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萊森光學：典型塊狀煤的可見-近紅外光譜特征研究
典型塊狀煤的可見-近紅外光譜特征研究
越來越多的光譜分析技術用在了煤礦高光譜遙感、煤矸識別、煤種鑒別、煤質分析等煤礦勘測和煤檢測領域。可見-近紅外波段(380~2526nm)反射光譜測試方便，儀器成本較低，適用于在線分析。
iSpecField®系列便攜式地物光譜儀
01引言
由于煤分子結構的非晶質生，主要包括了芳香結構為主的環狀大分子化合物和鏈狀結構為主的低分子化合物，以上結構中的有機吸收基團的基頻主要集中在中紅外(4000~400cm)范圍，使得煤絕大多數明顯的吸收峰出現在中紅外波段。
相關研究表面在可見-近紅外波段煤階越低，芳香結構排列越無序，導致了煤的紅色斜率光譜，即較低階煤光譜反射率隨波長增加而增大。煤在400~2 500 nm 范圍光譜反射率隨碳含量的增加而減小，煤光譜中1400與1900nm水和羥基吸收深度也是隨碳含量的增加而減小，1900nm處的吸收特征比1400 nm處更明顯:低階煤中水的發生能態以及與煤體結構的物理化學相互作用，表明煤階越低，越易產生水吸附，對煤光譜中水譜帶的影響越大。
研究不同類型煤在可見-近紅外波段的反射光譜曲線特征及變化規律，并分析光譜特征產生的物質機理，為煤礦高光譜遙感中煤光譜數據庫的建立提供依據，也為直接利用光譜曲線波形特征快速、低成本定性識別煤種類提供參考。
煤分子的結構
02煤反射光譜曲線特征
由圖1可知，煤在可見-近紅外波段的整體光譜反射率隨煤階的升高而降低。煤化程度比較高的兩種無煙煤光譜曲線近似水射率值較低。所有煤種在近紅外波段(780~2450nm)的光譜反射率隨波長的增加而呈增加趨勢(兩種褐煤在1 900 nm 波段附近開始下降)。圖1列出了煤樣較明顯的 13個局部吸收谷波段，包括：455，514，591，662，770，900，1 106,1342,1418,1698,1905,2 196和2 303 nm，結合煤階的變化可知，455~1342nm各吸收谷較明顯地出現在各階煤樣中，當煤階越低時1418~2303nm各吸收谷越明顯。
圖1 典型煤種的可見-近紅外波段反射光譜曲線及較明顯局部吸收波段1：無煙煤一號；2：無煙煤二號；3：貧煤；4：貧痩煤；5：瘦煤；6：焦煤；7：肥煤；8：1/3焦煤；9：氣肥煤；10：氣煤；11：褐煤一號；12：褐煤二號
圖2 煤樣反射光譜曲線特征參數化表示
圖2列舉了本實驗中四個相當有代表性煤樣的反射光譜：煤階比較高的無煙煤一號(1)、煤階比較低的褐煤二號(12)，煙煤中煤階比較高的貧煤(3)、煤階比較低的氣煤(10)。
計算反射曲線光譜斜率(以下簡稱光譜斜率)，即連線的斜率Ki
圖3 煤樣光譜斜率隨煤階增加的變化趨勢
1：無煙煤一號；2：無煙煤二號；3：貧煤；4：貧瘦煤；5：瘦煤；6：焦煤；7：肥煤；8：1/3 焦煤；9：氣肥煤；10：氣煤；11：褐煤一號；12：褐煤二號
由式(1)計算所得圖1中煤樣的光譜斜率隨煤階增加的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，煤的光譜斜率隨煤階的增加呈現減小的趨勢。低階煙煤間光譜斜率變化相對較小當煤階降低到褐煤時，光譜斜率快速增加。
表2 引起煤樣反射光譜明顯吸收谷的主要基團和離子
圖5 煤樣工業分析有機成分含量與反射光譜斜率的相關性分析
(a)：揮發分產率；(b)：固定碳含量
工業分析有機成分含量中揮發分產率、固定碳含量反應了煤樣的煤化程度，與光譜斜率K，的相關性分析結果如圖5所示。由圖5可知，塊狀煤樣揮發分產率、固定碳含量分別與光譜斜率表現出了較好的正、負線性相關性。
03實驗結論
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在可見-近紅外波段，無煙煤的反射光譜曲線整體上趨于水平方向，吸收谷特征不明顯。隨煤階的降低，光譜反射率、光譜斜率整體上呈增加趨勢，吸收谷增多且吸收強度增加。
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煤分子結構的芳構化趨勢對煤階變化時整體光譜反射率大小、反射曲線整體波形變化起到主要作用。以脂肪側鏈為主的有機吸收基團在近紅外波段的倍頻和合頻產生眾多吸收疊加，絕大多數吸收谷特征不明顯，相對較為明顯的吸收谷產生在1700和2300nm附近。少量含Fe等過渡金屬礦物、H0、粘土礦物等無機物成分也是煤反射光譜吸收谷特征增多的因素。
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光譜斜率與揮發分產率、固定碳含量分別呈正、負相關性。H0譜帶吸收深度之和與內在水分含量線性相關性較好，Fe和AI含量與相關吸收谷深度之和基本呈線性關系，1700和2300nm吸收谷深度之和與揮發分產率線性相關性較差。
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