一、背景及意義
隨著中國經濟的快速發展，在可預見的未來，能源需求將在很長一段時間內持續快速上公升。 雖然煤炭使用比例有所下降，但作為第一大能源不會改變，到2030年，中國煤炭消費比例仍將達到55%左右。 由於我國90%的煤炭都在地下，50%的埋深在1000公尺以上，深部煤層氣、岩石崩塌、突水等地質災害的發生率高，而且是偶然的。 鑑於煤炭能源技術革命的發展需要，高速率、低效率的開採模式已無法滿足現代採礦的需求，無人化、智慧型化開採是全球煤礦實現安全、高效、綠色目標的迫切需求和有效途徑。
煤巖識別作為國際煤礦開採領域中一項常見但尚未解決的前沿技術，一直是阻礙無人煤礦開採研究和應用的一大難題。
研究煤和岩石中高解像度反射光譜的特徵和差異，基於反射光譜有效區分煤和岩石具有重要意義。 因此，掌握基於反射光譜技術的煤巖鑑定的基本原理和有效辨識方法，將為全球煤巖鑑定問題提供重要的理論依據和技術指導。
2.煤的反射光譜特性
反射光譜技術在煤礦和岩石遙感領域的應用為煤和岩石識別方法的研究提供了新的思路，獲得煤和岩石的反射光譜特徵是研究基於反射光譜的煤和岩石識別方法的基礎，一些學者研究了部分煤和岩石的可見-近紅外反射和吸收光譜特徵。 然而，我國尚未對典型煤和煤測巖的反射光譜特徵進行系統研究，而對典型煤和測煤巖的反射光譜特性的研究不僅為利用光譜波形低成本、快速地識別煤和煤測巖型別提供了依據， 同時也為研究煤巖反射光譜的差異和鑑定方法提供了前提。煤與煤測石反射光譜的特性是分析煤與岩石反射光譜差異的依據，煤與岩石反射光譜的差異是區分煤與岩石的直接依據。
因此，本章分析了各種典型煤和煤測量岩石的可見-近紅外反射光譜特徵特徵，並研究了與煤和岩石反射光譜特徵相對應的物質組成機制。
2.1 典型煤型的光譜反射率曲線
在煤分類國際標準ISO 11760煤分類和中國國家標準GB T5751《中國煤炭分類》中，對煤給出了相同的定義，即煤是以植物殘骸為主要通過煤化轉化而來的富碳固體可燃有機沉積岩，含有一定量的礦物質，其灰分收率小於等於50%。 這兩個標準都根據其變質程度將煤炭分為三類：無煙煤、煙煤和褐煤。 從以上標準可以看出，煤是一種沉積岩，但由於無煙煤的煤化和變質程度高，一些專著將一些無煙煤歸類為變質岩型別。 本文按GB T 5751對子類進行抽樣，選取12種典型煤種作為研究物件，涵蓋無煙煤、煙煤和褐煤三大煤種，如表1所示。 表1中的12個煤樣按煤等級降序從上到下排列，包括各類煤的來源和煤礦。
表1 典型煤樣
本文利用煤炭 0模擬了5 mm粒徑粉末樣品的表面反射光譜，模擬了塊狀原位煤巖樣品的表面反射光譜。 表1中近距離採集的12種煤為05 mm粉末光滑表面的反射光譜如圖1、圖2、圖3所示。
圖1 無煙煤的光譜反射率曲線
圖1、圖2和圖3去除了350-399 nm和2451-2500 nm波段的光譜曲線，只保留了400-2450 nm波段的光譜曲線。 從圖1可以看出，兩顆無煙煤的整體光譜曲線波形為水平，1號無煙煤的整體光譜曲線略有下降趨勢，2號和2號無煙煤的光譜曲線整體反射率略高於1號無煙煤。 在400-1000 nm波段，兩條光譜曲線表現出頻繁的吸收谷特徵，而在1000-2450 nm波段，基本沒有明顯的吸收谷特徵。
圖2 煙煤光譜反射率曲線
圖2中8種煙煤的整體光譜反射率隨煤等級的下降呈上公升趨勢，煤等級越低，上公升趨勢越明顯。 隨著煤等級的降低，在2100-2400nm波段的吸收特性越來越明顯。 當煤等級較低時，如1 3焦煤、瓦斯化肥煤、瓦斯煤等，光譜曲線從2200nm左右的波長增加，停止了整體上公升趨勢。 在400-1000 nm波段，大部分反射光譜曲線表現出頻繁的吸收谷特徵，而在1000-2450 nm波段，吸收谷特徵不僅增加，而且變得更加明顯。
