[发明专利]一种基于太赫兹时域光谱的煤岩判别方法

说明书

本发明公开了一种基于太赫兹时域光谱的煤炭灰分判别方法。尤其适用于采煤机自主调高和智能化开采技术领域使用。制作纯煤样品和不同比例煤岩混合样品若干，采用太赫兹时域光谱仪采集参考信号和不同灰分煤的太赫兹时域光谱；利用快速傅里叶变换将煤太赫兹时域光谱转换成频域光谱；从太赫兹频域光谱中提取出煤的吸收光谱；利用PCA对吸收光谱数据进行降维，随后利用非线性拟合对处理后的煤光谱进行建模，确立煤炭种类、煤中灰分和其太赫兹吸收光谱的关系曲线，构建基于太赫兹光谱的煤炭灰分模型，从而实现基于太赫兹光谱技术的煤炭灰分判别。其步骤简单，识别效率高，识别准确，实现采煤机的截割状态的准确识别，自动控制采煤机滚筒调高。

技术领域

本发明涉及一种基于太赫兹时域光谱的煤炭灰分判别方法，尤其适用于采煤机自主调高和智能化开采技术领域使用。

背景技术

煤的灰分含量是煤工业分析中的一项重要指标，煤中灰分的含量直接影响了煤的发热量和煤质，也影响了商品煤的售价。传统的灰分分析方法为燃烧法即判别燃烧后煤中的残余部分，这是一种离线的检测方法，无法满足日常生产和当前的工业生产需求。此外，由于煤中的灰分也来自与矸石和岩层，因此准确的识别出煤中的灰分，也可以对煤岩界面识别和采煤机滚筒调高起到重要的指导意义。

为了解决上述问题，提出了一种基于太赫兹谱的煤炭灰分判别方法。由于太赫兹是一个比较特殊的频段，其太赫兹光子能级和许多电介质以及材料的振动能级相当，因此当太赫兹波照射煤岩后其光子能量会被吸收，其光强将会产生变化从而形成太赫兹光谱，通过研究太赫兹光谱将能获取检测物质的物理信息(如吸收光谱)，理论实验表明煤中灰分含量的变化会导致其太赫兹吸收谱产生变化，且灰分含量是导致其变化的主要因素，因此可以用太赫兹吸收光谱表征煤炭中的灰分含量。

相对于其它的光谱技术，太赫兹光谱可以直接得到电场的相位，而不需要利用Kramers-Kronig方程求解相位角，极大的减少了计算量和复杂度。因此该方法是一种较新颖的研究方法，且展现出了巨大的潜力。

然而与其它的标准物质不同，煤岩介质在太赫兹频段没有吸收峰，这也表明煤和岩的组成成分复杂且没有主导吸收的物质，直接使用太赫兹吸收光谱进行煤炭灰分研究得到的结果并不理想。此外，研究表明矿井中煤和岩的赋存条件、地质情况、成分变化等因素都会导致太赫兹光谱产生变化。

发明内容

针对上述技术问题，提供一种步骤简单，使用方便，效率高，判别效果好的基于太赫兹时域光谱的煤岩识别方法。

为实现上述技术目的，本发明的基于太赫兹时域光谱的煤炭灰分判别方法，其特征在于包括如下步骤：

a.挑选不同品种的煤，利用挑选出的煤加入纯岩样制作不同灰分煤样品，利用太赫兹时域光谱仪为对空气直接检测得到无样本时的信号作为参考信号，再利用太赫兹时域光谱仪采集所有煤样品的太赫兹时域光谱数据并分类存储起来，无样本时的信号为对空气直接检测得到的信号，所述的太赫兹时域光谱数据有200维，并将所有煤样品按照中国煤炭分类标准分成：无烟煤、烟煤、褐煤几类；

b.利用快速傅里叶变换将所有煤样品的太赫兹时域光谱转换为太赫兹频域光谱；从所有转换后的太赫兹频域光谱中提取吸收光谱，并对吸收光谱数据进行平滑和加窗预处理，选取数据噪声超过1THz以上的煤样品吸收光谱，将选取的煤样品吸收光谱中0.4-1.0THz频段光谱数据作为优选的吸收光谱；

c.将所有煤样品，包括不同灰分煤样品和纯煤样品的0.4-1.0THz频段吸收光谱进行标注分类从而生成不同灰分煤样品和纯煤样品的煤光谱数据库，利用主成分分析/PCA技术对煤光谱数据库中的所有数据进行降维和特征提取，使获得的太赫兹时域光谱数据从200维降到了20维；

d.利用非线性拟合法对所有降维后的0.4-1.0THz频段吸收光谱进行建模，根据所有煤样品的三类信息：煤炭种类、煤中灰分和其太赫兹吸收光谱确立三类信息的关系曲线，从而构建基于太赫兹光谱的煤炭灰分模型；