综放工作面煤岩近红外光谱特征与机理.pdf

第4 5 卷第8 期 2 0 2 0 年8 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．8 A u g ． 2 0 2 0 移动阅读 王赛亚，王世博，葛世荣，等．综放工作面煤岩近红外光谱特征与机理[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 8 3 0 2 4 3 0 3 2 ． W A N GS a i y a ，W A N GS h i b o ，G ES h i m n g ，e ta 1 ．N e a 卜i n f h r e ds p e c t m mc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mo fc o a la n dr o c k i nm e c h a n i z e dc a v i n gf a c e [ J ] ．J o u r n a lo fc h i n ac o a ls o c j e t y ，2 0 2 0 ，4 5 8 3 0 2 4 3 0 3 2 ． 综放工作面煤岩近红外光谱特征与机理 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2 2 1 1 1 6 摘要为研究综放工作面不同赋存位置的煤与岩石近红外光谱曲线特征和吸收机理，从同煤集团 塔山矿综放工作面采集煤与岩石钻芯，按赋存位置的差异将煤与岩石钻芯依次分为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，共计六大类、2 7 种 煤与岩石试样。在实验室利用A V A N T E s 近红外光谱仪分别获取2 7 种煤与岩石试样在长波近红 外波段 11 0 0 ～25 0 0n m 的反射光谱曲线。通过x 射线衍射、x 射线荧光、工业分析等实验手段 分别测定煤与岩石试样的矿物成分、元素含量、工业成分含量。同时为研究煤与岩石光谱曲线特征 差异的普适性，依次采集山西、山东、宁夏、内蒙古等矿区的2 2 种煤与岩石试样，并分别获取其在长 波近红外波段 11 0 0 ～25 0 0n m 的反射光谱曲线。通过对塔山矿综放工作面煤与岩石试样的光 谱特征和吸收机理以及不同矿区煤与岩石试样的光谱特征研究表明①煤层夹矸与顶板岩相比， 煤层夹矸的吸收特征和曲线斜率绝对值偏小，主要是因为煤层夹矸中相对较多的不透明炭质物质 遮蔽了无机离子在其特征波长处的吸收特征。虽然煤中基质 主要是c ，H ，0 元素组成的有机物 是其矿物的5 ．3 倍，但是有机基团在近红外波段没有明显的吸收特征，且大量不透明炭质物质遮蔽 了无机离子在近红外波段的吸收特征，使得煤的光谱曲线较为平滑且呈上升趋势。②煤与岩石光 谱曲线的差异特征可用吸收谷深度之和、斜率和凹凸度来描述。 关键词综放工作面；近红外光谱；煤与岩石钻芯；光谱曲线特征；吸收机理 中图分类号T D 6 7 ；T Q 5 3 3 文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 8 3 0 2 4 0 9 N e a r ．i n f r a r e ds p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a I l i s mo fc o a la n d r o c ki nm e c h a n i z e dc a 订n gf a c e W A N GS a i y a ，W A N GS h i b o ，G ES h i r o n g ，X I A N GY a n g ，Z H O UY u e ，Y A N GE n ，L UY u a n b o S c o o zD 厂肌c n n i c n fo n dE f e d r i c 血fE 憎i n e e r i 粥，∞n o 如i 钾珂如。厂肘溉昭 ％c n o f o g y ，盖l 血D u2 2 1 1 1 6 ，∞流血 A b s t r a c t I no r d e rt os t u d vt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da b s o r p t i o nm e c h a n i s mo fn e a 卜i n f r a r e ds p e c t r ao fc o a la n dr o c ka t d i f f e r e n to c c u I T e n c ep o s i t i o n si naf h l l vm e c h a n i z e dc a v i n gf a c e ，t h ec o a la n dr o c kd r i l lc o r e sa r ec o l l e c t e df r o mt h e f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c eo fT a s h a nm i n e ，i n c l u d i n gg a n g u ei nN o ．3 5 c o a ls e a m ，g a n g u ei nN o ．2c o a ls e a m ，r o c k o fi m m e d i a t er o o f 。r o c ko fm a i nm o f ，c o a li nN o ．3 5c o a ls e a m ，a n dc o a li nN o ．2c o a ls e a m ．A c c o r d i n gt ot h ed i Ⅱl e r - e n c eo fo c c u n ．e n c ep o s i t i o n ，t h ec o a la n dr o c kd r i Uc o r e sa r ed i v i d e di n t oat o t a lo f6c a t e g o r i e sa n d2 7t y p e so fc o a l a n dr o c ks a m p l e s ．I nt h el a b o r a t o r y ，A V A N T E Sn e a 卜i n f r a r e ds p e c t r o m e t e ri su s e dt oo b t a i nt h er e n e c t a n c es p e c t r a c u n ，e so f2 7k i n d so fc o a la n dr o c ks a m p l e sa t1 0 n gw a v en e a r - i r l h a r e db a n d 110 0 25 0 0n m ．