莱森光学：典型块状煤的可见-近红外光谱特征研究

典型块状煤的可见-近红外光谱特征研究

越来越多的光谱分析技术用在了煤矿高光谱遥感、煤矸识别、煤种鉴别、煤质分析等煤矿勘测和煤检测领域。可见-近红外波段(380~2526nm)反射光谱测试方便，仪器成本较低，适用于在线分析。

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01引言

由于煤分子结构的非晶质生，主要包括了芳香结构为主的环状大分子化合物和链状结构为主的低分子化合物，以上结构中的有机吸收基团的基频主要集中在中红外(4000~400cm)范围，使得煤绝大多数明显的吸收峰出现在中红外波段。

相关研究表面在可见-近红外波段煤阶越低，芳香结构排列越无序，导致了煤的红色斜率光谱，即较低阶煤光谱反射率随波长增加而增大。煤在400~2 500 nm 范围光谱反射率随碳含量的增加而减小，煤光谱中1400与1900nm水和羟基吸收深度也是随碳含量的增加而减小，1900nm处的吸收特征比1400 nm处更明显:低阶煤中水的发生能态以及与煤体结构的物理化学相互作用，表明煤阶越低，越易产生水吸附，对煤光谱中水谱带的影响越大。

研究不同类型煤在可见-近红外波段的反射光谱曲线特征及变化规律，并分析光谱特征产生的物质机理，为煤矿高光谱遥感中煤光谱数据库的建立提供依据，也为直接利用光谱曲线波形特征快速、低成本定性识别煤种类提供参考。

煤分子的结构

02煤反射光谱曲线特征

由图1可知，煤在可见-近红外波段的整体光谱反射率随煤阶的升高而降低。煤化程度比较高的两种无烟煤光谱曲线近似水射率值较低。所有煤种在近红外波段(780~2450nm)的光谱反射率随波长的增加而呈增加趋势(两种褐煤在1 900 nm 波段附近开始下降)。图1列出了煤样较明显的 13个局部吸收谷波段，包括：455，514，591，662，770，900，1 106,1342,1418,1698,1905,2 196和2 303 nm，结合煤阶的变化可知，455~1342nm各吸收谷较明显地出现在各阶煤样中，当煤阶越低时1418~2303nm各吸收谷越明显。

图1 典型煤种的可见-近红外波段反射光谱曲线及较明显局部吸收波段1：无烟煤一号；2：无烟煤二号；3：贫煤；4：贫痩煤；5：瘦煤；6：焦煤；7：肥煤；8：1/3焦煤；9：气肥煤；10：气煤；11：褐煤一号；12：褐煤二号

图2 煤样反射光谱曲线特征参数化表示

图2列举了本实验中四个相当有代表性煤样的反射光谱：煤阶比较高的无烟煤一号(1)、煤阶比较低的褐煤二号(12)，烟煤中煤阶比较高的贫煤(3)、煤阶比较低的气煤(10)。

计算反射曲线光谱斜率(以下简称光谱斜率)，即连线的斜率K_i

图3 煤样光谱斜率随煤阶增加的变化趋势

1：无烟煤一号；2：无烟煤二号；3：贫煤；4：贫瘦煤；5：瘦煤；6：焦煤；7：肥煤；8：1/3 焦煤；9：气肥煤；10：气煤；11：褐煤一号；12：褐煤二号

由式(1)计算所得图1中煤样的光谱斜率随煤阶增加的变化趋势如图3所示。由图3可知，煤的光谱斜率随煤阶的增加呈现减小的趋势。低阶烟煤间光谱斜率变化相对较小当煤阶降低到褐煤时，光谱斜率快速增加。

表2 引起煤样反射光谱明显吸收谷的主要基团和离子

图5 煤样工业分析有机成分含量与反射光谱斜率的相关性分析

(a)：挥发分产率；(b)：固定碳含量

工业分析有机成分含量中挥发分产率、固定碳含量反应了煤样的煤化程度，与光谱斜率K，的相关性分析结果如图5所示。由图5可知，块状煤样挥发分产率、固定碳含量分别与光谱斜率表现出了较好的正、负线性相关性。

03实验结论

1. 在可见-近红外波段，无烟煤的反射光谱曲线整体上趋于水平方向，吸收谷特征不明显。随煤阶的降低，光谱反射率、光谱斜率整体上呈增加趋势，吸收谷增多且吸收强度增加。

2. 煤分子结构的芳构化趋势对煤阶变化时整体光谱反射率大小、反射曲线整体波形变化起到主要作用。以脂肪侧链为主的有机吸收基团在近红外波段的倍频和合频产生众多吸收叠加，绝大多数吸收谷特征不明显，相对较为明显的吸收谷产生在1700和2300nm附近。少量含Fe等过渡金属矿物、H0、粘土矿物等无机物成分也是煤反射光谱吸收谷特征增多的因素。

3. 光谱斜率与挥发分产率、固定碳含量分别呈正、负相关性。H0谱带吸收深度之和与内在水分含量线性相关性较好，Fe和AI含量与相关吸收谷深度之和基本呈线性关系，1700和2300nm吸收谷深度之和与挥发分产率线性相关性较差。