煤成分分析及含量

1、现有研究存在的问题

从前述煤岩识别的研究现状可知，国内外已提出并局部试验了多种煤岩识别方法，但由于煤矿井下地质条件复杂、煤岩属性多变、干扰因素多等原因使得这些方法未获得普遍应用。从地物反射光谱探测、高光谱遥感的研究现状可知，反射光谱技术已在岩矿、煤矿等地物遥感识别领域得到了应用，受此启发，采用反射光谱技术进行煤岩识别。现有煤岩识别技术未基于煤岩物质成分的差异进行煤岩区分，基于物质成分的反射光谱技术用于煤岩识别还未有相关深入研究。

据此，基于反射光谱的煤岩识别本文对以下方面进行研究：为从煤岩物质成分差别引起的反射光谱差异上进行煤岩识别，需要研究煤岩反射光谱特征及其物质成分对光谱特征的影响，同时需要研究探测方位、煤岩状态等因素对其反射光谱的影响。

2、煤岩识别及反射光谱概述

地下煤层经长期沉积作用赋存于顶板岩石和底板岩石之间，由于自然形成煤层厚度的变化，煤岩交界常起伏变化。与此同时，由于煤炭形成沉积过程的影响，煤层顶底板与煤层交界处常为富含碳质物质的碳质页岩或黑色页岩，常使得顶底板岩石外观颜色上呈现出类似于相邻煤层煤炭的黑色。

图1综采工作面中煤岩识别示意图

相同波段的波形特征不同，此现象是反射光谱技术成功应用于地物反射光谱探测、高光谱遥感等领域的基本原理。其中，地物反射光谱探测和高光谱遥感所使用的光谱波段范围主要为可见光和近红外，波长范围为380-2526nm，光谱分辨率小于λ/100，其中λ为光谱波长。

图2不同物质反射光谱测定示意图

光谱是物质成分的“指纹”，煤岩反射光谱的差异性反映了煤岩物质成分的差异。因此，以物性成分为辨识依据的反射光谱技术有望为煤岩识别提供新的技术原理。受地物反射光谱探测和高光谱遥感启发，本文在可见-近红外波段范围研究煤岩反射光谱特征及其识别方法。

3、煤的反射光谱特征物质成分机理

3.1成分结构对煤反射光谱影响机理

前述3大类12种典型煤的XRD碳材料结构和矿物成分类型分析结果如图3所示。由图3可知，随煤阶的变化，煤的XRD光谱曲线展现出一定的规律性。前述12种典型煤的XRD谱线整体波形中展现了两个主要的衍射峰—002和100衍射峰，其中002表示芳香层片碳网平行定向程度，100表示芳香层片碳网的大小，因为部分煤样如低阶烟煤和褐煤，002和100两处衍射峰较微弱，故采用(002)和(100)表示。随煤阶的升高，25°、43°附近的(002)、(100)衍射峰变得越来越明显，表明煤阶越高，煤中芳香层片碳网平行定向的程度越好，芳香层片碳网越大，即分子结构芳构化程度越高。

图3 12种典型煤XRD谱图

Q：石英；K：高岭石；P：黄铁矿；M：云母

从图3中可以看处，除(002)和(100)两个主要衍射峰外，各阶煤种中还有各类矿物，主要为石英、高岭石、黄铁矿、云母等，这些矿物在近红外波段产生较为明显的吸收谷特征，这些吸收谷特征是岩矿高光谱遥感的主要基础。因此煤的反射光谱吸收谷特征受随煤阶变化的有机成分影响，也受矿物成分影响。

3.2煤的反射光谱特征参数与成分含量的相关性

本章所选的12种典型煤种在上一章进行的元素含量XRF分析结果主要包括了Si、Al、Fe元素的含量，以烧失后氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3形式表示，如表3所示。成分含量工业分析结果包括空气干燥基水分(Mad)、灰分(Aad)、挥发分(Vad)、固定碳(FCad)，如表1所示。

表1典型煤种的元素含量和工业分析成分含量/%

根据前述分析，煤阶升高时，煤分子结构芳构化程度变大，煤分子结构模型具有石墨化趋势，煤中C/H比增大，即煤固定碳含量增加，挥发分产率降低，同时，煤在近红外波段的反射光谱曲线长波长方向倾斜程度减小。因此，煤阶越高，光谱斜率越小，挥发分产率越低，固定碳含量越高，光谱斜率与挥发分产率、固定碳含量的线性相关性分析如图4所示。由图4可知，选取的12种典型煤种光谱斜率与挥发分产率、固定碳含量呈较好的正、负线性相关性。

图4典型煤种有机成分含量与光谱斜率相关性分析

由12个典型煤种反射光谱曲线计算所得每种煤中挥发分、水分、Fe2O3、Al2O3四类物质的吸收谷深度与表3中挥发分、水分、Fe2O3、Al2O3四类物质含量进行相关性分，结果如图5所示。

图5典型煤种物质成分含量与对应吸收谷深度和相关性分析

由前述不同煤阶煤的成分变化分子结构机理分析可知，煤组成成分极其复杂，分子结构种类繁多，脂肪侧链、含氧官能团等有机基团类型多样。各类有机基团在近红外波段所产生的合频和倍频吸收谷特征也具有多样性，产生众多的微弱吸收谷和少量明显吸收谷，其中1698nm、2303nm两处吸收谷较为明显。煤挥发分来源于复杂多样的脂肪侧链、含氧官能团等有机基团，煤1698nm、2303nm两处吸收谷不能有效反映挥发分产率。

