典型煤岩反射光谱特征

背景及意义

随着我国经济的迅速发展，在可以预见未来的较长时间里，能源的需求量会持续快速上升。虽然煤炭使用的比例有所下降，但作为第一主要能源不会改变，到2030年我国煤炭消费占比仍将达到55%左右。由于我国90%的煤炭为地下开采，而且50%埋藏深度超过1000米，深部煤层瓦斯爆炸、岩层垮塌、突水等地质灾害发生率高、偶然性强，煤炭开采面临着大采深、高危险、采掘难的特殊难题。针对煤炭能源技术革命的发展需求，伤亡率高、效率低的开采方式已不能满足现代化开采的需要，无人化、智能化开采是世界范围内煤矿实现安全、高效、绿色目标的急切需求和有效途径。

煤岩识别作为国际煤炭开采领域共同追求但尚未解决的前沿技术，一直是阻碍无人化煤炭开采领域研究和应用的重大难题。

深入研究煤岩高分辨率反射光谱的特征及其差异，以及基于反射光谱高效地区分煤岩的方法具有重要意义。因此掌握基于反射光谱技术的煤岩识别基本原理以及有效识别方法将为煤岩识别这一世界性难题提供重要理论依据和技术性指导。

煤的反射光谱特征

反射光谱技术在煤矿、岩矿遥感领域的应用为煤岩识别方法的研究提供了新思路，获取煤岩的反射光谱特征是研究基于反射光谱煤岩识别方法的基础，已有少数学者研究了部分煤岩的可见-近红外反射吸收光谱特征。然而还未有针对我国典型煤和煤系岩石反射光谱特征的系统性研究，研究典型煤和煤系岩石的反射光谱特征不仅为利用光谱波形低成本快速地鉴别煤和煤系岩石种类提供依据，也为研究煤岩反射光谱的差异性及识别方法提供前提。煤和煤系岩石的反射光谱曲线特征是进行煤岩反射光谱差异性分析的基础，煤岩反射光谱差异性是进行煤岩区分的直接依据。

为此，本章对各类典型煤和煤系岩石可见-近红外反射光谱曲线特征进行分析，研究煤岩反射光谱特征所对应的物质成分机理；

2.1 典型煤种的光谱反射率曲线

在煤炭分类国际标准 ISO 11760 Classification of coals 和中国国家标准 GB/T5751《中国煤炭分类》中，对煤炭给出了相同的定义，即煤炭是主要由植物遗体经煤化作用转化而成的富含碳的固体可燃有机沉积岩，含有一定量的矿物质，其灰分产率小于或等于 50%。两标准都将煤按照其变质程度分为无烟煤、烟煤、褐煤三大类。由以上标准可知，煤为一种沉积岩，然而由于无烟煤煤化变质程度高，也有专著将部分无烟煤归属到变质岩类型。本文按照 GB/T 5751 进行了小类的取样，选取了12 种典型煤种作为研究对象，涵盖了无烟煤、烟煤、褐煤三大煤类，具体如表1 所示。表1 中 12 种煤样由上到下按照煤阶降低的顺序排列，包含了每种煤的产地及煤矿。

表 1 典型煤种试样

本文利用煤 0.5 mm 粒度粉末试样抹平表面反射光谱模拟块状原位煤岩试样表面反射光谱。近距离采集的表1 中 12 种煤 0.5 mm 粒度粉末抹平表面的反射光谱如图1、图2、图3 所示。

图1 无烟煤光谱反射率曲线

图1、图2、图3将350-399nm和2451-2500nm波段光谱曲线去掉，只保留了400-2450nm波段光谱曲线。由图1可知，两种无烟煤整体光谱曲线波形呈水平状，无烟煤一号整体光谱曲线有微弱的下降趋势，无烟煤二号相对水平，无烟煤二号光谱曲线整体反射率稍高于无烟煤一号。在400-1000nm波段，两条光谱曲线均出现频繁的吸收谷特征，在1000-2450nm波段基本都未出现明显的吸收谷特征。

图2 烟煤光谱反射率曲线

图2中8种烟煤的整体光谱反射率随煤阶的降低呈现上升趋势，且煤阶越低，上升趋势越明显。随煤阶降低，2100-2400nm波段范围出现的吸收特征越来越明显。当煤阶较低时，如1/3焦煤、气肥煤、气煤光谱曲线从约2200nm处停止随波长增加的整体上升趋势。在400-1000nm波段，大多数反射光谱曲线均出现频繁的吸收谷特征，在1000-2450nm波段均出现明显的吸收谷特征，煤阶变低时吸收谷特征不仅变多，而且变明显。