圖3 褐煤的光譜反射率曲線
圖3中兩類褐煤的反射光譜曲線先隨波長的增加而增大，然後從1800nm左右開始出現明顯的吸收谷，整體波形開始減小，褐煤2號光譜曲線的整體反射率略高於褐煤1號。 在400-1000 nm波段，兩類褐煤的反射光譜均表現出頻繁的吸收谷特徵，在1000-2450 nm波段，兩類褐煤在1900 nm附近表現出明顯的吸收谷特徵，其中褐煤2號最為明顯。 12種煤在400-2450nm波段的反射光譜總體變化和吸收谷的明顯波長位置如圖4所示。
圖4 12種典型煤型的可見光和近紅外波段反射光譜顯示了明顯的吸收谷的位置
35：無煙煤1號; 59：無煙煤2號; 36：貧煤; 37：貧煤; 38：貧煤; 39：煉焦煤; 40：肥煤; 41：1 3 煉焦煤; 42：瓦斯化煤; 43：瓦斯煤; 44：褐煤1號; 45：褐煤2號
從圖4可以看出，12個煤的整體反射率光譜曲線表明，隨著煤層的降低，曲線增大，即整體反射率增形由近水平向正傾角逐漸增大，低層煤近紅外波段光譜反射率曲線後半段的整體波形向水平向負傾斜變為負傾角。
2.2 煤反射率光譜曲線的引數化和規律性
光譜曲線特徵的引數化是將光譜曲線特徵轉換為適合計算機計算和分析的形式。 因此，定量表示反射率光譜曲線的特性，並以引數化方式表示反射率變化規律。 通過對反射光譜曲線的特徵引數化和引數提取，構建了分析特徵引數集，為後續光譜匹配、分類、識別和反演奠定了基礎。 如上所述，12種煤在近紅外波段（780-2450nm）的反射光譜曲線的整體斜率具有明顯的規律性，因此從780nm的波長點計算煤反射光譜曲線的光譜斜率。 圖5選取了上述12個煤樣中4個具有代表性的煤巖的反射光譜，包括：煤型煤級-無煙煤1號（35號）、煤級煙煤-貧煤（36號）、煤級煙煤-煤氣煤（43號）和煤級褐煤-褐煤2號（45號）。
圖5 代表性煤樣反射光譜曲線特徵引數化
3. 煤測量岩石的反射光譜特徵
根據上一章收集的測煤巖型別和分析，測煤巖主要包括頁岩、砂岩和石灰岩三種型別的沉積岩。 與地表類似沉積岩類似，在近紅外波段，煤測量巖的反射光譜特性主要取決於礦物的光譜特性，而礦物的反射光譜吸收特性主要取決於中紅外波段礦物吸收基團吸收光譜基頻的組合頻率和倍增。 受煤形成過程中複雜沉積的影響，測煤巖多含有一定的有機碳質成分，因此與地表同類沉積岩相比，光譜反射率相對較低，吸收特性也減弱。
鑑於煤礦對高光譜遙感的需求，對煤測量岩石光譜反射率的研究主要集中在礦區地表堆積的煤矸石上。 本文重點分析了在可見-近紅外波段地下採集的3類煤測量沉積岩的光譜反射率曲線特徵。 研究結果不僅為煤巖鑑定研究提供了依據，而且為了解測煤巖的光譜資訊，利用測煤巖的反射光譜波形特徵判斷煤層地質鑽孔岩心提供了參考資訊。 根據覆蓋頁岩、砂岩、石灰岩三類煤層沉積岩的原理，選取山西馬蘭煤礦、山西新京煤礦、山東東風煤礦和山東興隆莊煤礦4個煤礦的11個代表性頂底巖樣品作為研究物件，將岩石型別、 外觀特徵、煤層分布、煤礦產地資訊見表4。表4中的11個煤測量岩石樣品按岩石型別順序列出。
表4 典型煤測岩石樣
與上述煤反射率光譜特徵分析類似，對於表4中的煤測岩石，為了獲得均質岩石樣品的穩定光譜反射率資料，本文採用煤測岩石0模擬了5mm粒徑粉末樣品的表面反射光譜，模擬了塊狀煤測量岩石樣品的表面反射光譜。 表 4 中近距離採集的 11 塊煤測量岩石 05 mm粒徑粉末光滑表面的反射光譜如圖6、圖7、圖8所示。 上述12種典型煤型的光譜反射率曲線相同，由於350-399nm和2451-2500nm光譜曲線的暗電流雜訊較大，僅取400-2450nm波段光譜曲線，包括400-780nm可見光波段、780-1100nm短波近紅外波段和1100-2450nm長波近紅外波段，各子圖縱坐標比例相同。