T h m u g hX r a yd i f - f h c t i o n ，X r a y Ⅱu o r e s c e n c ea n di n d u s t r i a la n a l y s i s ，t h em i n e r a lc o m p o s i t i o n ，e l e m e n tc o n t e n ta n di n d u s t r i a lc o m p o s i - t i o nc o n t e n to fc o a la n dr o c ks a m p l e sa r ed e t e r m i n e dr e s p e c t i v e l v ．M e a n w h i l e ，i no r d e rt os t u d yt h eu n i v e r s a l i t vo ft h e 收稿日期2 0 1 9 一1 0 2 l修回日期2 0 2 0 0 3 0 7 责任编辑钱小静 D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 “c nk i _ j c c s ．2 叭9 ．1 4 3 5 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 叭8 Y F c 0 6 0 4 5 0 3 ；国家自然科学基金联合基金资助项目 u 1 6 1 0 2 5 1 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 8 7 4 2 7 9 作者简介王赛亚 1 9 9 4 一 ，男，安徽淮北人，硕士研究生。E m a i l w a n g s a i y a c u m t ．e d u ．c n 通讯作者王世博 1 9 7 9 一 ，男，河北新河人，教授，博士。E m a i l w a n g s h b c u m t ．e d u ．c n 万方数据 第8 期 王赛亚等综放工作面煤岩近红外光谱特征与机理 c h a r a c t e r i s t i cd 订k r e n c e sb e t w e e nc o a la n dr o c ks p e c t r a lc u r v e s ，2 2c o a la n dr o c ks a m p l e sf 而mS h a n x i ，S h a n d o n g ， N i n g x i a ，I n n e r ] Ⅵo n g o l i aa n do t h e rm i n i n ga r e a sa r ec o l l e c t e di nt u m ，a n dt h e i rr e n e c t i o ns p e c t r a lc u r v e si nt h el o n g w a v en e a r i n f r a r e db a n d 11 0 0 25 0 0n m a r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y ．T h es t u d yo nt h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d a b s o r p t i o nm e c h a n i s mo fc o a la n dr o c ks a m p l e si nt h ef u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c eo fT a s h a nm i n ea n dt h es p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c so fc o a la n dr o c ks a m p l e si nd i f k r e n tm i n i n ga r e a ss h o w st h a t q C o m p a r e dw i t ht h er o o fs l a t e ，t h ea b s o l u t ev a l u eo ft h ea b s o I p t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es l o p eo ft h ec u r v eo ft h ec o a ls e a ms a n d w i c ha r es m a U e r ，m a i n l yb e c a u s et h er e l a t i v e l y1 a r g ea m o u n to fo p a q u ec a r b o n a c e o u sm a t e r i a l si nt h ec o a ls e a mc o n t a i nt h ea b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n o r g a n i ci o n sa tt h e i rc h a r a c t e r i s t i cw a v e l e n g t h s ．A 1 t h o u g ht h eg r o u n d m a s s m a i n l yt h eo r g a n i cc o m p o u n d s c o m p o s e do fC ，Ha n d0e l e m e n t s i nc o a li s5 ．3t i m e sh 唔h e rt h a nt h em i n e r a l ，t h e r ei sn oo b v i o u sa b s o r p t i o nc h a m c t e “s t i co fo r g a n i cg r o u p si nt h en e a r i n f r a r e db a n d ，a n dal a 曙en u m b e ro fo p a q u ec a r b o n a c e o u ss u b s t a n c e so b s c u r et h e a b s o r p t i o nc h a m c t e r i s t i co fi n o 唱a n i ci o n si nt h en e a r i n f h r e db a n d ，m a k i n gt h es p e c t r a lc u r v eo ft h ec o a lr e l a t i V e l y s m o o t ha n ds h o w i n ga nu p w a r dt r e n d ．