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1、引言

前文已對典型煤巖的反射光譜曲線特征進行研究，并分析了反射光譜特征產生的物質成分機理。本文將對煤巖反射光譜曲線特征參數與其成分的進行關聯規律。并分析典型煤礦煤巖反射光譜的差異性，通過實驗模擬碳質物質對碳質泥巖反射光譜的影響規律，研究探測幾何和表面狀態對煤巖反射光譜的影響規律。

2、典型煙煤和碳質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 塊煙煤和碳質泥巖煤巖試樣，其中煙煤 3 塊，屬于焦煤，碳質泥巖 3 塊，如圖1 所示。明顯地，碳質泥巖與煤均為黑色，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，標出了 8 個與主要組成成分相關的光譜特征帶，這 8 個特征譜帶的主要相關基團和離子如表 1所示。6 塊煤巖元素含量 XRF 分析結果和揮發分、灰分工業分析結果如表2所示。

圖 2馬蘭煤礦 6 塊典型煙煤和碳質泥巖試樣光譜反射率曲線

表 1 煙煤和碳質泥巖試樣主要組成成分相關光譜帶

表 2 煙煤和碳質泥巖 XRF 分析和工業分析結果

在圖 2 中，碳質泥巖 3 在 1400 nm、1900 nm、2200 nm 波段反射光譜曲線吸收谷比其他 5 個試樣明顯，因此，碳質泥巖 3 通過這 3 個吸收谷特征能夠清晰地與 3 種煙煤進行區分。而碳質泥巖 1、碳質泥巖 2 與 3 種煙煤的反射光譜曲線較為相似，難以進行區分。在 700 nm、870 nm 波段，碳質泥巖 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 波段有機物多重吸收谷，在所有的反射光譜曲線中均有出現。碳質泥巖 3 與其余 5 種試樣相比，碳質泥巖 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、基質的含量，以及工業分析成分揮發分、灰分的含量，其中基質含量主要是指有機質中的 C、H、O、N含量。碳質泥巖 1 和碳質泥巖 2 的基質含量（47.80%和 41.25%）比碳質泥巖 3的基質含量（20.24%）大得多，這可能是導致碳質泥巖 1、碳質泥巖 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含量（20.24%）和產生高灰分（78.94%）的黏土、石英礦物。表2中兩個較高的鐵礦物元素含量（3.39%、3.14%）是造成碳質泥巖 1 和煙煤 3 在 700 nm、870 nm 波段明顯吸收谷的主要原因。根據對表2中的主要成分和表1中的成分相關譜帶的分析，表1中的8個選定波長點吸收谷可以反映煙煤或碳質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，分別與樣品中有機質、礦物成分相關的基質含量、灰分含量是決定樣品反射光譜曲線波形的關鍵因素。因此，需獲得碳質物質含量對煙煤和碳質泥巖可見-近紅外波段反射光譜的影響規律。

3、碳質物質含量對煙煤和碳質泥巖反射光譜影響模擬實驗

為研究碳質物質含量對煙煤和碳質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 條反射光譜曲線標出了 1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段 3 個明顯吸收谷譜帶。

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，當混合粉末中煙煤含量大于 5%時，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 個吸收谷的深度減小，當煙煤含量大于約 35%，1400 nm、1900 nm 和 2200nm 波段 3 個吸收谷幾乎消失，同時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來表征混合粉末反射光譜曲線波形隨煙煤含量的變化規律。圖3中的 21 條反射光譜曲線，按式（1）、（2）計算所得的兩類光譜特征參數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，光譜斜率、1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度均大幅下降，當煙煤含量大于約 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，呈平穩趨勢。在圖4中，在光譜特征參數與煙煤含量間進行了回歸擬合，混合粉末光譜斜率與煙煤含量呈較好的冪函數關系，其決定系數達到了 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函數回歸擬合，其決定系數分別為 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驗可近似推斷：當碳質泥巖中碳質物質含量大于約 35%時，隨碳質物質含量增加，碳質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定趨勢；碳質泥巖光譜斜率與其碳質物質含量呈冪函數關系，1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度與其碳質物質含量呈指數函數關系。

4、總結

為了選擇煤巖反射光譜特征波段及識別方法研究，本次實驗選取了 12 種典型煤和 11 種典型頂底板煤系巖石，對其可見-近紅外波段的反射光譜曲線特征進行了分析，研究了煤和煤系巖石反射光譜曲線特征的物質成分機理，分析了代表性煤礦典型煤巖反射光譜曲線的差異性，以及碳質泥巖與煤反射光譜的相似性，通過模擬實驗得到了碳質物質含量對碳質泥巖反射光譜特征的影響規律。

(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 四個波段，整體波形上，大部分煤系巖石較波折，呈現上凸波形，煤較為平緩，呈現下凹波形，而碳質物質含量較高的碳質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行煤巖區分時，2200 nm 和 2350 nm 兩個波段吸收谷為煤巖反射光譜差異性主要備選特征，2200nm 波段吸收谷為優先選擇特征。

(4)碳質物質含量對碳質泥巖反射光譜影響與碳質泥巖中碳質物質、礦物成分相關的基質含量、灰分產率是決定碳質泥巖反射光譜曲線波形的關鍵因素，通過干燥特低灰煙煤與黏土混合粉末反射光譜模擬實驗可近似推斷: 當碳質泥巖中碳質物質含量大于約 35%時，碳質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;隨碳質物質含量繼續增加，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定趨勢。隨碳質物質含量增加，碳質泥巖光譜斜率呈嘉函數減小趨勢，1400 nm、1900 nm 和2200 nm 波段吸收谷深度均呈指數函數減小趨勢

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