图3 褐煤光谱反射率曲线

图3中两种褐煤的反射光谱曲线随波长的增加整体波形先上升，然后从约1800nm处开始出现明显的吸收谷，整体波形开始下降，褐煤二号光谱曲线整体反射率稍高于褐煤一号。在400-1000nm波段，两种褐煤的反射光谱曲线均出现频繁的吸收谷特征，在1000-2450nm波段均出现明显的吸收谷特征，两种褐煤在1900nm附近均出现明显的吸收谷特征，褐煤二号最为明显。12种煤的反射光谱曲线在400-2450nm波段整体变化规律及较明显吸收谷波长位置如图4所示。

图4 12 个典型煤种可见-近红外波段反射光谱曲线明显吸收谷位置

35：无烟煤一号；59：无烟煤二号；36：贫煤；37：贫瘦煤；38：瘦煤；39：焦煤；40：肥 煤；41：1/3 焦煤；42：气肥煤；43：气煤；44：褐煤一号；45：褐煤二号

从图4可知，12种煤整体反射光谱曲线表现为随煤阶的降低，曲线升高，即整体反射率增加，波形由近水平到正倾斜且倾斜程度逐渐增加，低阶煤近红外波段光谱反射率曲线的后半部分波段整体波形变水平到负向倾斜。

2.2 煤反射光谱曲线参数化及规律

光谱曲线特征参数化，是为了将光谱曲线特征转化为适于计算机进行计算分析的形式。为此，对反射光谱曲线特征进行定量表示，用参数化的方式来表达反射率变化的规律。通过反射光谱曲线特征参数化和参量提取，构建分析特征参量集，为后续光谱匹配、分类、识别、反演奠定基础。如前所述，12种煤在近红外波段（780-2450nm）反射光谱曲线整体变化斜率具有明显的规律性，为此从780nm波长点开始计算煤反射光谱曲线的光谱斜率。图5中选取了前述12种煤样中的4种代表性煤岩的反射光谱曲线，包括：煤阶最高的煤种—无烟煤一号（35）、煤阶最高的烟煤—贫煤（36）、煤阶最低烟煤—气煤（43）、煤阶最低的褐煤—褐煤二号（45）。

图5 代表性煤样反射光谱曲线特征参数化

3、煤系岩石的反射光谱特征

煤系岩石是利用反射光谱技术进行煤岩识别研究中需要识别的主要赋存岩石，根据上一章收集的煤系岩石类型及分析，煤系岩石主要包括泥页岩、砂岩、灰岩三个沉积岩大类。类似于地表同类沉积岩，在近红外波段，煤系岩石反射光谱特征也主要取决于其中矿物的光谱特征，而矿物的反射光谱吸收特征主要取决于矿物中吸收基团在中红外波段吸收光谱基频的合频和倍频。受煤形成过程中复杂的沉积作用影响，煤系岩石多含有一定的有机碳质成分，因此相比较于地表同类沉积岩，光谱反射率相对较低，吸收特征也有所衰减。

针对煤矿高光谱遥感的需求，煤系岩石光谱反射率的研究多集中在矿区地表堆积煤矸石。本节重点分析煤矿井下采集的泥页岩、砂岩、灰岩三大类煤系沉积岩中的典型类型在可见-近红外波段光谱反射率曲线特征。研究结果不仅为研究煤岩识别提供基础，也对于理解煤系岩石的光谱信息，采用煤系岩石反射光谱波形特征进行煤层地质钻孔岩心判断提供参考信息。按照涵盖泥页岩、砂岩、灰岩三大类煤系沉积岩的原则，选择了山西马兰煤矿、山西新景煤矿、山东东风煤矿、山东兴隆庄煤矿四个煤矿具有代表性的11个顶底板岩石试样作为研究对象，岩石类型、外观特征、煤层分布、产地煤矿等信息如表4所示。表4中11个煤系岩石试样按照岩石类型顺序列出。

