背景及意義

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，在可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)的較長(zhǎng)時(shí)間里，能源的需求量會(huì)持續(xù)快速上升。雖然煤炭使用的比例有所下降，但作為第一主要能源不會(huì)改變，到2030年我國(guó)煤炭消費(fèi)占比仍將達(dá)到55%左右。由于我國(guó)90%的煤炭為地下開(kāi)采，而且50%埋藏深度超過(guò)1000米，深部煤層瓦斯爆炸、巖層垮塌、突水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率高、偶然性強(qiáng)，煤炭開(kāi)采面臨著大采深、高危險(xiǎn)、采掘難的特殊難題。針對(duì)煤炭能源技術(shù)革命的發(fā)展需求，傷亡率高、效率低的開(kāi)采方式已不能滿足現(xiàn)代化開(kāi)采的需要，無(wú)人化、智能化開(kāi)采是世界范圍內(nèi)煤礦實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色目標(biāo)的急切需求和有效途徑。

煤巖識(shí)別作為國(guó)際煤炭開(kāi)采領(lǐng)域共同追求但尚未解決的前沿技術(shù)，一直是阻礙無(wú)人化煤炭開(kāi)采領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重大難題。

深入研究煤巖高分辨率反射光譜的特征及其差異，以及基于反射光譜高效地區(qū)分煤巖的方法具有重要意義。因此掌握基于反射光譜技術(shù)的煤巖識(shí)別基本原理以及有效識(shí)別方法將為煤巖識(shí)別這一世界性難題提供重要理論依據(jù)和技術(shù)性指導(dǎo)。

煤的反射光譜特征

反射光譜技術(shù)在煤礦、巖礦遙感領(lǐng)域的應(yīng)用為煤巖識(shí)別方法的研究提供了新思路，獲取煤巖的反射光譜特征是研究基于反射光譜煤巖識(shí)別方法的基礎(chǔ)，已有少數(shù)學(xué)者研究了部分煤巖的可見(jiàn)-近紅外反射吸收光譜特征。然而還未有針對(duì)我國(guó)典型煤和煤系巖石反射光譜特征的系統(tǒng)性研究，研究典型煤和煤系巖石的反射光譜特征不僅為利用光譜波形低成本快速地鑒別煤和煤系巖石種類(lèi)提供依據(jù)，也為研究煤巖反射光譜的差異性及識(shí)別方法提供前提。煤和煤系巖石的反射光譜曲線特征是進(jìn)行煤巖反射光譜差異性分析的基礎(chǔ)，煤巖反射光譜差異性是進(jìn)行煤巖區(qū)分的直接依據(jù)。

為此，本章對(duì)各類(lèi)典型煤和煤系巖石可見(jiàn)-近紅外反射光譜曲線特征進(jìn)行分析，研究煤巖反射光譜特征所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)成分機(jī)理；

2.1 典型煤種的光譜反射率曲線

在煤炭分類(lèi)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 11760 Classification of coals 和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T5751《中國(guó)煤炭分類(lèi)》中，對(duì)煤炭給出了相同的定義，即煤炭是主要由植物遺體經(jīng)煤化作用轉(zhuǎn)化而成的富含碳的固體可燃有機(jī)沉積巖，含有一定量的礦物質(zhì)，其灰分產(chǎn)率小于或等于 50%。兩標(biāo)準(zhǔn)都將煤按照其變質(zhì)程度分為無(wú)煙煤、煙煤、褐煤三大類(lèi)。由以上標(biāo)準(zhǔn)可知，煤為一種沉積巖，然而由于無(wú)煙煤煤化變質(zhì)程度高，也有專(zhuān)著將部分無(wú)煙煤歸屬到變質(zhì)巖類(lèi)型。本文按照 GB/T 5751 進(jìn)行了小類(lèi)的取樣，選取了12 種典型煤種作為研究對(duì)象，涵蓋了無(wú)煙煤、煙煤、褐煤三大煤類(lèi)，具體如表1 所示。表1 中 12 種煤樣由上到下按照煤階降低的順序排列，包含了每種煤的產(chǎn)地及煤礦。

表 1 典型煤種試樣

本文利用煤 0.5 mm 粒度粉末試樣抹平表面反射光譜模擬塊狀原位煤巖試樣表面反射光譜。近距離采集的表1 中 12 種煤 0.5 mm 粒度粉末抹平表面的反射光譜如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 無(wú)煙煤光譜反射率曲線