②T h ed i f k r e n c eb e t w e e nc o a la n dr o c ks p e c t r a lc u n r e sc a nb ed e s c r i b e db yt h e s u mo ft h ea b s o r p t i o nv a l l e yd e p t h ，s l 叩ea n dm u g h n e s s ．T h es t u d yo nt h es p e c t r a lc h a T a c t e r i s t i e sa n da b s o r p t i o nm e c h a n i s mo fc o a la n dr o c ki naf h l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c ea n dt h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i e so fe o a la n dr o c ki nd i f k r e n t m i n i n ga r e a si st op r o v i d ear e f e r e n c ea n db a s i sf o rc o a la n dm c ki d e n t i f i c a t i o ni nt h ec o a lm i n i n gp r o c e s s ． K e yw o r d s f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c e ；n e a r - i n f r a r e ds p e c t m m ；c o a la n dr o c kd r i l l i n gc o r e s ；s p e c t r a lc u r v ec h a r a c t e r i s t i c ；a b s o r p t i o nm e c h a n i s m 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l 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⋯。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旧j 。 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“ o ，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M A oY a c h u n 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MJ 。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1 5J 。宋亮等获取了9 2 个烟 煤和5 8 个褐煤的光谱曲线，得出在可见一近红外波 段褐煤的反射率和曲线斜率均大于烟煤的结 论∞1 。s O N Gz e y a n g 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“ J 。 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2 7 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、11 0 0 ～25 0 0n m 波段的曲线斜率、22 5 0 25 0 0n m 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x R D 、x R F 、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2 7 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A V A N T E s 公司的A v a s p e c N I R 5 1 2 2 ．5 一H S c E V O 光谱仪，共有5 1 2 个像元探 测器，有效测量波长范围为11 0 0 一25 0 0n m ，光谱分 辨率为3 ．2n m ，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1 0 0m m 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。 万方数据 3 0 2 6 煤炭学报2 0 2 0 年第4 5 卷 图1 光谱采集装置不意 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fs p e c t r a la c q u i s i t i o nd e v i c e 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1 0 组数 据，每个试样5 0 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≤4 4 ， ≤7 4 ，≤2 0 0 m 。分别采用G e n n a n y B m k e r _ D 8A d - v a n c e X R D ，G e 珊a n y B m k e r S 8T i g e r X R F ，C h i n a 一 5 E M A G 6 7 0 0 一全自动工业分析仪，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 ，1 4 号试样的光谱曲线较为相似，在14 1 0 ， l9 0 0 ，22 1 0n m 波长处出现吸收谷；9 号试样的光谱 曲线在14 1 0 ，19 0 0n m 波长处出现较微弱的吸收谷； 1 6 号试样的光谱曲线相对平滑、无吸收谷。直接顶 中的2 4 ，2 5 ，2 6 号试样较1 8 ，1 9 ，2 0 号试样而言，光谱 万方数据 第8 期 王赛亚等综放工作面煤岩近红外光谱特征与机理 3 0 2 7 曲线在l4 l o ，19 0 0 ，22 1 0n n ，波长处的吸收谷更为 明显；直接顶中的2 号煤层夹矸2 2 号试样与3 ～5 号 煤层夹矸试样的光谱曲线相似，仅在14 1 0 ，l9 0 0 ， 22 1 0n m 波长处出现微弱的吸收谷。