圖6 頁岩光譜反射率曲線
在圖6的5條頁岩光譜反射率曲線中，碳質泥岩（46）與其他4個樣品的光譜曲線相比，整體反射率和吸收谷特徵最小，碳質泥岩（46）光譜曲線的整體波形為凹面，碳質泥岩（48）與同一煤礦的其他3種頁岩型別為凸面。 此外，黑色頁岩（58）的整體吸收谷特徵也較弱。 除炭質泥岩（46）外，其他4種頁岩在400-1100 nm可見光-短波近紅外波段均呈現出多個吸收谷，波長不斷增加。 在1100-2450 nm長波近紅外波段，5種頁岩在1400 nm、1900 nm和2200 nm波點附近表現出吸收谷特徵，而炭質泥岩（46）和黑色頁岩（58）較弱，2350-2450 nm波段兩種頁岩的光譜曲線呈現出頻繁的波動趨勢。
圖7 砂岩光譜反射率曲線
圖7中4條砂岩光譜反射率曲線整體波形凸起，2塊粉砂岩整體光譜反射率較高，平均在10%以上，吸收谷特徵明顯。 在400-1100nm波段的中晚期，4種砂岩表現出多重吸收谷特徵。 在1100-2450 nm波段，中粒砂岩和細砂岩吸收谷較為明顯，在1400 nm、1900 nm和2200 nm波點附近出現較為明顯的吸收谷，粉砂岩（09）較為明顯的吸收谷出現在1400 nm、1900 nm、2200 nm和2350 nm波長點附近，粉砂岩（28）較為明顯的吸收谷僅出現在1900 nm波長點附近。
圖8 石灰石的光譜反射率曲線
圖8中兩種泥質灰岩的光譜反射率曲線整體波形為凸面，泥質灰岩（08）的整體光譜反射率較高，大部分波段均大於10%。 兩種泥質灰岩在400-1100 nm波段表現出多個吸收谷，在1900 nm和2350 nm波長附近吸收較強，在1400 nm和2200 nm波長附近吸收較弱。 圖6、圖7和圖8中11塊煤測量巖的反射光譜表明，可見光-短波近紅外波段存在多個吸收谷，在長波近紅外波段，吸收谷基本分布在1400 nm、1900 nm、2200 nm和2350 nm四個波長點附近， 並且整體波形是凸的。但碳質泥岩（46）光譜曲線吸收谷較弱，2350-2450nm波段波形波動頻繁，整體波形凹，與煤的光譜曲線相似。 11塊煤測量巖的反射光譜在400-2450nm波段較為明顯，吸收谷的波長位置如圖9所示。
圖9 11個典型煤測量岩石的可見光和近紅外波段反射光譜顯示了吸收谷的位置
46：碳質泥岩; 48：碳質泥岩; 67： 黑色頁岩; 58：黑色頁岩; 69： 砂質頁岩; 68： 中粒砂岩; 47：細砂岩; 09： 粉砂岩; 28： 粉砂岩; 08： 泥質灰岩; 04：泥質石灰岩
為便於觀察，圖16中對11個煤測巖的反射光譜曲線進行了偏移，同一種大型岩石的光譜曲線用相同的顏色表示，並整體標註了400-1100 nm波長範圍內和2350-2450 nm波長範圍內各吸收谷的吸收谷， 分別標記1400 nm、1900 nm、2200 nm和2350 nm處各波長點的吸收谷。
4. 結論
本章的主要結論如下。
煤反射光譜特徵及其物質組成機理：在近紅外波段，煤的光譜反射率曲線隨著煤等級的降低而增大，整體光譜曲線的波形由近水平斜率變為正斜率，斜率逐漸增大。 在可見光-近紅外波段，煤層有13個明顯的吸收谷，其中455nm、514nm、591nm、662nm、770nm、900nm、1106nm和1342nm的吸收谷出現在所有煤層中，1418nm、1698nm、1905nm、2196nm和2303nm處的吸收谷出現在煤層變低時，煤層越低， 它越明顯。煤分子結構的芳構化趨勢是煤層降低時反射率增加和光譜波形由近水平斜率變為正斜率的原因，煤層中群頻和頻倍增的增加是煤層減小時近紅外波段吸收特性增強的原因。
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