楊晨光，馮岸岸，朱金波，張勇，尹建強(qiáng)

（安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南232001）

隨著煤炭資源開發(fā)的日益加深，煤與矸石的快速有效分離成為煤炭行業(yè)所關(guān)心的熱點(diǎn)問題之一。近年來，眾多學(xué)者研究新型選矸技術(shù)。米強(qiáng)等[1]對煤與矸石的成像特征進(jìn)行了探究，把灰度共生矩陣法和局部二值法用于提取煤與矸石的成像紋理，對矸石的識別率達(dá)到96%，煤達(dá)到94%。譚春超等[2]對識別煤與矸石的成像提出了新的方案，用灰度的分布來表示煤矸成像。以灰度平均值和平滑度作為識別煤與矸石的參數(shù)，提高了識別率。K Guru 等[3]提出了一種用于煤和矸石分離的數(shù)字圖像處理技術(shù)，基于灰度直方圖閾值提取的特征值實(shí)現(xiàn)煤矸石的在線識別。筆者在X 雙能射線識別煤與矸石的基礎(chǔ)上，探究煤矸的成像灰度特征和原煤性質(zhì)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)機(jī)構(gòu)

試驗(yàn)機(jī)構(gòu)由四個(gè)部分組成：給料系統(tǒng)、識別機(jī)構(gòu)、成像機(jī)構(gòu)和分選機(jī)構(gòu)。給料系統(tǒng)主要有給料漏斗、振動分級篩、皮帶；識別機(jī)構(gòu)主要有X 射線探測器、X 射線發(fā)生器、數(shù)據(jù)收集卡；成像機(jī)構(gòu)主要有PLC控制柜、計(jì)算機(jī)終端；分選機(jī)構(gòu)主要有高壓噴閥、儲氣罐和收集槽。機(jī)構(gòu)由220 V 電壓供電，X 射線發(fā)生器可產(chǎn)生2 mA、160 kV的射線；X 射線探測器采用線陣列探測器，由5 個(gè)X-card 組成，用以接收X 射線在穿透物料后的衰減信號并將X射線的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；探測器發(fā)出的電信號被數(shù)據(jù)收集卡接收轉(zhuǎn)化并傳遞到計(jì)算機(jī)終端形成圖像。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)原理

物質(zhì)的密度、厚度[4]和組成，主要與物質(zhì)吸收X射線的光電效應(yīng)和熱效應(yīng)有關(guān)。物質(zhì)與X 射線的相互作用如圖2所示。

圖2 X射線與物質(zhì)的相互作用

實(shí)驗(yàn)表明，X 射線強(qiáng)度的衰減程度與透過的物質(zhì)厚度成正比關(guān)系[5]，當(dāng)波長一定的X 射線以I0強(qiáng)度透過厚度為t的物體時(shí)，滿足Lambert-Beer定律：

式中：I 是衰減后的射線強(qiáng)度，I0是射線的入射強(qiáng)度，μ是被透過物體的線性衰減系數(shù)，t 是被透過物體的厚度。因?yàn)閄 射線的衰減程度是反映物質(zhì)對射線散射與吸收的效果，所以其衰減系數(shù)是散射系數(shù)與吸收系數(shù)的和[6]：

式中：σ 為散射系數(shù)，τ為吸收系數(shù)。由于衰減過程中，吸收導(dǎo)致的衰減遠(yuǎn)大于散射導(dǎo)致的衰減，因此常將σ忽略，認(rèn)為μ=τ。即：

式中：μ*是質(zhì)量吸收系數(shù)，ρ是被透過物體的密度。當(dāng)波長一定時(shí)，物體的質(zhì)量吸收系數(shù)僅與物體本身和波長有關(guān)，同種物體的μ*為常數(shù)。

