射光譜曲線在 1400 nm、1900 nm 和 2200 nm波段 3 個(gè)吸收谷的深度減小，當(dāng)煙煤含量大于約 35%，1400 nm、1900 nm 和 2200nm 波段 3 個(gè)吸收谷幾乎消失，同時(shí)反射光譜曲線整體波形由凸變凹，光譜曲線間變得更加緊密相似，并趨向于水平方向。純低灰煙煤粉末具有最低的反射光譜曲線，其整體波形更接近水平。采用 780-2450 nm 波段光譜斜率、1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度兩類光譜特征參數(shù)來表征混合粉末反射光譜曲線波形隨煙煤含量的變化規(guī)律。圖3中的 21 條反射光譜曲線，按式（1）、（2）計(jì)算所得的兩類光譜特征參數(shù)隨煙煤含量的變化趨勢如圖4所示

圖4煙煤含量對混合粉末試樣光譜反射率曲線特征參數(shù)的影響

由圖4可知，隨煙煤含量的增加，混合粉末反射光譜曲線光譜斜率、1400nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度均呈整體下降趨勢。煙煤含量由 0%變到 5%時(shí)，光譜斜率、1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度均大幅下降，當(dāng)煙煤含量大于約 35%，隨煙煤含量的增加，光譜斜率緩慢下降，1400 nm、1900nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度均趨近于零，呈平穩(wěn)趨勢。在圖4中，在光譜特征參數(shù)與煙煤含量間進(jìn)行了回歸擬合，混合粉末光譜斜率與煙煤含量呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，其決定系數(shù)達(dá)到了 0.9829；1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度與煙煤含量均采用了指數(shù)函數(shù)回歸擬合，其決定系數(shù)分別為 0.9012、0.8761、0.9659。由低灰煙煤與黏土混合粉末反射光譜模擬實(shí)驗(yàn)可近似推斷：當(dāng)碳質(zhì)泥巖中碳質(zhì)物質(zhì)含量大于約 35%時(shí)，隨碳質(zhì)物質(zhì)含量增加，碳質(zhì)泥巖反射光譜曲線近紅外波段整體波形光譜斜率呈緩慢減小趨勢，1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷均開始變得不明顯，吸收谷深度呈趨近于零的穩(wěn)定趨勢；碳質(zhì)泥巖光譜斜率與其碳質(zhì)物質(zhì)含量呈冪函數(shù)關(guān)系，1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度與其碳質(zhì)物質(zhì)含量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

1. 總結(jié)

為了選擇煤巖反射光譜特征波段及識別方法研究，本次實(shí)驗(yàn)選取了 12 種典型煤和 11 種典型頂?shù)装迕合祹r石，對其可見-近紅外波段的反射光譜曲線特征進(jìn)行了分析，研究了煤和煤系巖石反射光譜曲線特征的物質(zhì)成分機(jī)理，分析了代表性煤礦典型煤巖反射光譜曲線的差異性，以及碳質(zhì)泥巖與煤反射光譜的相似性，通過模擬實(shí)驗(yàn)得到了碳質(zhì)物質(zhì)含量對碳質(zhì)泥巖反射光譜特征的影響規(guī)律。

(3) 煤巖反射光譜曲線的差異性在可見-短波近紅外波段難以找到較明顯的具有普適性的煤巖差異性吸收谷特征，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 1400 nm、1900 nm、2200 nm、2350 nm 四個(gè)波段，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，而碳質(zhì)物質(zhì)含量較高的碳質(zhì)泥巖與同煤礦煙煤的光譜波形較為相似，吸收谷均不明顯，在利用反射光譜吸收谷特征進(jìn)行煤巖區(qū)分時(shí)，2200 nm 和 2350 nm 兩個(gè)波段吸收谷為煤巖反射光譜差異性主要備選特征，2200nm 波段吸收谷為優(yōu)先選擇特征。

(4)碳質(zhì)物質(zhì)含量對碳質(zhì)泥巖反射光譜影響與碳質(zhì)泥巖中碳質(zhì)物質(zhì)、礦物成分相關(guān)的基質(zhì)含量、灰分產(chǎn)率是決定碳質(zhì)泥巖反射光譜曲線波形的關(guān)鍵因素，通過干燥特低灰煙煤與黏土混合粉末反射光譜模擬實(shí)驗(yàn)可近似推斷: 當(dāng)碳質(zhì)泥巖中碳質(zhì)物質(zhì)含量大于約 35%時(shí)，碳質(zhì)泥巖反射光譜曲線整體波形由凸變凹，1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷均開始變得不明顯;隨碳質(zhì)物質(zhì)含量繼續(xù)增加，整體反射率緩慢下降，整體波形變化較小，近紅外波段光譜斜率呈緩慢減小趨勢，1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度呈趨近于零的穩(wěn)定趨勢。隨碳質(zhì)物質(zhì)含量增加，碳質(zhì)泥巖光譜斜率呈嘉函數(shù)減小趨勢，1400 nm、1900 nm 和2200 nm 波段吸收谷深度均呈指數(shù)函數(shù)減小趨勢

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