一、背景及意义
随着中国经济的快速发展，在可预见的未来，能源需求将在很长一段时间内持续快速上升。 虽然煤炭使用比例有所下降，但作为第一大能源不会改变，到2030年，中国煤炭消费比例仍将达到55%左右。 由于我国90%的煤炭都在地下，50%的埋深在1000米以上，深部煤层气、岩石崩塌、突水等地质灾害的发生率高，而且是偶然的。 鉴于煤炭能源技术革命的发展需要，高速率、低效率的开采模式已无法满足现代采矿的需求，无人化、智能化开采是全球煤矿实现安全、高效、绿色目标的迫切需求和有效途径。
煤岩识别作为国际煤矿开采领域中一项常见但尚未解决的前沿技术，一直是阻碍无人煤矿开采研究和应用的一大难题。
研究煤和岩石中高分辨率反射光谱的特征和差异，基于反射光谱有效区分煤和岩石具有重要意义。 因此，掌握基于反射光谱技术的煤岩鉴定的基本原理和有效辨识方法，将为全球煤岩鉴定问题提供重要的理论依据和技术指导。
2.煤的反射光谱特性
反射光谱技术在煤矿和岩石遥感领域的应用为煤和岩石识别方法的研究提供了新的思路，获得煤和岩石的反射光谱特征是研究基于反射光谱的煤和岩石识别方法的基础，一些学者研究了部分煤和岩石的可见-近红外反射和吸收光谱特征。 然而，我国尚未对典型煤和煤测岩的反射光谱特征进行系统研究，而对典型煤和测煤岩的反射光谱特性的研究不仅为利用光谱波形低成本、快速地识别煤和煤测岩类型提供了依据， 同时也为研究煤岩反射光谱的差异和鉴定方法提供了前提。煤与煤测石反射光谱的特性是分析煤与岩石反射光谱差异的依据，煤与岩石反射光谱的差异是区分煤与岩石的直接依据。
因此，本章分析了各种典型煤和煤测量岩石的可见-近红外反射光谱特征特征，并研究了与煤和岩石反射光谱特征相对应的物质组成机制。
2.1 典型煤型的光谱反射率曲线
在煤分类国际标准ISO 11760煤分类和中国国家标准GB T5751《中国煤炭分类》中，对煤给出了相同的定义，即煤是以植物残骸为主要通过煤化转化而来的富碳固体可燃有机沉积岩，含有一定量的矿物质，其灰分收率小于等于50%。 这两个标准都根据其变质程度将煤炭分为三类：无烟煤、烟煤和褐煤。 从以上标准可以看出，煤是一种沉积岩，但由于无烟煤的煤化和变质程度高，一些专著将一些无烟煤归类为变质岩类型。 本文按GB T 5751对子类进行抽样，选取12种典型煤种作为研究对象，涵盖无烟煤、烟煤和褐煤三大煤种，如表1所示。 表1中的12个煤样按煤等级降序从上到下排列，包括各类煤的来源和煤矿。
表1 典型煤样
本文利用煤炭 0模拟了5 mm粒径粉末样品的表面反射光谱，模拟了块状原位煤岩样品的表面反射光谱。 表1中近距离采集的12种煤为05 mm粉末光滑表面的反射光谱如图1、图2、图3所示。
图1 无烟煤的光谱反射率曲线
图1、图2和图3去除了350-399 nm和2451-2500 nm波段的光谱曲线，只保留了400-2450 nm波段的光谱曲线。 从图1可以看出，两颗无烟煤的整体光谱曲线波形为水平，1号无烟煤的整体光谱曲线略有下降趋势，2号和2号无烟煤的光谱曲线整体反射率略高于1号无烟煤。 在400-1000 nm波段，两条光谱曲线表现出频繁的吸收谷特征，而在1000-2450 nm波段，基本没有明显的吸收谷特征。
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等级的下降呈上升趋势，煤等级越低，上升趋势越明显。 随着煤等级的降低，在2100-2400nm波段的吸收特性越来越明显。 当煤等级较低时，如1 3焦煤、瓦斯化肥煤、瓦斯煤等，光谱曲线从2200nm左右的波长增加，停止了整体上升趋势。 在400-1000 nm波段，大部分反射光谱曲线表现出频繁的吸收谷特征，而在1000-2450 nm波段，吸收谷特征不仅增加，而且变得更加明显。
