基于XRD與XRF分析礦物質(zhì)對浮選尾煤圖像灰度特征影響

邱鴻鑫，陳浙銳，陳頌，王光輝

（中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

浮選作為礦物選別[1]的主要方法，隨著智能化的普及，機(jī)器視覺技術(shù)的興起，將機(jī)器視覺技術(shù)引入到浮選生產(chǎn)在線監(jiān)控中具有重要指導(dǎo)意義。

Hargrave等[2]通過浮選泡沫的圖像分析，進(jìn)行灰分預(yù)測；Bartolacci等[3]通過分析泡沫的紋理特征，來實(shí)現(xiàn)對灰分的預(yù)測；劉文禮等[4]通過提取灰度相關(guān)矩陣，使用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對煤泥泡沫特征提取識別；路邁西等[5-7]通過提取領(lǐng)域泡沫的特征，進(jìn)行建模預(yù)測灰分；周開軍等[8]通過改進(jìn)FCM分割浮選泡沫圖像，來定量的檢測泡沫形狀與尺寸；張慶利[9]通過ARM圖像處理方法實(shí)現(xiàn)對煤炭灰分的在線預(yù)測；牟學(xué)民等[10-11]提取了浮選泡沫的速度特征，建立了速度與精煤灰分預(yù)測模型；Moolman等[12-13]提取泡沫的顏色，分析了泡沫在不同品位的情況下的紋理特征，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測回收率。

本文針對礦物質(zhì)是對尾煤圖像灰度特征影響的主要原因，采用實(shí)驗(yàn)室配煤，控制變量進(jìn)行試驗(yàn)，得到礦物質(zhì)對灰度的影響規(guī)律，為以后建立尾煤灰分軟測量模型提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了使尾煤灰分一致，減少單一煤樣試驗(yàn)誤差，選用太原選煤廠和趙莊選煤廠的煤樣，通過浮沉試驗(yàn)得到密度為-1.4 g/cm3和+1.8 g/cm3的兩個(gè)密度級的樣品，作為基礎(chǔ)煤樣，由表1可知，兩個(gè)礦區(qū)的煤樣灰分接近，礦物質(zhì)含量大致相同，對試驗(yàn)影響可以忽略不計(jì)。

1.1 煤樣XRD分析

表1 尾煤灰分/%Table 1 Tailing coal ash

圖1 太原煤樣分析Fig. 1 Analysis of Taiyuan coal samples

使用X射線衍射儀分別對兩個(gè)煤樣進(jìn)行分析，由圖1可知，太原-1.4 g/cm3煤樣的灰分比較低，含有的礦物質(zhì)中最多的是高嶺石；而太原+1.8 g/cm3的煤樣，高嶺石與石英含量較多，并伴有少量斜綠泥石與磷云母。由圖2可知，趙莊-1.4 g/cm3的煤樣，非晶物質(zhì)的成分較多，含有的礦物質(zhì)中最多的是高嶺石，而趙莊+1.8 g/cm3的煤樣，礦物質(zhì)中高嶺石和石英占主要成分。

圖2 趙莊煤樣分析Fig. 2 Analysis of Zhaozhuang coal samples

1.2 煤樣XRF分析

通過XRF分析，煤樣化學(xué)成分分析見表2。

表2 元素分析Table 2 Chemical composition analysis of coal samples

S 0.794 0.188 0.734 0.390 Fe2O3 0.833 3.251 0.515 2.056 CaO 1.020 1.930 0.599 3.340 Al2O3 2.290 19.830 2.930 25.070 SiO2 3.500 49.200 2.850 43.910 P - 0.024 0.022 0.022 Mn - 0.023 - 0.018 Cr - 0.020 - -Sr - 0.019 0.012 0.020 Zr - 0.015 - 0.016

由表2可知，相較于+1.8g/cm3的煤樣，-1.4 g/cm3的煤樣含有的礦物質(zhì)元素更低，且由于地區(qū)的差異，不同煤中元素的種類與元素的含量也不一樣。

通過K值法對太原和趙莊的密度為+1.8 g/cm3的煤樣進(jìn)行定量分析，結(jié)果見表3，表4。

表3 太原(+1.8 g/cm3)煤樣定量分析結(jié)果/%Table 3 Quantitative analysis of Taiyuan (+1.8 g/cm3) coal samples

