颗粒度对不同煤种可见光-近红外光谱的影响

张 超，刘善军，易文华，谢子超，刘博雄，岳 衡

1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819 2.华北科技学院安全工程学院，河北 三河 065201

引 言

煤炭是我国最主要的能源，在“碳达峰、碳中和”能源供给结构调整的大背景下，煤炭依然在相当长的时间内占据着我国的基础能源的位置。在原煤开采、运输、洗选加工、精煤储运以及低中阶煤提质改性等方面都需要及时了解煤的成分、含量以及混矸程度，这是掌握和监控煤炭质量的必要措施。传统的主要监测手段是现场采样、室内化验，因采样密度低、测点稀疏、工作量大、周期长、效率低等原因，已成为智能矿山建设的瓶颈，如何研发新的煤测试技术，以适应新时代背景下矿业发展的需要，是亟待解决的问题。

近年来，随着卫星遥感技术的快速兴起，利用高光谱遥感进行岩矿大面积探测逐渐得到重视，由于其具有便捷、无损、快速等优点，对矿山开采、矿井灾害区域划分及评价等方面能达到安全、高效的目的，已被广泛地应用于岩石矿物分类、岩矿组分定量反演和蚀变信息提取等领域；同时一些学者也开展了煤的光谱特征和遥感监测研究，取得了很大进展[1-2]。然而，由于煤在不同生产阶段其破碎程度和颗粒大小不同，而颗粒度又是影响其光谱特征的重要因素[3-4]，因此，对于不同颗粒度煤的光谱特征的深入了解和认识，从而掌握颗粒度对于煤的光谱特征的影响规律，是提升煤的光谱识别精度的重要途径。

然而，目前相关研究主要集中在岩石或矿物颗粒对光谱特征的影响方面，如杨柏林等[5]发现岩石和矿物的反射光谱特征与颗粒度等表面状态有关，并提取了颗粒度的敏感波段；Salisbury等[6]实验发现基频振动带强度与粒径的大小呈负相关关系，并认为该现象是由于孔隙率造成的；Okin等[7]对不同粒径的蒙脱石和石英反射光谱进行了研究，发现在50～750 μm粒径范围内，试样光谱反射率随粒径减小而逐渐增大；Reda Amer等[8]分析蚀变矿物明矾石、高岭石、绢云母和方解石的连续参考光谱后发现，位置、形状和强度的变化很可能与样品纯度和粒度的变化有关；Vernazza[9]等对行星岩矿进行光谱分析，发现岩矿颗粒度会对岩矿的光谱趋势产生相应的影响；Carli和Hatcher等[10-11]发现试样的光谱反射率会随着颗粒度的减小而呈指数型增长；闫柏琨、王润生等[12-13]发现，不同矿物反射光谱随粒度的变化规律存在差异性，且同种矿物在不同波段内反射率随粒度的变化也有所不同。余明高等[14]分析了颗粒度与采空区自然发火的关系，遗煤粒径越小，颗粒表面积越大，对氧气的吸附能力越强，煤的自燃倾向性越高。

上述表明，颗粒度是影响岩矿光谱特征的重要因素；然而目前对于煤的相关研究较少，在所查到的文献中，仅发现文献[3]选取0.2，1，3和13 mm粒度等级煤质进行了近红外光谱分析，发现粒度越大，光谱的不稳定因素增加，粒度对光谱有重要影响。该文献作者选择的粒度较大；更小的煤粉粒度在选煤厂非常常见；为此，采集了内蒙古、新疆、山西主要矿区的褐煤、烟煤、无烟煤，制备了更小粒度的实验样品，制备了更小的粒度，通过测试不同煤种不同颗粒度煤样的可见光-近红外反射光谱，揭示了煤的颗粒度对不同煤种反射光谱的影响规律，为煤岩智能识别、煤质定量反演时考虑颗粒度影响，从而提高煤光谱识别精度提供借鉴。

1 实验部分

1.1 样品

选择变质程度不同的褐煤(内蒙古乌海)、烟煤(新疆哈密)和无烟煤(山西阳泉)，依据原煤在开采、破碎、运输、分选等实际情况选取块状、粒状和粉状煤样制作光谱测试样品。参照实验室测定煤的理化性质时常用的粒度，综合划分颗粒度等级，最终将样品分为块状和如表1的12个颗粒度等级。煤样煤质工业分析指标见表2。

表1 煤样品颗粒度等级分布

表2 不同煤质的工业分析结果

1.2 光谱测试

采用便携式地物光谱仪(SVC HR-1024)对煤样进行可见光-近红外光谱测试，波长范围350～2 500 nm，其中350～1 000 nm波段光谱分辨率≤3.2 nm，1 000～1 850 nm波段的光谱分辨率≤8.5 nm，1 850～2 500 nm波段的光谱分辨率≤6.5 nm。

