1、引言

前文已对典型煤岩的反射光谱曲线特征进行研究，并分析了反射光谱特征产生的物质成分机理。本文将对煤岩反射光谱曲线特征参数与其成分的进行关联规律。并分析典型煤矿煤岩反射光谱的差异性，通过实验模拟碳质物质对碳质泥岩反射光谱的影响规律，研究探测几何和表面状态对煤岩反射光谱的影响规律。

2、典型烟煤和碳质泥岩试样反射光谱及成分分析

以前述山西马兰煤矿为例，选取了其另外 6 块烟煤和碳质泥岩煤岩试样，其中烟煤 3 块，属于焦煤，碳质泥岩 3 块，如图1 所示。明显地，碳质泥岩与煤均为黑色，外观色泽上较为接近。

图 1 马兰煤矿 6 块典型烟煤和碳质泥岩试样

上6块煤岩0.5 mm粒度粉末试样所测400-2450 nm波段光谱反射率曲线如图2所示，在图 20 中，标出了 8 个与主要组成成分相关的光谱特征带，这 8 个特征谱带的主要相关基团和离子如表 1所示。6 块煤岩元素含量 XRF 分析结果和挥发分、灰分工业分析结果如表2所示。

图 2马兰煤矿 6 块典型烟煤和碳质泥岩试样光谱反射率曲线

表 1 烟煤和碳质泥岩试样主要组成成分相关光谱带

表 2 烟煤和碳质泥岩 XRF 分析和工业分析结果

在图 2 中，碳质泥岩 3 在 1400 nm、1900 nm、2200 nm 波段反射光谱曲线吸收谷比其他 5 个试样明显，因此，碳质泥岩 3 通过这 3 个吸收谷特征能够清晰地与 3 种烟煤进行区分。而碳质泥岩 1、碳质泥岩 2 与 3 种烟煤的反射光谱曲线较为相似，难以进行区分。在 700 nm、870 nm 波段，碳质泥岩 1 与烟煤 3 光谱曲线较为相似。在 400-550 nm、1000-1100 nm 波段多重吸收谷，以及 2300-2450nm 波段有机物多重吸收谷，在所有的反射光谱曲线中均有出现。碳质泥岩 3 与其余 5 种试样相比，碳质泥岩 3 整体光谱曲线呈直线形状，而其余 5 种试样整体光谱曲线呈下凹形状。表2中显示了主要矿物元素 SiO²、Al₂O³、Fe₂O³、基质的含量，以及工业分析成分挥发分、灰分的含量，其中基质含量主要是指有机质中的 C、H、O、N含量。碳质泥岩 1 和碳质泥岩 2 的基质含量（47.80%和 41.25%）比碳质泥岩 3的基质含量（20.24%）大得多，这可能是导致碳质泥岩 1、碳质泥岩 2 的反射光谱曲线与三种烟煤样品反射光谱曲线相似的主要原因。碳质泥岩 3 反射光谱曲线 1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段的明显吸收谷取决于其低基质含量（20.24%）和产生高灰分（78.94%）的黏土、石英矿物。表2中两个较高的铁矿物元素含量（3.39%、3.14%）是造成碳质泥岩 1 和烟煤 3 在 700 nm、870 nm 波段明显吸收谷的主要原因。根据对表2中的主要成分和表1中的成分相关谱带的分析，表1中的8个选定波长点吸收谷可以反映烟煤或碳质泥岩的主要成分信息。从图2中的反射曲线波形和表2中的成分含量可以很容易地推断，分别与样品中有机质、矿物成分相关的基质含量、灰分含量是决定样品反射光谱曲线波形的关键因素。因此，需获得碳质物质含量对烟煤和碳质泥岩可见-近红外波段反射光谱的影响规律。

3、碳质物质含量对烟煤和碳质泥岩反射光谱影响模拟实验

为研究碳质物质含量对烟煤和碳质泥岩反射光谱的影响，采用了不同比例烟煤粉末与黏土粉末混合物的反射光谱进行模拟，所采用烟煤粉末为马兰煤矿的干燥特低灰烟煤，属于焦煤，其灰分为 2%，所采用黏土粉末的主要矿物成分含量为：高岭石 62%、石英 19%、水云母 10%、蒙脱石 4%、褐铁矿 3%、伊利石 1.2%，干燥特低灰烟煤粉末和黏土粉末粒度均为 0.5 mm。以干燥特低灰烟煤和黏土重量比分别为 0:100、5:95、…、95:5、100:0 的比例组成间隔为 5%的 21 种混合粉末试样，按照图 2-5 所示近距离反射光谱测量方法，测定了其培养皿中抹平表面的 400-2450 nm 波段反射光谱，所得的 21 条光谱反射率曲线如图3所示。图3(a)中的 12 条反射光谱曲线标出了 1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段 3 个明显吸收谷谱带。