基本顶中的2 7 号试样在14 1 0 ，19 0 0 和22 1 01 1 I n 波长处出现了非 常明显的吸收谷，并且在22 1 0n r n 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1 3 号煤试样的光谱曲线在 22 5 0 ～25 0 0n n ，波段出现明显的下降趋势，以及2 号煤层中2 3 号煤试样在22 1 0n n ，波长处出现了相 对明显的吸收谷。 装 剐 崮 舱 堡 褂 亲 呕 ～ ．厂、 ＼ ／] ／、 ＼ 2 7基本项 二公r ＼一、． 2 6 厂弋一 2 5直 口m2 4 ；荫 2 2接 2 0 顶 、，、、 一 ～1 9 1 8 1 6 1 4 一 、一 93 ～5 号 7 煤层 ＼p ～． 5 夹矸 3 l 波长／n m a 煤系岩石 图2 煤系岩石与煤的近红外光谱曲线 F 嘻2 N e a 卜i 1 1 I b r e 1s I e c t Ⅲmc u r v e so f - o a ln l e a s u I e s l ’o c k sa 1 1 dc o a l 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11 0 0 ～25 0 0n m 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22 5 0 ～25 0 0n m 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日，_ 8 j 、11 0 0 ～ 25 0 0n m 波段的曲线斜率K 、22 5 0 ～25 0 0n m 波段 的曲线斜率K ’、曲线的凹凸度日’。图3 a 中， 日，，日，H 3 分别为14 l o ，l9 0 0 ，22 1 01 1 m 处的吸收谷 深度，日，为三者之和。图3 b 中，l1 0 0 ，25 0 0n m 对 应反射率连线的斜率K 定义为1 1 0 0 ～25 0 0n m 波段 的曲线斜率，△R ，△A 分别为反射率和波长的增量。 图3 c 中，22 5 0 ，25 0 0n n ，对应反射率连线的斜率 K ’定义为22 5 0 ～25 0 01 1 1 1 1 波段的曲线斜率，△尺7 ， △A ’分别为反射率和波长的增量。图3 d 中，l4 0 0 ～21 0 0n m 波段内最大反射率与曲线首尾 连线的竖直距离Ⅳ’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1 6 号煤系岩石试样 外，岩光谱曲线的日。远大于煤光谱曲线的日，，随着 煤或岩赋存位置由低到高，H ，有增大趋势。由图 4 b 可知，煤的光谱曲线在1 1 0 0 ～25 0 0n m 波段的 斜率K 均为正值，岩石的斜率K 基本为负值，但1 6 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1 3 ，2 3 号煤试样在22 5 0 ～25 0 0 Ⅲ1 1 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， 煤的光谱曲线日7 远小于岩光谱曲线的日’；随着岩石 的赋存位置由低到高，H7 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 x R D 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 A l ，S L 0 ； 0 H 。 、石英 S i 0 、钠长石 N a A l S i ，0 。 、绿锥 石 F ， S i F e ，0 ， 0 H 。 、方解石 M g C a C 0 。 、利蛇纹 石 M g ，[ o H 。ls i 0 ，] ，l ，1 4 号试样的主要矿物成 分包括高岭石，石英，钠长石，绿锥石；l ，3 ，5 ，7 ，1 4 号 试样的光谱曲线在l4 1 0n m 波长的吸收谷主要是由 其所含矿物中结构水 o H 一 产生的第l 共振引起 的一“⋯，】9 0 0n m 波长处的吸收谷主要是石英包体水 中H 一0 一H 与弯曲拉伸的0 H 产生的共振引起 万方数据 3 0 2 8 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 羁 嫠 霎 督 i皮长／nm澍张／nm a 吸收谷深度嘿 b 1l o o 25 0 0 n m 波段的曲线斜率置 1 1 0 0 13 0 0l5 0 0l7 0 0l9 0 021 0 023 0 025 0 0 波长／n m c 22 5 0 25 0 0 蛐波段的曲线斜率置 波长／n m d 光谱曲线凹凸度日 图3 煤系岩石与煤光谱曲线的特征参数定义 F i g ．3 D e f i n i t i o no fc h a r a c t e “s t i cp a r a m e t e r so fs p e c t r a lc u r v e so fc o a lm e a s u r e sr o c k sa n dc o a l 煤岩试样序号 a 吸收谷深度皿 024681 0 1 21 4 1 6 1 82 0 2 2 2 4 2 6 2 8 煤岩试样序号 c 22 5 25 0 0 m 波段的曲线斜率K 娄 基 目 臣 螂 钼 艇 安 煤岩试样序号 b 1 1 0 0 25 0 0n m 波段的曲线斜率K 图4 煤系岩石与煤光谱曲线的特征参数趋势 煤岩试样序号 d 光谱曲线凹凸度日 F i g ．4 T r e n dc h a r to fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs p e c t r a lc u n r e so fc o a lm e a s u r e sm c k sa n dc o m 鋈料操哒 逞斜杂哒 逞料杂哒 逞瓣杂呕 一I_911．装一／l埘褂孺螺雹 万方数据 第8 期王赛亚等综放工作面煤岩近红外光谱特征与机理 3 0 2 9 表2煤系岩石与煤的主要元素及工业成分含量 T a b l e2T a b l eo fm a i ne I e m e n t sa n di n d u s t r i a Ic o m p o n e n t so fc o a lm e a s u r e sr o c k sa n dc o a l ％ 成分分析 工业分析 峄A KK 々c t c - Q j 2 03 04 05 06 07 0 衍射角／ o a 煤系岩石 A 一钠长石 K 一高岭石； C 一绿锥石； L 一利蛇纹石； C ‘一方解石 O 一石英 图5 煤系岩石与煤的x R D 谱 衍射角／ 。 