图3 褐煤的光谱反射率曲线
图3中两类褐煤的反射光谱曲线先随波长的增加而增大，然后从1800nm左右开始出现明显的吸收谷，整体波形开始减小，褐煤2号光谱曲线的整体反射率略高于褐煤1号。 在400-1000 nm波段，两类褐煤的反射光谱均表现出频繁的吸收谷特征，在1000-2450 nm波段，两类褐煤在1900 nm附近表现出明显的吸收谷特征，其中褐煤2号最为明显。 12种煤在400-2450nm波段的反射光谱总体变化和吸收谷的明显波长位置如图4所示。
图4 12种典型煤型的可见光和近红外波段反射光谱显示了明显的吸收谷的位置
35：无烟煤1号; 59：无烟煤2号; 36：贫煤; 37：贫煤; 38：贫煤; 39：炼焦煤; 40：肥煤; 41：1 3 炼焦煤; 42：瓦斯化煤; 43：瓦斯煤; 44：褐煤1号; 45：褐煤2号
从图4可以看出，12个煤的整体反射率光谱曲线表明，随着煤层的降低，曲线增大，即整体反射率增形由近水平向正倾角逐渐增大，低层煤近红外波段光谱反射率曲线后半段的整体波形向水平向负倾斜变为负倾角。
2.2 煤反射率光谱曲线的参数化和规律性
光谱曲线特征的参数化是将光谱曲线特征转换为适合计算机计算和分析的形式。 因此，定量表示反射率光谱曲线的特性，并以参数化方式表示反射率变化规律。 通过对反射光谱曲线的特征参数化和参数提取，构建了分析特征参数集，为后续光谱匹配、分类、识别和反演奠定了基础。 如上所述，12种煤在近红外波段（780-2450nm）的反射光谱曲线的整体斜率具有明显的规律性，因此从780nm的波长点计算煤反射光谱曲线的光谱斜率。 图5选取了上述12个煤样中4个具有代表性的煤岩的反射光谱，包括：煤型煤级-无烟煤1号（35号）、煤级烟煤-贫煤（36号）、煤级烟煤-煤气煤（43号）和煤级褐煤-褐煤2号（45号）。
图5 代表性煤样反射光谱曲线特征参数化
3. 煤测量岩石的反射光谱特征
根据上一章收集的测煤岩类型和分析，测煤岩主要包括页岩、砂岩和石灰岩三种类型的沉积岩。 与地表类似沉积岩类似，在近红外波段，煤测量岩的反射光谱特性主要取决于矿物的光谱特性，而矿物的反射光谱吸收特性主要取决于中红外波段矿物吸收基团吸收光谱基频的组合频率和倍增。 受煤形成过程中复杂沉积的影响，测煤岩多含有一定的有机碳质成分，因此与地表同类沉积岩相比，光谱反射率相对较低，吸收特性也减弱。
鉴于煤矿对高光谱遥感的需求，对煤测量岩石光谱反射率的研究主要集中在矿区地表堆积的煤矸石上。 本文重点分析了在可见-近红外波段地下采集的3类煤测量沉积岩的光谱反射率曲线特征。 研究结果不仅为煤岩鉴定研究提供了依据，而且为了解测煤岩的光谱信息，利用测煤岩的反射光谱波形特征判断煤层地质钻孔岩心提供了参考信息。 根据覆盖页岩、砂岩、石灰岩三类煤层沉积岩的原理，选取山西马兰煤矿、山西新京煤矿、山东东风煤矿和山东兴隆庄煤矿4个煤矿的11个代表性顶底岩样品作为研究对象，将岩石类型、 外观特征、煤层分布、煤矿产地信息见表4。表4中的11个煤测量岩石样品按岩石类型顺序列出。
表4 典型煤测岩石样
与上述煤反射率光谱特征分析类似，对于表4中的煤测岩石，为了获得均质岩石样品的稳定光谱反射率数据，本文采用煤测岩石0模拟了5mm粒径粉末样品的表面反射光谱，模拟了块状煤测量岩石样品的表面反射光谱。 表 4 中近距离采集的 11 块煤测量岩石 05 mm粒径粉末光滑表面的反射光谱如图6、图7、图8所示。 上述12种典型煤型的光谱反射率曲线相同，由于350-399nm和2451-2500nm光谱曲线的暗电流噪声较大，仅取400-2450nm波段光谱曲线，包括400-780nm可见光波段、780-1100nm短波近红外波段和1100-2450nm长波近红外波段，各子图纵坐标比例相同。