表4 趙莊(+1.8 g/cm3)煤樣定量分析3Table 4 Quantitative analysis of Zhaozhuang(+1.8 g/cm) coal samples

由表2可知，不同的地區(qū)的煤樣中所含有的礦物質(zhì)組成有著顯著差異，煤炭中含有的礦物質(zhì)具體可以分為四大類：硅酸鹽礦物、硫化物礦物、、氧化物礦物、碳酸鹽礦物。為了全面研究不同無機(jī)礦物質(zhì)對尾煤灰度特征影響，依據(jù)以下原則選取無機(jī)礦物質(zhì)：

（a）無機(jī)礦物質(zhì)本身特性具有差異

（b）礦物質(zhì)是煤中的常見礦物

（c）從以上四類礦物中各選擇一種

本試驗(yàn)最終確定以高嶺石、黃鐵礦、石英、白云石為試驗(yàn)用礦物質(zhì)。

2 不同礦物質(zhì)組成對浮選尾煤圖像灰度的影響研究

2.1 試驗(yàn)平臺搭建

視覺系統(tǒng)通過工業(yè)CCD相機(jī)對每組試驗(yàn)樣品采集30張圖像傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過圖像平滑、降噪，對圖像灰度等信息進(jìn)行提取，計(jì)算灰度值，研究礦物質(zhì)對圖像灰度均值影響。工作流程、試驗(yàn)平臺見圖3。

圖3 試驗(yàn)工作流程Fig. 3 test workflow

2.2 試驗(yàn)分析

選擇任意兩種礦物質(zhì)相互組合，并且按照不同比例與精煤混合配置出煤樣，分別是高嶺石與石英、白云石與黃鐵礦、白云石與石英、石英與黃鐵礦。通過試驗(yàn)測定了在濃度、煤樣所含礦物質(zhì)種類、灰分一致的條件下尾煤圖像灰度均值，試驗(yàn)結(jié)果見表5 ～ 8。

表5 高嶺石加石英試驗(yàn)Table 5 Test of the coal samples made by minerals(quartz&kaolinite)

表6 白云石加黃鐵礦試驗(yàn)Table 6 Test of the coal samples made by minerals(dolomite&pyrite) and coal of -1.4 g/cm3

表7 白云石加石英試驗(yàn)Table 7 Test of the coal samples made by minerals(dolomite&quartz) and coal of -1.4 g/cm3

表8 黃鐵礦加石英試驗(yàn)Table 8 Test of the coal samples made by minerals(pyrite&quartz) and coal of -1.4 g/cm3

由表5 ～ 8可知，當(dāng)尾煤灰分一定，使用黃鐵礦與石英配置煤樣時(shí)，圖像的平均灰度值變化較小，但是配置的煤樣是白云石與石英、以及白云石與黃鐵礦時(shí)，圖像的平均灰度值受到的影響相對更大。這是因?yàn)辄S鐵礦與石英的表觀特性差異不大，而白云石、石英和黃鐵礦的表觀特性差異最明顯，導(dǎo)致采集到的尾煤圖像灰度均值波動較大。

3 結(jié) 論

（1）通過XRD與XRF對太原與趙莊選煤廠的煤樣進(jìn)行元素與定量分析，配置出的試驗(yàn)煤樣進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)煤樣的灰分相同時(shí)，其灰度特征會隨產(chǎn)地不同有一定差異。

（2）用不同的礦物質(zhì)與精煤配置不同灰分的尾煤，通過拍攝到的圖像，分析提取灰度平均值，發(fā)現(xiàn)使用石英配置煤樣時(shí)，隨著白云石的含量增加，對尾煤圖像灰度均值的影響最大，當(dāng)都為白云石時(shí)，黃鐵礦相較于石英對灰度均值的影響較小。

（3）浮選尾煤的灰度變化受礦物質(zhì)的表觀特性的差異影響較大，為后續(xù)通過機(jī)器視覺技術(shù)對浮選尾煤進(jìn)行灰分實(shí)時(shí)預(yù)測提供了技術(shù)參考。