1.3 試驗(yàn)材料制備

試驗(yàn)樣品取自臨渙選煤廠的焦煤、許疃煤礦的肥煤以及顧橋煤礦的氣煤。各煤種的測量粒級均為30～100 mm，原煤破碎后用島津LabX XRD-6000 型X 射線衍射儀進(jìn)行XRD 分析，使用MDI Jade6.5 對原煤的X 射線圖譜進(jìn)行定性分析，得出其主要礦物組成，再依據(jù)RIR[7]法計(jì)算各組試驗(yàn)樣品的礦物含量[8]。

表1 不同粒度級下三種煤種的灰分

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（1）將煤樣制成 6 個(gè)密度級：1.3～1.4 kg/L，1.4～1.5 kg/L，1.5～1.6 kg/L，1.6～1.7 kg/L，1.7～1.8 kg/L，+1.8 kg/L。

（2）取各密度級煤樣將其制成厚度分別為0.5 cm、1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm 的試樣，每種厚度制3塊原煤試樣，試驗(yàn)數(shù)值取其平均值。

（3）以焦煤為例，將1.3～1.4 kg/L，0.5 cm 厚度的焦煤投入給料漏斗，通過成像系統(tǒng)后在計(jì)算機(jī)終端成像，然后依次將1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm 厚度的焦煤投入，在識別系統(tǒng)采集圖像，每塊原煤均有高、低能區(qū)兩張圖像。

（4）用Matlab 軟件處理采集的圖像，獲得肥煤和氣煤在不同密度和厚度下的灰度峰值。

圖3 穿過X射線的煤和矸石

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 密度和灰分的線性關(guān)系

不同密度級試樣的灰分，如圖4～圖6。

圖4 30～50 mm各煤種的原煤灰分

圖5 50～100 mm各煤種的原煤灰分

圖6 30～100 mm各煤種的原煤灰分

由圖6 可知，各煤種的密度和灰分正相關(guān)。在相同粒度級，原煤的灰分隨著密度的增大而增大。因?yàn)槊旱拿芏仍叫?其內(nèi)雜質(zhì)礦物含量越少，所以煤的密度增大時(shí)其內(nèi)雜質(zhì)礦物的含量增多，工業(yè)分析上表現(xiàn)為灰分的增大[9-11]。

由以上分析，建立試樣煤的密度與灰分的線性關(guān)系，以焦煤30～100 mm粒度級為例，擬合的曲線如圖7所示。

圖7 焦煤的密度-灰分趨勢圖

由圖7可得到焦煤密度與灰分之間的回歸方程：

表2 中，三個(gè)煤種的線性回歸方程顯著程度均為高度顯著，表明各煤種的灰分和密度之間的線性關(guān)系可信度較高。

表2 不同煤種的灰分回歸方程和相關(guān)系數(shù)

2.2 密度及厚度與灰度值的關(guān)系

不同厚度的煤和矸石試樣經(jīng)過X 射線透射后利用計(jì)算機(jī)終端處理，得到深淺有別的圖像，如圖8所示。

圖8 煤和矸石的X射線動態(tài)圖像

以焦煤為例，將圖像經(jīng)過Matlab 軟件處理，得到煤和矸石試樣的灰度值，其中圖9 中（a）（b）為高能區(qū)，（c）（d）為低能區(qū)，由（a）（c）可知：密度相同時(shí)，原煤的灰度峰值隨厚度的增加而逐漸減小，呈先快后慢的趨勢，且矸石的下降幅度比煤快。由（b）（d）可知：厚度相同時(shí)，原煤的灰度峰值隨密度的增加而逐漸減小，且煤的灰度峰值高于矸石的灰度峰值。原因是矸石的主要成分為頁巖，其密度遠(yuǎn)大于煤。高、低能區(qū)的灰度值隨厚度和密度的變化趨勢相似，但由于高能區(qū)的X 射線波長短，衰減程度小，低能區(qū)的X 射線波長長，衰減程度大。在同種參數(shù)下，高能區(qū)的灰度峰值遠(yuǎn)小于低能區(qū)。氣煤和肥煤呈現(xiàn)與焦煤相同的變化趨勢。