圖1、圖2、圖3將350-399nm和2451-2500nm波段光譜曲線去掉，只保留了400-2450nm波段光譜曲線。由圖1可知，兩種無(wú)煙煤整體光譜曲線波形呈水平狀，無(wú)煙煤一號(hào)整體光譜曲線有微弱的下降趨勢(shì)，無(wú)煙煤二號(hào)相對(duì)水平，無(wú)煙煤二號(hào)光譜曲線整體反射率稍高于無(wú)煙煤一號(hào)。在400-1000nm波段，兩條光譜曲線均出現(xiàn)頻繁的吸收谷特征，在1000-2450nm波段基本都未出現(xiàn)明顯的吸收谷特征。

圖2 煙煤光譜反射率曲線

圖2中8種煙煤的整體光譜反射率隨煤階的降低呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且煤階越低，上升趨勢(shì)越明顯。隨煤階降低，2100-2400nm波段范圍出現(xiàn)的吸收特征越來(lái)越明顯。當(dāng)煤階較低時(shí)，如1/3焦煤、氣肥煤、氣煤光譜曲線從約2200nm處停止隨波長(zhǎng)增加的整體上升趨勢(shì)。在400-1000nm波段，大多數(shù)反射光譜曲線均出現(xiàn)頻繁的吸收谷特征，在1000-2450nm波段均出現(xiàn)明顯的吸收谷特征，煤階變低時(shí)吸收谷特征不僅變多，而且變明顯。

圖3 褐煤光譜反射率曲線

圖3中兩種褐煤的反射光譜曲線隨波長(zhǎng)的增加整體波形先上升，然后從約1800nm處開(kāi)始出現(xiàn)明顯的吸收谷，整體波形開(kāi)始下降，褐煤二號(hào)光譜曲線整體反射率稍高于褐煤一號(hào)。在400-1000nm波段，兩種褐煤的反射光譜曲線均出現(xiàn)頻繁的吸收谷特征，在1000-2450nm波段均出現(xiàn)明顯的吸收谷特征，兩種褐煤在1900nm附近均出現(xiàn)明顯的吸收谷特征，褐煤二號(hào)最為明顯。12種煤的反射光譜曲線在400-2450nm波段整體變化規(guī)律及較明顯吸收谷波長(zhǎng)位置如圖4所示。

圖4 12 個(gè)典型煤種可見(jiàn)-近紅外波段反射光譜曲線明顯吸收谷位置

35：無(wú)煙煤一號(hào)；59：無(wú)煙煤二號(hào)；36：貧煤；37：貧瘦煤；38：瘦煤；39：焦煤；40：肥 煤；41：1/3 焦煤；42：氣肥煤；43：氣煤；44：褐煤一號(hào)；45：褐煤二號(hào)

從圖4可知，12種煤整體反射光譜曲線表現(xiàn)為隨煤階的降低，曲線升高，即整體反射率增加，波形由近水平到正傾斜且傾斜程度逐漸增加，低階煤近紅外波段光譜反射率曲線的后半部分波段整體波形變水平到負(fù)向傾斜。

2.2 煤反射光譜曲線參數(shù)化及規(guī)律

光譜曲線特征參數(shù)化，是為了將光譜曲線特征轉(zhuǎn)化為適于計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析的形式。為此，對(duì)反射光譜曲線特征進(jìn)行定量表示，用參數(shù)化的方式來(lái)表達(dá)反射率變化的規(guī)律。通過(guò)反射光譜曲線特征參數(shù)化和參量提取，構(gòu)建分析特征參量集，為后續(xù)光譜匹配、分類(lèi)、識(shí)別、反演奠定基礎(chǔ)。如前所述，12種煤在近紅外波段（780-2450nm）反射光譜曲線整體變化斜率具有明顯的規(guī)律性，為此從780nm波長(zhǎng)點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算煤反射光譜曲線的光譜斜率。圖5中選取了前述12種煤樣中的4種代表性煤巖的反射光譜曲線，包括：煤階最高的煤種—無(wú)煙煤一號(hào)（35）、煤階最高的煙煤—貧煤（36）、煤階最低煙煤—?dú)饷海?3）、煤階最低的褐煤—褐煤二號(hào)（45）。