b 煤 F i g ．5X r a yd i m a c t i o ns p e c t r ao fc o a lm e a s u r e sl ‘o c k sa n d 、 a l 的‘5 1 2 叫引，22 1 0n m 波长的吸收谷主要是由钠长石、 高岭石中A l 与O H 一的弯曲拉伸振动引起的N 1 。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l4 1 0 ，19 0 0t ，m 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。1 6 号试样的主要矿物成分包括高岭石、方解石、 一．3．、，／剐文漤堡衄一赵喂 卯拍”孔勉加内掩M M 9 ● ，，● 一．3．／剐文漤曝叮一越嘿 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 利蛇纹石、石英、绿锥石，该试样中基质 主要是 c ，H ，0 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、 A l O H 在l4 1 0 ，l9 0 0 ，22 1 01 1 n 1 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。1 4 ‘”。。 直接顶中的2 4 ，2 5 ，2 6 号试样较1 8 ，1 9 ，2 0 号试 样而言，含有较多的石英包体水导致光谱曲线 在19 0 0n m 波长处呈现相对明显的吸收谷；同时由 于2 4 ，2 5 ，2 6 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、A 1 0 H 在14 1 0 ，l9 0 0 ，22 1 01 1 n 1 波长处吸收特征的影响 较微弱，所以直接顶中2 4 ，2 5 ，2 6 号试样的吸收谷更 为显著。直接顶中的2 号煤层夹矸2 2 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、A l 一0 H 在l4 1 0 ，l9 0 0 ，22 1 0n m 波长处的吸收特征u “，使得2 2 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2 7 号试样仅有少量的基质、不存在 固定碳，所以其对A l 一0 H 、结构水、包体水的吸收特 征遮蔽作用较弱，致使2 7 号试样光谱曲线吸收谷深 度之和Ⅳ，、1 1 0 0 ～25 0 01 1 n 波段曲线斜率K 、22 5 0 ～ 25 0 0n m 波段曲线斜率K 7 、曲线凹凸度疗’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2 7 号试样的 光谱曲线在22 1 0 ，砌波长处表现出尖锐的吸收 谷m 叫71 。 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 o H 一 、石英 包体水、高岭石和钠长石中的A l 一0 H 会引起吸收谷 特征。18 ‘1 9 。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_ ’1 ’。2 ，反而会遮蔽无机离子团在1 1 0 0 ～ 25 0 0n m 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2 3 号 试样在22 1 0n m 波长处的吸收谷，主要是由高岭石 和钠长石中A l 一0 H 引起的；同时2 3 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A l 一0 H 在22 1 0n m 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2 3 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日，、1 1 0 0 ～ 25 0 01 1 m 波段的曲线斜率K 、22 5 0 ～25 0 0 ，1 1 1 1 波段的 曲线斜率K7 、曲线的凹凸度Ⅳ’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64 i ㈣矿区煤与 彳m 勺近红外光谱 r 嘻6 N r m i l l f j l a r P t is I e P t r a l ⋯v P s “【。o a la 1 1 h 挑i l l t l i f k I ’e n tI “1 1 i 1 1 9a r ㈨s 表3 不同矿区的煤与岩石样本 T a b l e3C o a la n dr o c ks a m p l e sf r o md i f T e r e n tm i n i n ga r e a s 万方数据 第8 期王赛亚等综放工作面煤岩近红外光谱特征与机理 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H 远大于煤光谱 曲线的吸收谷深度之和日，，煤与岩石光谱曲线吸 收谷深度之和日，平均约相差4 0 倍；岩光谱曲线 在11 0 0 ～25 0 0n m 波段的斜率K 基本为负值，而 f 目 未 孓 蕃 菇 懋 霜 样本编号 a 吸收谷深度红 样本编号 c 2 2 5 毗5 0 0 n m 波段的曲线斜率K 煤光谱曲线在该波段的斜率K 基本为正值；岩光 谱曲线在22 5 0 ～25 0 0n m 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日7 均为正值，岩光 谱曲线的凹凸度日7 远大于煤光谱曲线的凹凸 度日’，煤与岩石光谱曲线的凹凸度日’平均约相差 1 3 倍。 O ．0 0 4 O ．0 0 2 一 O 蓦_ 0 ．0 0 2 未_ o 0 0 4 蚤_ o ．0 0 6 褂_ o ．0 0 8 蠹枷l o 柱_ o ．0 1 2 - o ．0 1 4 _ o ．0 1 6 样本编号 b l l O O 25 0 0n m 波段的曲线斜率置 样本编号 d 光谱曲线凹凸度日 图7不同矿区煤与岩石光谱曲线的特征参数趋势 F i g ．7 C h 啪c t e r i s t i cp a m m e t e rt r e n dd i a g r a mo fs p e c t r a lc u Ⅳe so fc o a