李多燕

（淮河能源集團選煤分公司潘集選煤廠，安徽淮南 232001）

近些年，我國智能煤矸分選技術(shù)飛速發(fā)展[1]。智能煤矸分選技術(shù)相比傳統(tǒng)的人工選矸[2]、濕法選矸[3]和傳統(tǒng)干法選矸[4]具有高效率、高精度、節(jié)省資源、保護環(huán)境等優(yōu)點[5]。但是近年來針對智能煤矸分選主要側(cè)重于可見光分選，包括煤矸石表面灰度值、灰度共生矩陣、表面紋理特征等等[6]。

何克焓[7]基于煤矸石分選環(huán)境和煤矸石的視覺特點，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行改進，結(jié)果表明,改進后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在煤矸分選中比傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分選精度高。范振等[8]將煤和矸石的灰度特征與紋理特征制成樣本并采用支持向量機進行訓(xùn)練，結(jié)果表明,煤矸識別率可達到96.7%。張勇等[9]基于機器視覺的方式，采取經(jīng)典卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對煤和矸石圖像進行識別分類，并對各種經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)進行評估，結(jié)果表明,AlexNet，ResNet50和ResNet101網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練準(zhǔn)確率均在90%以上。朱金波等[10]研究了礦物組分對X射線識別的規(guī)律，通過對各種單一礦物和混合礦物的厚度變化，研究其灰度變化，最后用煤和矸石進行驗證，結(jié)果表明,煤和矸石與單一礦物和混和礦物的變化規(guī)律趨于一致。

經(jīng)過上述國內(nèi)學(xué)者的研究成果分析，對智能光電分選的研究主要是紋理特征的提取和分選算法的選擇和優(yōu)化[11]，對分選過程中煤和矸石本質(zhì)差異的影響研究較少。本文針對煤和矸石礦物組成差異對X射線分選的影響進行了試驗研究。

1 X射線分選煤矸石原理

X射線煤矸分選技術(shù)是根據(jù)X射線的衰減原理，即煤和矸石對X射線的吸收系數(shù)不同[12]。在單能窄束X射線穿過物質(zhì)時的能量衰減與射線強度和厚度有關(guān)，其穿透過程如圖1所示。

圖1 X射線穿透過程

取物體的一個微元厚度dT，射線在穿透dT厚度時衰減量為dI，則有：

其中μ為X射線吸收系數(shù)，在單能窄束X射線中為常數(shù)，負號表示的是衰減。兩邊同時積分得[6]：

式（2）也即Lambert-Beer公式。

但是工業(yè)X射線是多能的寬束射線，其射線中有多種能量光子，這會造成X射線在穿透物質(zhì)過程中吸收系數(shù)μ會改變[13]，此時公式（2）中μ改成μ。而射線分選就是以煤和矸石的差異進行的[14]。

2 純礦物和復(fù)合礦物的試驗

2.1 試驗樣品和設(shè)備

本文從煤和矸石的本質(zhì)差異出發(fā)，選擇石墨粉、蒙脫石粉、高嶺土粉和石英粉模擬煤和矸石中的礦物組成，將其制成4×4×h（cm）的立方體塊，每個礦物的樣品厚度為7～21 mm，變化量為1 mm，然后將其兩兩組合，組合方式為上下疊放的方式，分別得到厚度為7 mm石墨+（8~14）mm石英/高嶺土/蒙脫石，7 mm石英+（8~14）mm石墨/高嶺土/蒙脫石，7 mm高嶺土+（8~14）mm石英/石墨/蒙脫石，7 mm蒙脫石+（8~14）mm石英/高嶺土/石墨的組合，每個組合7個厚度級。然后將每種組合放在TDS智能干選機中成像，其成像原理如圖2所示。

圖2 成像原理

2.2 純礦物結(jié)果

試驗中選擇的高嶺土、蒙脫石、石英和石墨為純礦物，其厚度為7～21 mm，將實驗樣品放入TDS智能干選機中成像得到高能和低能兩幅圖像，本試驗結(jié)果選取低能區(qū)成像圖片進行分析。樣品在成像后得到的圖片中包含兩種類型的信息：一是背景皮帶的灰度值；二是皮帶和礦物重疊部分的灰度信息。成像后圖片如圖3所示。

圖3 樣品成像圖片

將成像圖片經(jīng)過中值濾波降噪處理后，利用Imagej軟件分析提取礦物區(qū)域部分的灰度值，然后減去皮帶部分后，得到礦物灰度ΔG。其各純礦物的結(jié)果如圖4所示。

圖4 單一礦物的灰度值

圖4中石墨的灰度值明顯低于其他三種礦物，這說明石墨的X射線平均吸收系數(shù)低于其他三種礦物。而其他三種礦物在不同厚度區(qū)間表現(xiàn)出的μ值不同，在7～13 mm范圍內(nèi)其值的大小為高嶺土＞石英＞蒙脫石，14～20 mm范圍內(nèi)值大小為高嶺土＞蒙脫石＞石英，而到20 mm后，由趨勢可以看出μ值為蒙脫石＞高嶺土＞石英。

2.3 組合礦物結(jié)果

將組合礦物按照與單一礦物相同的處理方法，得到每種組合礦物的灰度值，如圖5。

圖5 組合礦物的灰度值

煤和矸石的本質(zhì)差異在于礦物組成，煤中的碳含量遠大于蒙脫石、高嶺土和石英中的含量，而矸石中石英的含量遠大于其他礦物，這就是煤和矸石的差異。圖5給出了這種礦物組合的灰度值，（a）圖是7 mm石墨與其他礦物的組合，同一X坐標(biāo)下表示的是7 mm石墨加上相同厚度的其他礦物，在圖中所表示出的灰度變化并不大，這說明石英、高嶺土和蒙脫石在混合了一定量的石墨后，其X射線平均吸收系數(shù)μ差距極小。而圖（b）中是7 mm石英與其他礦物的組合，這三種組合從圖中可以清楚地看到灰度值的變化，這說明石墨、高嶺土和蒙脫石在加上一定量的石英后X射線平均吸收系數(shù)變化很大。

對比圖（a）和（b）可以看出，石墨組合較其他礦物明顯高于石英加上其他礦物的灰度值，而灰度值越高，說明對X射線吸收得越少。結(jié)合煤和矸石的礦物組分差異，說明以碳為主的煤與以石英為主的矸石，它們的X射線吸收量差異很大，這也是X射線可以分選煤和矸石的主要原因。

而高嶺土和蒙脫石在煤中的占比較少，在矸石中的占比較多，而由（c）和（d）中可以看出，高嶺土+石墨和蒙脫石+石墨的灰度值明顯高于其他礦物組合，這也給煤和矸石的分選提供了可能性。

3 總結(jié)

本文通過對煤和矸石礦物組分的差異，利用四種純礦物物質(zhì)進行不同組合模擬煤和矸石，并進行X射線成像，通過分析其灰度值得到以下結(jié)論：

（1）單一礦物在不同厚度下會有不同的X射線平均吸收系數(shù)。

（2）一定量的石墨和其他三種礦物組合后，其使X射線平均吸收系數(shù)極為相近，基本無法進行識別，而高嶺土、蒙脫石和石英在與其他礦物混合后灰度值都會明顯變化。

（3）通過組合礦物的試驗，發(fā)現(xiàn)以碳為主的煤和以石英為主的矸石對X射線吸收差異很大，這也是X射線可以對煤和矸石分選的本質(zhì)原因。