3.3煤岩反射光谱差异性分析

本节以代表性煤矿煤岩近距离采集的可见-近红外波段反射光谱为研究对象，研究了代表性煤矿煤岩反射光谱主要差异性吸收谷谱带。选取了4个代表性煤矿的典型煤岩试样，对其可见-近红外波段反射光谱曲线进行分析，具体煤矿包括：山西马兰煤矿、山西新景煤矿、山东东风煤矿、山东兴隆庄煤矿。其中，马兰煤矿选取的典型煤岩类型包括焦煤、碳质泥岩(46)、碳质泥岩(48)、黑色页岩、粉砂岩，新景煤矿选取的典型煤岩类型包括无烟煤二号、黑色页岩，东风煤矿选取的典型煤岩类型包括贫煤、贫瘦煤、砂质页岩、中粒砂岩、细砂岩，兴隆庄煤矿选取的典型煤岩类型包括气煤、粉砂岩、泥质灰岩(04)、泥质灰岩(08)。以上典型煤岩试样按0.5mm粒度粉末抹平表面近距离采集的光谱曲线进行研究，按煤岩试样所在煤矿，其可见-近红外范围光谱反射率曲线如图6所示。

图6代表性煤矿煤岩反射光谱曲线对比

根据煤岩反射光谱特征分析可知，在可见-短波近红外波段（400-1100nm），受以Fe元素为主的过渡金属元素离子电子能级跃迁影响，大部分煤岩试样产生频繁的、吸收谷深度较小的多重吸收谷，由图6可知，难以在此波段找到较明显的具有普适性的煤岩差异性吸收谷特征。因此，本节重点研究长波近红外波段（1100-2450nm）煤岩反射光谱的差异性。

由图6可见，在长波近红外波段，与煤相比，大部分煤系岩石表现出了较为明显的吸收谷特征，主要集中在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm四个波段，表现为煤系岩石的吸收谷较明显，吸收谷深度较大。整体波形上，大部分煤系岩石较波折，呈现上凸波形，煤较为平缓，呈现下凹波形。只有马兰煤矿碳质基质含量较高的碳质泥岩(46)光谱波形较为平滑，吸收谷特征不明显，与同煤矿的焦煤较为相似。

马兰煤矿中碳质泥岩(48)、黑色页岩与焦煤差异性明显吸收谷出现在1400nm、1900nm、2200nm三个波段，粉砂岩与焦煤差异性明显吸收谷出现在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm四个波段。

新景煤矿中黑色页岩与无烟煤二号差异性明显吸收谷出现在1400nm、1900nm、2200nm三个波段，但黑色页岩此三个波段吸收谷较弱，煤岩吸收谷差异性相对较弱。

东风煤矿中砂质页岩与贫煤、贫瘦煤差异性明显吸收谷出现在1400nm、1900nm、2200nm三个波段，中粒砂岩、细砂岩与贫煤、贫瘦煤差异性明显吸收谷出现在1900nm、2200nm两个波段。

兴隆庄煤矿中泥质灰岩(08)与气煤差异性明显吸收谷出现在1900nm、2350nm两个波段，泥质灰岩(04)与气煤差异性明显吸收谷出现在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm四个波段，粉砂岩与气煤差异性明显吸收谷出现在1900nm一个波段。因此，除碳质泥岩(46)外，所有煤岩均具有明显差异性吸收谷。在煤矿井下开采原位煤岩表面常含有有大量水分，当煤岩表面均含有大量水分时，1400nm和1900nm两波段吸收谷在煤岩反射光谱曲线中均较为明显，此时1400nm和1900nm两波段吸收谷不能有效区分煤岩反射光谱，因此，只取2200nm和2350nm两个波段吸收谷作为煤岩反射光谱曲线区分的基础。

其中，2200nm波段可作为前三个煤矿中大部分煤岩区分的特征波段，2200nm波段也可作为兴隆庄煤矿中气煤与泥质灰岩(04)区分的特征波段，2350nm波段可作为兴隆庄煤矿中气煤与两种泥质灰岩区分的特征波段。综上，在利用反射光谱吸收谷特征进行煤岩区分时，本文选择2200nm和2350nm两个波段，其中2200nm波段优先选择。对于马兰煤矿中碳质泥岩(46)和兴隆庄煤矿中粉砂岩则难以通过吸收谷特征进行煤岩反射光谱区分，但此粉砂岩可通过整体波形进行煤岩区分，而此碳质泥岩(46)通过整体波形也难以进行煤岩区分。

4、总结

本章主要研究结果如下

采用了光谱斜率、吸收谷深度和两种参数对煤的反射光谱特征进行表示，并与其煤阶、成分进行了相关性分析:当煤阶从无烟煤至低阶烟煤变化时，光谱斜率随煤阶降低呈线性增加;当煤阶从低阶烟煤至褐煤变化时，光谱斜率随煤阶降低呈指数函数增加;煤光谱斜率与挥发分产率、固定碳含量呈正、负线性关系;煤空气干燥基水分、Fe2O3、Al2O3含量、空气干燥基挥发分产率分别与各自吸收谷深度和呈强、中、中、弱线性关系煤系岩石的反射光谱特征及其物质成分机理煤系岩石反射光谱曲线在可见-短波近红外波段出现多重吸收;在长波近红外波段整体波形上凸，吸收谷分布在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm四个位置，近红外波段吸收谷特征比可见波段更加明显，碳质物质含量较高的碳质泥岩吸收谷微弱，与烟煤的光谱曲线较相似。煤系岩石矿物中Fe等过渡金属离子的电子过程主要影响可见-短波近红外波段，矿物中H20、-OH、CO32-三类基团振动过程主要影响长波近红外波段，碳质物质对矿物光谱的掩蔽作用使得碳质物质含量较高碳质泥岩的吸收谷不明显

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