圖5 代表性煤樣反射光譜曲線特征參數(shù)化

3、煤系巖石的反射光譜特征

煤系巖石是利用反射光譜技術(shù)進(jìn)行煤巖識(shí)別研究中需要識(shí)別的主要賦存巖石，根據(jù)上一章收集的煤系巖石類(lèi)型及分析，煤系巖石主要包括泥頁(yè)巖、砂巖、灰?guī)r三個(gè)沉積巖大類(lèi)。類(lèi)似于地表同類(lèi)沉積巖，在近紅外波段，煤系巖石反射光譜特征也主要取決于其中礦物的光譜特征，而礦物的反射光譜吸收特征主要取決于礦物中吸收基團(tuán)在中紅外波段吸收光譜基頻的合頻和倍頻。受煤形成過(guò)程中復(fù)雜的沉積作用影響，煤系巖石多含有一定的有機(jī)碳質(zhì)成分，因此相比較于地表同類(lèi)沉積巖，光譜反射率相對(duì)較低，吸收特征也有所衰減。

針對(duì)煤礦高光譜遙感的需求，煤系巖石光譜反射率的研究多集中在礦區(qū)地表堆積煤矸石。本節(jié)重點(diǎn)分析煤礦井下采集的泥頁(yè)巖、砂巖、灰?guī)r三大類(lèi)煤系沉積巖中的典型類(lèi)型在可見(jiàn)-近紅外波段光譜反射率曲線特征。研究結(jié)果不僅為研究煤巖識(shí)別提供基礎(chǔ)，也對(duì)于理解煤系巖石的光譜信息，采用煤系巖石反射光譜波形特征進(jìn)行煤層地質(zhì)鉆孔巖心判斷提供參考信息。按照涵蓋泥頁(yè)巖、砂巖、灰?guī)r三大類(lèi)煤系沉積巖的原則，選擇了山西馬蘭煤礦、山西新景煤礦、山東東風(fēng)煤礦、山東興隆莊煤礦四個(gè)煤礦具有代表性的11個(gè)頂?shù)装鍘r石試樣作為研究對(duì)象，巖石類(lèi)型、外觀特征、煤層分布、產(chǎn)地煤礦等信息如表4所示。表4中11個(gè)煤系巖石試樣按照巖石類(lèi)型順序列出。

表4 典型煤系巖石試樣

與前述煤反射光譜特征分析相似，針對(duì)表4中的煤系巖石，為獲得均質(zhì)巖樣的穩(wěn)定光譜反射率數(shù)據(jù)，本文利用煤系巖石0.5mm粒度粉末試樣抹平表面反射光譜模擬塊狀煤系巖石試樣表面反射光譜。上一章近距離采集的表4中11個(gè)煤系巖石0.5mm粒度粉末抹平表面的反射光譜如圖6、圖7、圖8所示。與前述12個(gè)典型煤種光譜反射率曲線相同，因350-399nm和2451-2500nm光譜曲線暗電流噪聲較大，只取400-2450nm波段光譜曲線，包括400-780nm可見(jiàn)波段、780-1100nm短波近紅外波段、1100-2450nm長(zhǎng)波近紅外波段，且各分圖縱坐標(biāo)比例一致。

圖6 泥頁(yè)巖光譜反射率曲線

在圖6中的5個(gè)泥頁(yè)巖光譜反射率曲線中，碳質(zhì)泥巖(46)與其余4種試樣的光譜曲線相比，整體反射率最低，吸收谷特征最少，碳質(zhì)泥巖(46)光譜曲線整體波形呈凹形，同一煤礦的碳質(zhì)泥巖(48)以及其余3種泥頁(yè)巖整體波形均呈凸形。此外，黑色頁(yè)巖(58)整體吸收谷特征也較弱。除碳質(zhì)泥巖(46)外，其余4種泥頁(yè)巖在400-1100nm可見(jiàn)-短波近紅外波段均呈現(xiàn)隨波長(zhǎng)增加的多個(gè)吸收谷。此5種泥頁(yè)巖在1100-2450nm長(zhǎng)波近紅外波段的1400nm、1900nm、2200nm波長(zhǎng)點(diǎn)附近均呈現(xiàn)出吸收谷特征，碳質(zhì)泥巖(46)與黑色頁(yè)巖(58)較微弱，且兩者在2350-2450nm波段的光譜曲線呈現(xiàn)出頻繁的波動(dòng)趨勢(shì)。