图3特低灰烟煤与黏土不同比例混合粉末试样光谱反射率曲线

由图3可知，纯黏土粉末具有最高的反射光谱曲线，而 5%烟煤含量的混合粉末大幅明显下降，尤其是在 780-2450 nm 的近红外波段，当混合粉末中烟煤含量大于 5%时，随烟煤含量的增加，混合粉末的反射光谱曲线以较小的幅度下降。随烟煤含量的增加，混合粉末反射光谱曲线在 1400 nm、1900 nm 和 2200 nm波段 3 个吸收谷的深度减小，当烟煤含量大于约 35%，1400 nm、1900 nm 和 2200nm 波段 3 个吸收谷几乎消失，同时反射光谱曲线整体波形由凸变凹，光谱曲线间变得更加紧密相似，并趋向于水平方向。纯低灰烟煤粉末具有最低的反射光谱曲线，其整体波形更接近水平。采用 780-2450 nm 波段光谱斜率、1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度两类光谱特征参数来表征混合粉末反射光谱曲线波形随烟煤含量的变化规律。图3中的 21 条反射光谱曲线，按式（1）、（2）计算所得的两类光谱特征参数随烟煤含量的变化趋势如图4所示

图4烟煤含量对混合粉末试样光谱反射率曲线特征参数的影响

由图4可知，随烟煤含量的增加，混合粉末反射光谱曲线光谱斜率、1400nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度均呈整体下降趋势。烟煤含量由 0%变到 5%时，光谱斜率、1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度均大幅下降，当烟煤含量大于约 35%，随烟煤含量的增加，光谱斜率缓慢下降，1400 nm、1900nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度均趋近于零，呈平稳趋势。在图4中，在光谱特征参数与烟煤含量间进行了回归拟合，混合粉末光谱斜率与烟煤含量呈较好的幂函数关系，其决定系数达到了 0.9829；1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度与烟煤含量均采用了指数函数回归拟合，其决定系数分别为 0.9012、0.8761、0.9659。由低灰烟煤与黏土混合粉末反射光谱模拟实验可近似推断：当碳质泥岩中碳质物质含量大于约 35%时，随碳质物质含量增加，碳质泥岩反射光谱曲线近红外波段整体波形光谱斜率呈缓慢减小趋势，1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷均开始变得不明显，吸收谷深度呈趋近于零的稳定趋势；碳质泥岩光谱斜率与其碳质物质含量呈幂函数关系，1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度与其碳质物质含量呈指数函数关系。

4、总结

为了选择煤岩反射光谱特征波段及识别方法研究，本次实验选取了 12 种典型煤和 11 种典型顶底板煤系岩石，对其可见-近红外波段的反射光谱曲线特征进行了分析，研究了煤和煤系岩石反射光谱曲线特征的物质成分机理，分析了代表性煤矿典型煤岩反射光谱曲线的差异性，以及碳质泥岩与煤反射光谱的相似性，通过模拟实验得到了碳质物质含量对碳质泥岩反射光谱特征的影响规律。

(3) 煤岩反射光谱曲线的差异性在可见-短波近红外波段难以找到较明显的具有普适性的煤岩差异性吸收谷特征，在长波近红外波段，与煤相比，大部分煤系岩石表现出了较为明显的吸收谷特征，主要集中在 1400 nm、1900 nm、2200 nm、2350 nm 四个波段，整体波形上，大部分煤系岩石较波折，呈现上凸波形，煤较为平缓，呈现下凹波形，而碳质物质含量较高的碳质泥岩与同煤矿烟煤的光谱波形较为相似，吸收谷均不明显，在利用反射光谱吸收谷特征进行煤岩区分时，2200 nm 和 2350 nm 两个波段吸收谷为煤岩反射光谱差异性主要备选特征，2200nm 波段吸收谷为优先选择特征。

(4)碳质物质含量对碳质泥岩反射光谱影响与碳质泥岩中碳质物质、矿物成分相关的基质含量、灰分产率是决定碳质泥岩反射光谱曲线波形的关键因素，通过干燥特低灰烟煤与黏土混合粉末反射光谱模拟实验可近似推断: 当碳质泥岩中碳质物质含量大于约 35%时，碳质泥岩反射光谱曲线整体波形由凸变凹，1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷均开始变得不明显;随碳质物质含量继续增加，整体反射率缓慢下降，整体波形变化较小，近红外波段光谱斜率呈缓慢减小趋势，1400 nm、1900 nm 和 2200 nm 波段吸收谷深度呈趋近于零的稳定趋势。随碳质物质含量增加，碳质泥岩光谱斜率呈嘉函数减小趋势，1400 nm、1900 nm 和2200 nm 波段吸收谷深度均呈指数函数减小趋势