融合近红外光谱的煤岩界面分布感知研究

摘要

近红外波段反射光谱能够基于煤岩本质物质属性不同所引起的反射光谱特征差异进行煤岩区分,识别精度高,实时性好,但尚未用于煤岩界面位置分布识别。针对采煤机记忆截割在后续截割循环中对煤岩界面自主判定的实际需求,研究了基于近红外反射光谱技术的煤岩界面分布感知技术。采用气煤、炭质泥页岩切割块样搭建了煤壁煤岩界面台架,设计了光纤准直镜-卤钨聚光光源一体式光谱探头并安装于采煤机机身,在采煤机0,3,7 m/s 3种行走速度和光谱探头3,4,5,6°/s 4种扫描角速度下,测定了煤岩界面附近煤岩的近红外波段(1 000~2 500 nm)后向反射光谱曲线。对于光谱探头在煤壁上每条扫描轨迹中采集的所有反射光谱,在2 150~2 250 nm差异性特征波段,基于余弦距离模糊C均值聚类(CFCM)进行煤岩反射光谱无监督识别,根据每条扫描轨迹上各位置探测结果,基于高度差权重法和扫描轨迹方程确定煤岩界面点理论探测位置。研究结果表明:在采煤机和光谱探头每种运动状态下,光纤准直镜-卤钨聚光光源一体式光谱探头所采集气煤、炭质泥页岩近红外波段后向反射光谱均具有1 400,1 900,2 200 nm附近明显的差异性吸收谷谱带,随着探测入射角增大,煤岩反射光谱曲线均呈下降趋势;同种采煤机行走速度下,随着光谱探头扫描角速度增大,以及同种光谱探头扫描角速度下,随着采煤机行走速度增大,煤岩反射光谱曲线整体均趋于平缓;基于CFCM、高度差权重法、煤壁扫描轨迹方程可实现采煤机和光谱探头运动状态下煤岩界面点的快速精确探测,其中光谱探头3,4,5°/s 3种扫描角速度下煤岩界面点探测结果的均方根误差不超过1.5 cm,为近红外反射光谱技术应用于煤岩界面分布的精确高效感知提供了参考。