实验在暗室内进行，尽量保证测试环境稳定。使用特制卤素灯照射样品，以模拟太阳光线。测试前以标准白板为背景进行定标，测试中每间隔10 min使用白板定标1次，将白板的反射率作为标准参考光谱。将不同粒径煤样放在直径为7 cm的黑色样品盒中，光照方向与水平方向夹角为45°，光谱仪镜头垂直于样品，镜头距离样品50 cm，卤素灯距样品中心距离为80 cm。为控制测试环境和操作人员造成的随机误差，进行预实验，对典型样品重复观测多次，要求测试值与平均值间相对误差不大于0.5%，待测试稳定后开始正式实验。实验中对每个样品观测3次，取其平均值作为结果值。光谱测试实验布置如图1所示。

图1 光谱测试实验布置现场

2 结果与讨论

2.1 颗粒度对不同煤种光谱影响的共有特征

图2为褐煤、烟煤、无烟煤3种煤样在块状和12个等级颗粒度下的光谱测试结果。由图所示，颗粒度对3种不同煤种的光谱影响具有一些共性特征，主要如下：

(1)所有煤样虽然种类不同，但主要成分均为碳(C)，颜色呈黑色，因此反射率均较低，3种煤样块状样品的反射率在整个波段最高不超过16%，粒状样品不超过23%；

(2)不同煤种以及不同颗粒度样品的可见光-近红外光谱形态基本相似，即在可见光波段(380～780 nm)反射率均较低，且随波长增加反射率略呈降低趋势；近红外波段(780～2 500 nm)，随波长的增加反射率逐渐升高，呈现单调增加的趋势。

(3)3种煤样颗粒度对光谱的影响呈现出相同的规律，即以0.10 mm为界，在颗粒度大于0.10 mm时，所有煤的光谱曲线反射率均较低，最大不超过10%，由可见光波段到近红外波段反射率增加不显著，且反射率随颗粒度变化无明显规律。当颗粒度小于0.10 mm时，光谱曲线发生显著变化，且在不同波段变化趋势不同：在可见光波段，随颗粒度减小，反射光谱曲线呈降低趋势，二者呈正相关关系；而在近红外波段，随颗粒度减小，光谱反射光谱曲线呈增长趋势，二者呈负相关关系。总的来看，颗粒度对光谱特征的影响在近红外波段要明显强于可见光波段，并随着波长的增加越加明显。从图2(a)看出，褐煤在最小的颗粒度(<0.05 mm)级别，其在2 500 nm波长处的反射率高出>0.10 mm颗粒度样品的反射率达13%以上。

图2 不同等级颗粒度煤样光谱曲线

(4)0.10 mm可作为颗粒度影响煤光谱特征显著变化的临界阈值。如图2所示，第10等级(0.07～0.10 mm)与第9等级(0.10～0.125 mm)颗粒度光谱曲线变化幅度显著，褐煤、烟煤、无烟煤反射率最大增加分别为4.20%，2.45%和2.35%，而大于0.10 mm的相邻等级颗粒度的三种煤反射率的最大变化幅度也仅分别为2.80%，0.95%和1.30%。

(5)块状煤的光谱曲线与粗颗粒度(>0.125 mm)光谱曲线基本平行，光谱曲线差异仅体现在反射率的大小(块状反射率大于粗颗粒样品)，而形态基本一致。

2.2 颗粒度对不同煤种光谱影响的差异特征

图2显示，虽然颗粒度对3种煤的光谱都有影响，但不同煤种间也存在差异，主要如下：

(1)相同颗粒度不同煤种的反射光谱曲线存在差异(见图3)，从图中可看出，颗粒度相同的不同煤种样品在可见光波段反射率差异相对较小，一般不超过2%，而在大于1 000 nm的近红外波段差异明显，且波长越长越明显。其中，褐煤的反射率最高，烟煤居中，无烟煤最低。而且，这种差距以0.10 mm为界，大于0.10 mm以上的较粗颗粒，3种煤相同粒度反射率的差异较小，基本小于4%；当颗粒度小于0.10 mm时，这种差距拉大，在最小颗粒度级别(<0.05 mm)，3种煤在近红外波段反射率最大差距达到13%，且波长越长差距越明显。这表明，利用光谱进行煤种的识别时，使用小颗粒粉状样品的效果要好于大颗粒样品，且波长越长效果越好。