表4 典型煤系岩石试样

与前述煤反射光谱特征分析相似，针对表4中的煤系岩石，为获得均质岩样的稳定光谱反射率数据，本文利用煤系岩石0.5mm粒度粉末试样抹平表面反射光谱模拟块状煤系岩石试样表面反射光谱。上一章近距离采集的表4中11个煤系岩石0.5mm粒度粉末抹平表面的反射光谱如图6、图7、图8所示。与前述12个典型煤种光谱反射率曲线相同，因350-399nm和2451-2500nm光谱曲线暗电流噪声较大，只取400-2450nm波段光谱曲线，包括400-780nm可见波段、780-1100nm短波近红外波段、1100-2450nm长波近红外波段，且各分图纵坐标比例一致。

图6 泥页岩光谱反射率曲线

在图6中的5个泥页岩光谱反射率曲线中，碳质泥岩(46)与其余4种试样的光谱曲线相比，整体反射率最低，吸收谷特征最少，碳质泥岩(46)光谱曲线整体波形呈凹形，同一煤矿的碳质泥岩(48)以及其余3种泥页岩整体波形均呈凸形。此外，黑色页岩(58)整体吸收谷特征也较弱。除碳质泥岩(46)外，其余4种泥页岩在400-1100nm可见-短波近红外波段均呈现随波长增加的多个吸收谷。此5种泥页岩在1100-2450nm长波近红外波段的1400nm、1900nm、2200nm波长点附近均呈现出吸收谷特征，碳质泥岩(46)与黑色页岩(58)较微弱，且两者在2350-2450nm波段的光谱曲线呈现出频繁的波动趋势。

图7 砂岩光谱反射率曲线

图7中的4种砂岩光谱反射率曲线整体波形均呈凸形，其中两种粉砂岩整体光谱反射率较高，平均大于10%，且吸收谷特征较为明显。在400-1100nm波段的中后段，4种砂岩均呈现出多个吸收谷特征。在1100-2450nm波段，中粒砂岩和细砂岩的较明显吸收谷出现在1400nm、1900nm、2200nm波长点附近，粉砂岩(09)的较明显吸收谷出现在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm波长点附近，粉砂岩(28)的较明显吸收谷只出现在了1900nm波长点附近。

图8 灰岩光谱反射率曲线

图8中的两种泥质灰岩光谱反射率曲线整体波形均呈凸形，其中泥质灰岩(08)整体光谱反射率较高，大部分波段大于10%。两种泥质灰岩在400-1100nm波段均呈现出多个吸收谷特征，在1900nm、2350nm波长点附近均呈现出强吸收，在1400nm、2200nm波长点附近均呈现出弱吸收。图6、图7、图8中11个煤系岩石的反射光谱曲线，除碳质泥岩(46)外，整体表现为，在可见-短波近红外波段均出现多重吸收谷，在长波近红外波段，吸收谷基本分布在1400nm、1900nm、2200nm、2350nm4个波长点附近，整体波形上凸。而碳质泥岩(46)光谱曲线吸收谷特征微弱，2350-2450nm波段波形波动频繁，整体波形下凹，与煤的光谱曲线较相似。11个煤系岩石的反射光谱曲线在400-2450nm波段较明显吸收谷波长位置如图9所示。

图9 11 个典型煤系岩石可见-近红外波段反射光谱曲线明显吸收谷位置

46：碳质泥岩；48：碳质泥岩；67：黑色页岩；58：黑色页岩；69：砂质页岩；68：中粒砂岩；47：细砂岩；09：粉砂岩；28：粉砂岩；08：泥质灰岩；04：泥质灰岩

为方便观察，图16将11个煤系岩石的反射光谱曲线进行了偏移区分，同一大类岩石光谱曲线采用了相同的颜色表示，400-1100 nm波长范围各吸收谷和2350-2450 nm 波长范围频繁波动带整体标记，1400 nm、1900 nm、2200 nm、2350nm 各波长点吸收谷单独标记。

4、结论

本章主要研究结果如下

煤的反射光谱特征及其物质成分机理: 在近红外波段，煤光谱反射率曲线随煤阶的降低而升高整体光谱曲线波形由近水平到正斜率变化且斜率逐渐增加。煤在可见-近红外波段包括13个波长位置的较明显吸收谷，其中455nm、514nm、591nm、662nm、770nm、900nm1106nm、1342nm位置吸收谷在各阶煤种中均有出现，1418nm、1698nm、1905nm、2196nm、2303nm位置吸收谷在煤阶变低时出现，且煤阶越低越明显。煤分子结构的芳构化趋势是煤阶降低时反射率升高、光谱波形由近水平到正斜率变化的原因，煤中基团合频、倍频增多是煤阶降低时近红外波段吸收特征增强的原因。

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审核编辑 黄宇