圖7 砂巖光譜反射率曲線

圖7中的4種砂巖光譜反射率曲線整體波形均呈凸形，其中兩種粉砂巖整體光譜反射率較高，平均大于10%，且吸收谷特征較為明顯。在400-1100nm波段的中后段，4種砂巖均呈現(xiàn)出多個(gè)吸收谷特征。在1100-2450nm波段，中粒砂巖和細(xì)砂巖的較明顯吸收谷出現(xiàn)在1400nm、1900nm、2200nm波長(zhǎng)點(diǎn)附近，粉砂巖(09)的較明顯吸收谷出現(xiàn)在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm波長(zhǎng)點(diǎn)附近，粉砂巖(28)的較明顯吸收谷只出現(xiàn)在了1900nm波長(zhǎng)點(diǎn)附近。

圖8 灰?guī)r光譜反射率曲線

圖8中的兩種泥質(zhì)灰?guī)r光譜反射率曲線整體波形均呈凸形，其中泥質(zhì)灰?guī)r(08)整體光譜反射率較高，大部分波段大于10%。兩種泥質(zhì)灰?guī)r在400-1100nm波段均呈現(xiàn)出多個(gè)吸收谷特征，在1900nm、2350nm波長(zhǎng)點(diǎn)附近均呈現(xiàn)出強(qiáng)吸收，在1400nm、2200nm波長(zhǎng)點(diǎn)附近均呈現(xiàn)出弱吸收。圖6、圖7、圖8中11個(gè)煤系巖石的反射光譜曲線，除碳質(zhì)泥巖(46)外，整體表現(xiàn)為，在可見(jiàn)-短波近紅外波段均出現(xiàn)多重吸收谷，在長(zhǎng)波近紅外波段，吸收谷基本分布在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm4個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)附近，整體波形上凸。而碳質(zhì)泥巖(46)光譜曲線吸收谷特征微弱，2350-2450nm波段波形波動(dòng)頻繁，整體波形下凹，與煤的光譜曲線較相似。11個(gè)煤系巖石的反射光譜曲線在400-2450nm波段較明顯吸收谷波長(zhǎng)位置如圖9所示。

圖9 11 個(gè)典型煤系巖石可見(jiàn)-近紅外波段反射光譜曲線明顯吸收谷位置

46：碳質(zhì)泥巖；48：碳質(zhì)泥巖；67：黑色頁(yè)巖；58：黑色頁(yè)巖；69：砂質(zhì)頁(yè)巖；68：中粒砂巖；47：細(xì)砂巖；09：粉砂巖；28：粉砂巖；08：泥質(zhì)灰?guī)r；04：泥質(zhì)灰?guī)r

為方便觀察，圖16將11個(gè)煤系巖石的反射光譜曲線進(jìn)行了偏移區(qū)分，同一大類(lèi)巖石光譜曲線采用了相同的顏色表示，400-1100 nm波長(zhǎng)范圍各吸收谷和2350-2450 nm 波長(zhǎng)范圍頻繁波動(dòng)帶整體標(biāo)記，1400 nm、1900 nm、2200 nm、2350nm 各波長(zhǎng)點(diǎn)吸收谷單獨(dú)標(biāo)記。

4、結(jié)論

本章主要研究結(jié)果如下

煤的反射光譜特征及其物質(zhì)成分機(jī)理: 在近紅外波段，煤光譜反射率曲線隨煤階的降低而升高整體光譜曲線波形由近水平到正斜率變化且斜率逐漸增加。煤在可見(jiàn)-近紅外波段包括13個(gè)波長(zhǎng)位置的較明顯吸收谷，其中455nm、514nm、591nm、662nm、770nm、900nm1106nm、1342nm位置吸收谷在各階煤種中均有出現(xiàn)，1418nm、1698nm、1905nm、2196nm、2303nm位置吸收谷在煤階變低時(shí)出現(xiàn)，且煤階越低越明顯。煤分子結(jié)構(gòu)的芳構(gòu)化趨勢(shì)是煤階降低時(shí)反射率升高、光譜波形由近水平到正斜率變化的原因，煤中基團(tuán)合頻、倍頻增多是煤階降低時(shí)近紅外波段吸收特征增強(qiáng)的原因。

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審核編輯 黃宇