图6 页岩光谱反射率曲线
在图6的5条页岩光谱反射率曲线中，碳质泥岩（46）与其他4个样品的光谱曲线相比，整体反射率和吸收谷特征最小，碳质泥岩（46）光谱曲线的整体波形为凹面，碳质泥岩（48）与同一煤矿的其他3种页岩类型为凸面。 此外，黑色页岩（58）的整体吸收谷特征也较弱。 除炭质泥岩（46）外，其他4种页岩在400-1100 nm可见光-短波近红外波段均呈现出多个吸收谷，波长不断增加。 在1100-2450 nm长波近红外波段，5种页岩在1400 nm、1900 nm和2200 nm波点附近表现出吸收谷特征，而炭质泥岩（46）和黑色页岩（58）较弱，2350-2450 nm波段两种页岩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4条砂岩光谱反射率曲线整体波形凸起，2块粉砂岩整体光谱反射率较高，平均在10%以上，吸收谷特征明显。 在400-1100nm波段的中晚期，4种砂岩表现出多重吸收谷特征。 在1100-2450 nm波段，中粒砂岩和细砂岩吸收谷较为明显，在1400 nm、1900 nm和2200 nm波点附近出现较为明显的吸收谷，粉砂岩（09）较为明显的吸收谷出现在1400 nm、1900 nm、2200 nm和2350 nm波长点附近，粉砂岩（28）较为明显的吸收谷仅出现在1900 nm波长点附近。
图8 石灰石的光谱反射率曲线
图8中两种泥质灰岩的光谱反射率曲线整体波形为凸面，泥质灰岩（08）的整体光谱反射率较高，大部分波段均大于10%。 两种泥质灰岩在400-1100 nm波段表现出多个吸收谷，在1900 nm和2350 nm波长附近吸收较强，在1400 nm和2200 nm波长附近吸收较弱。 图6、图7和图8中11块煤测量岩的反射光谱表明，可见光-短波近红外波段存在多个吸收谷，在长波近红外波段，吸收谷基本分布在1400 nm、1900 nm、2200 nm和2350 nm四个波长点附近， 并且整体波形是凸的。但碳质泥岩（46）光谱曲线吸收谷较弱，2350-2450nm波段波形波动频繁，整体波形凹，与煤的光谱曲线相似。 11块煤测量岩的反射光谱在400-2450nm波段较为明显，吸收谷的波长位置如图9所示。
图9 11个典型煤测量岩石的可见光和近红外波段反射光谱显示了吸收谷的位置
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：泥质石灰岩
为便于观察，图16中对11个煤测岩的反射光谱曲线进行了偏移，同一种大型岩石的光谱曲线用相同的颜色表示，并整体标注了400-1100 nm波长范围内和2350-2450 nm波长范围内各吸收谷的吸收谷， 分别标记1400 nm、1900 nm、2200 nm和2350 nm处各波长点的吸收谷。
4. 结论
本章的主要结论如下。
煤反射光谱特征及其物质组成机理：在近红外波段，煤的光谱反射率曲线随着煤等级的降低而增大，整体光谱曲线的波形由近水平斜率变为正斜率，斜率逐渐增大。 在可见光-近红外波段，煤层有13个明显的吸收谷，其中455nm、514nm、591nm、662nm、770nm、900nm、1106nm和1342nm的吸收谷出现在所有煤层中，1418nm、1698nm、1905nm、2196nm和2303nm处的吸收谷出现在煤层变低时，煤层越低， 它越明显。煤分子结构的芳构化趋势是煤层降低时反射率增加和光谱波形由近水平斜率变为正斜率的原因，煤层中群频和频倍增的增加是煤层减小时近红外波段吸收特性增强的原因。
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