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萊森光學(xué)：典型塊狀煤的可見-近紅外光譜特征研究
典型塊狀煤的可見-近紅外光譜特征研究
越來越多的光譜分析技術(shù)用在了煤礦高光譜遙感、煤矸識(shí)別、煤種鑒別、煤質(zhì)分析等煤礦勘測(cè)和煤檢測(cè)領(lǐng)域?？梢?近紅外波段(380~2526nm)反射光譜測(cè)試方便，儀器成本較低，適用于在線分析。
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01引言
由于煤分子結(jié)構(gòu)的非晶質(zhì)生，主要包括了芳香結(jié)構(gòu)為主的環(huán)狀大分子化合物和鏈狀結(jié)構(gòu)為主的低分子化合物，以上結(jié)構(gòu)中的有機(jī)吸收基團(tuán)的基頻主要集中在中紅外(4000~400cm)范圍，使得煤絕大多數(shù)明顯的吸收峰出現(xiàn)在中紅外波段。
相關(guān)研究表面在可見-近紅外波段煤階越低，芳香結(jié)構(gòu)排列越無序，導(dǎo)致了煤的紅色斜率光譜，即較低階煤光譜反射率隨波長增加而增大。煤在400~2 500 nm 范圍光譜反射率隨碳含量的增加而減小，煤光譜中1400與1900nm水和羥基吸收深度也是隨碳含量的增加而減小，1900nm處的吸收特征比1400 nm處更明顯:低階煤中水的發(fā)生能態(tài)以及與煤體結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)相互作用，表明煤階越低，越易產(chǎn)生水吸附，對(duì)煤光譜中水譜帶的影響越大。
研究不同類型煤在可見-近紅外波段的反射光譜曲線特征及變化規(guī)律，并分析光譜特征產(chǎn)生的物質(zhì)機(jī)理，為煤礦高光譜遙感中煤光譜數(shù)據(jù)庫的建立提供依據(jù)，也為直接利用光譜曲線波形特征快速、低成本定性識(shí)別煤種類提供參考。
煤分子的結(jié)構(gòu)
02煤反射光譜曲線特征
由圖1可知，煤在可見-近紅外波段的整體光譜反射率隨煤階的升高而降低。煤化程度比較高的兩種無煙煤光譜曲線近似水射率值較低。所有煤種在近紅外波段(780~2450nm)的光譜反射率隨波長的增加而呈增加趨勢(shì)(兩種褐煤在1 900 nm 波段附近開始下降)。圖1列出了煤樣較明顯的 13個(gè)局部吸收谷波段，包括：455，514，591，662，770，900，1 106,1342,1418,1698,1905,2 196和2 303 nm，結(jié)合煤階的變化可知，455~1342nm各吸收谷較明顯地出現(xiàn)在各階煤樣中，當(dāng)煤階越低時(shí)1418~2303nm各吸收谷越明顯。
圖1 典型煤種的可見-近紅外波段反射光譜曲線及較明顯局部吸收波段1：無煙煤一號(hào)；2：無煙煤二號(hào)；3：貧煤；4：貧痩煤；5：瘦煤；6：焦煤；7：肥煤；8：1/3焦煤；9：氣肥煤；10：氣煤；11：褐煤一號(hào)；12：褐煤二號(hào)
圖2 煤樣反射光譜曲線特征參數(shù)化表示
圖2列舉了本實(shí)驗(yàn)中四個(gè)相當(dāng)有代表性煤樣的反射光譜：煤階比較高的無煙煤一號(hào)(1)、煤階比較低的褐煤二號(hào)(12)，煙煤中煤階比較高的貧煤(3)、煤階比較低的氣煤(10)。
計(jì)算反射曲線光譜斜率(以下簡稱光譜斜率)，即連線的斜率Ki
圖3 煤樣光譜斜率隨煤階增加的變化趨勢(shì)
1：無煙煤一號(hào)；2：無煙煤二號(hào)；3：貧煤；4：貧瘦煤；5：瘦煤；6：焦煤；7：肥煤；8：1/3 焦煤；9：氣肥煤；10：氣煤；11：褐煤一號(hào)；12：褐煤二號(hào)
由式(1)計(jì)算所得圖1中煤樣的光譜斜率隨煤階增加的變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可知，煤的光譜斜率隨煤階的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。低階煙煤間光譜斜率變化相對(duì)較小當(dāng)煤階降低到褐煤時(shí)，光譜斜率快速增加。
表2 引起煤樣反射光譜明顯吸收谷的主要基團(tuán)和離子
圖5 煤樣工業(yè)分析有機(jī)成分含量與反射光譜斜率的相關(guān)性分析
(a)：揮發(fā)分產(chǎn)率；(b)：固定碳含量
工業(yè)分析有機(jī)成分含量中揮發(fā)分產(chǎn)率、固定碳含量反應(yīng)了煤樣的煤化程度，與光譜斜率K，的相關(guān)性分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，塊狀煤樣揮發(fā)分產(chǎn)率、固定碳含量分別與光譜斜率表現(xiàn)出了較好的正、負(fù)線性相關(guān)性。
03實(shí)驗(yàn)結(jié)論
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在可見-近紅外波段，無煙煤的反射光譜曲線整體上趨于水平方向，吸收谷特征不明顯。隨煤階的降低，光譜反射率、光譜斜率整體上呈增加趨勢(shì)，吸收谷增多且吸收強(qiáng)度增加。
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煤分子結(jié)構(gòu)的芳構(gòu)化趨勢(shì)對(duì)煤階變化時(shí)整體光譜反射率大小、反射曲線整體波形變化起到主要作用。以脂肪側(cè)鏈為主的有機(jī)吸收基團(tuán)在近紅外波段的倍頻和合頻產(chǎn)生眾多吸收疊加，絕大多數(shù)吸收谷特征不明顯，相對(duì)較為明顯的吸收谷產(chǎn)生在1700和2300nm附近。少量含F(xiàn)e等過渡金屬礦物、H0、粘土礦物等無機(jī)物成分也是煤反射光譜吸收谷特征增多的因素。
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光譜斜率與揮發(fā)分產(chǎn)率、固定碳含量分別呈正、負(fù)相關(guān)性。H0譜帶吸收深度之和與內(nèi)在水分含量線性相關(guān)性較好，F(xiàn)e和AI含量與相關(guān)吸收谷深度之和基本呈線性關(guān)系，1700和2300nm吸收谷深度之和與揮發(fā)分產(chǎn)率線性相關(guān)性較差。
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