圖9 不同厚度及密度下焦煤和矸石灰度值變化曲線

以焦煤為例，建立灰度值與厚度的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方程：y=aebx，通過計(jì)算可得b=-0.246，a=118.61，故焦煤在1.3～1.4 kg/L 密度級，灰度值與厚度的回歸方程為：y=118.61e-0.246x，γ 值為負(fù)，表明灰度值和厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即密度相同時(shí)，灰度值隨厚度的增加而逐漸減小，與結(jié)論一致。按上述方法可依次計(jì)算得出不同密度的煤的厚度與灰度峰值之間的關(guān)系，如表3～表5所示。

2.3 煤和矸石的識別試驗(yàn)

由于在實(shí)際應(yīng)用中利用灰度值進(jìn)行煤和矸石的識別存在煤和矸石灰度值重疊的現(xiàn)象，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)識別精度不高，故有學(xué)者提出利用物質(zhì)屬性值,即R 值法進(jìn)行識別。R 值是以X 射線在高、低能區(qū)的衰減程度為基礎(chǔ)提出來的，與被X 射線穿透物質(zhì)的等效原子序數(shù)有關(guān)。經(jīng)典R 值公式為分別為物質(zhì)被穿透后的高、低能區(qū)的灰度峰值。將R值法運(yùn)用于煤和矸石的識別，通過整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算不同煤種的R 值，擬確定1.30 為煤和矸石的分離閾值，即R 值大于等于1.30 為煤，小于1.30 為矸石。利用X 射線對原煤的識別方法，對粒度為30～50 mm 的原煤進(jìn)行試驗(yàn)，可得煤和矸石的灰度值，試驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖12所示。

由圖10～圖12知，當(dāng)原煤的粒度為10～30 mm時(shí)，焦煤、氣煤和肥煤的塊煤識別準(zhǔn)確率分別為100%、97%和93%，焦煤、肥煤和氣煤的矸石識別準(zhǔn)確率分別為100%、100%和97%。由此可見，在原煤不進(jìn)行分級時(shí)，塊煤的識別準(zhǔn)確率低于矸石。當(dāng)粒度為30～50 mm 時(shí)，塊煤和矸石的識別準(zhǔn)確率均達(dá)97%以上，此時(shí)較薄的矸石有可能被誤斷為塊煤。當(dāng)粒度為50～100 mm 時(shí)，塊煤的識別準(zhǔn)確率達(dá)93%以上，矸石的識別準(zhǔn)確率達(dá)100%，此時(shí)較厚的煤有可能被誤斷為矸石。結(jié)合三個(gè)煤種的煤、矸石識別準(zhǔn)確率可以發(fā)現(xiàn)，R 值法適用于智能分選過程中各煤種的識別。

表3 焦煤的灰度值回歸方程

表4 肥煤的灰度值回歸方程

表5 氣煤的灰度值回歸方程

圖10 30～100 mm三個(gè)煤種的R值識別結(jié)果

圖11 30～50 mm三個(gè)煤種的R值識別結(jié)果

圖12 50～100 mm三個(gè)煤種的R值識別結(jié)果

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)測定了三個(gè)煤種的原煤灰分，通過建立原煤密度和灰分的關(guān)系方程y焦=87.2x-111.66,y肥=94.38x-119.09,y氣=94.78x-119.48,得出其線性回歸方程為高度顯著。

（2）探究了原煤的厚度和密度對灰度值的影響，得出灰度的峰值是厚度與密度共同作用的結(jié)果，并計(jì)算了灰度值與厚度之間的回歸方程。

（3）將R 值法運(yùn)用于煤和矸石的識別中，當(dāng)原煤的粒度為30～50 mm 時(shí)，塊煤和矸石的識別準(zhǔn)確率均可達(dá)97%以上；當(dāng)原煤的粒度為50～100 mm 時(shí)，煤的識別準(zhǔn)確率可達(dá)93%以上；當(dāng)原煤入料粒度為30～10 mm 時(shí)，對塊煤的準(zhǔn)確率最高可達(dá)100%，最低為93%，對矸石的準(zhǔn)確率最高為100%，最低為97%。