(2)颗粒度对煤光谱特征的影响主要表现在近红外光谱曲线的斜率。从图3看出，小于0.10 mm的3个颗粒度级别，3 种煤在波长大于1 000 nm的光谱曲线近似直线，不同煤的光谱直线斜率不同，无烟煤最低，褐煤最高，烟煤居中。

2.3 机理分析

实验表明，颗粒度对于煤的光谱特征有重要影响，且不同煤种影响有所差异。下面就其机理进行如下讨论。

(1)当颗粒度大于0.10 mm时，煤样的光谱反射率随颗粒度变化规律不显著。究其原因，当煤样颗粒较大时，卤素灯发出的平行光倾斜照射到颗粒表面上，以几何光学的反射为主，颗粒堆积的随机性造成了遮挡阴影的随机性，进而导致煤样光谱反射率随颗粒度变化无明显规律。

(2)当颗粒度小于0.10 mm时，在近红外波段煤样光谱反射率随颗粒度减小而上升。究其原因，主要是由于当颗粒度小于0.10 mm时，颗粒度减小造成光的散射作用增强。根据散射理论，当颗粒大小与光波长相当时，会发生米氏散射，而当颗粒大于入射光波长时，会发生丁达尔散射。当颗粒度为0.10 mm时，此时颗粒大小是近红外光波长的一百～几十倍，以丁达尔散射为主；而当颗粒度达到0.05 mm以下时，此时米氏散射大大增强。为进一步了解散射作用对反射率的影响，对颗粒度小于0.05 mm的粉状样品进行了显微镜粒度分析，结果见图4所示。从图中看出，对于颗粒度小于0.05 mm的3种煤(褐煤、烟煤和无烟煤)粉状样品，小于2.5 μm的颗粒分别占颗粒数量的60.5%，67.5%和64.5%，而小于1 μm的颗粒总量分别达到34.6%，53.5%和40.9%，而该粒径范围与大于1 μm的近红外波长接近，致使这个波段的米氏散射效应增强。所以，煤样在颗粒度小于0.05 mm且波长大于1 μm时反射率最大，同时颗粒度由0.10 mm减小至小于0.05 mm时，在大于1 μm波段反射率上升速度很快。

图3 相同颗粒度不同煤种的反射光谱曲线

图4 粒径<0.05 mm煤样颗粒分布显微镜分析结果

(3)当颗粒度小于0.10 mm时，在可见光波段，煤样的光谱反射率呈显著降低趋势。究其原因，颗粒度小于0.10 mm时，颗粒间的团聚效应增强，即颗粒之间会因为表面张力作用相互粘结在一起，同时小颗粒也会被吸附在大粒径样品表面，且随样品粒径的减小，比表面积越大，吸附位点越多[17]，最终导致样品表面的起伏减小，平整度增加。平整度增加使得样品透光性减弱，表面的镜面反射增强，根据入射角等于反射角的关系，前向反射增强，其他方向反射减弱。在本实验中，光谱观测方向与试样表面垂直，并非前向反射方向，所以当颗粒度小于0.10 mm时，该方向的反射率减小。这种效应在3种煤种尤以无烟煤表现明显。所以，在图2(c)中无烟煤在粒度小于0.10 mm时，在可见光波段，光谱反射率明显比大颗粒的低。

(4)块状煤样反射率整体较高，究其原因，主要是由于块状样品表面较为平整，无明显孔隙，不存在光的透射作用，导致反射或漫反射作用强，使得光谱反射率整体较高。

3 结 论

通过开展不同颗粒度煤样的可见光-近红外光谱测试，针对颗粒度对不同煤种反射光谱的影响进行了分析，得出以下结论：

(1)不同煤种在可见光-近红外波段的反射率均较低，且变化趋势基本相同，即在可见光波段反射率缓慢下降，在近红外波段快速上升。

(2)当颗粒度大于0.10 mm时，颗粒度对光谱特征的影响较小，煤样反射光谱随颗粒度变化规律不明显。当颗粒度小于0.10 mm时，颗粒度对煤样的光谱影响增大，且颗粒度越小影响越大。颗粒度对光谱特征的影响主要表现在近红外波段，且随着波长的增加越加明显。在可见光波段影响较小，反射率差异不超过2%。不同煤种光谱曲线受颗粒度的影响不同，褐煤的影响最大，烟煤次之，无烟煤影响最小。

(3)0.10 mm颗粒度是颗粒度对煤的光谱特征影响的敏感界限。利用光谱进行煤种识别时，需要考虑颗粒度的影响，同时，选择颗粒度小于0.10 mm的粉末状样品效果要好于大颗粒或块状样品。