激光誘導擊穿光譜分析法在煤質分析中的應用研究

楊松淵

（霍州煤電集團李雅莊礦選煤廠，山西 霍州 031400）

1 工作原理分析

激光誘導擊穿光譜分析法（LIES）的工作原理：采用高能量激光光源在試樣表面形成高強度激光光斑，激發樣品發光，對發光進行光譜檢測可得到元素含量。采用激光誘導擊穿光譜分析法實現元素含量檢測的工作原理如圖1。

圖1 激光元素分析工作原理

2 試驗原料

檢測試樣取自霍州煤電集團李雅莊礦選煤廠，該試樣主要是由高灰分煤和精煤構成，按相應比例進行配置而成。采用人工和機械混合方法對煤樣進行混勻，并逐步破碎，直至達到規定的粒度。取6組試樣送檢，檢測主要元素含量，得到煤炭試樣元素成分，見表1 數據。

表1 煤炭試樣元素成分分析結果（%）

3 檢測方法分析

3.1 工作參數

試驗采用Niton Apollo 手持激光誘導擊穿光譜（LIBS）分析儀。該設備激光器能量范圍為 150～350 MJ，設備發射激光波長1064 nm，設備檢測范圍180～850 nm，設備工作頻率1～2 Hz，測量時間4～10 min。

3.2 檢測方法

從6 組試樣中，各取試樣6 g，制片為d=5 cm的圓形樣片，取4×4 點陣共16 個點進行檢測，共檢測60 次。排除干擾數據后，對后40 次光譜檢測數據計算各元素含量。

3.3 數據處理

在檢測試驗中，激光在激發煤炭樣品時，煤樣表面會被激光燒蝕有一定燒蝕坑，面積在1 mm2左右。由于每次燒蝕坑的面積不同，檢測結果會有一定的差別，因此數據會有一定的波動，數據重復性差，一般要對檢測數據進行有效的數據處理后才可得到較理想的檢測結果。在本次煤質元素成分檢測試驗中可知煤炭樣品中灰分主要成分是Si、Al、Fe、Ca 等元素，因此對元素成分的準確檢測決定著煤炭灰分等指標。

4 測量結果

當前激光誘導擊穿光譜分析法對測量數據算法主要采用偏最小二乘法（PLS）進行擬合，可得數據相關性R2。從偏最小二乘法擬合結果可知，該一次線性擬合結果無法有效地覆蓋全部采樣點，存在偏差較為嚴重，因此必須尋找更為合理的數據處理方式。

針對數據處理存在的不足，考慮采用一種“折線”方程擬合。從光譜中挑選相應的代表元素的多個譜線，利用多元線性回歸計算元素含量，建立多個自變量的擬合方程，選擇最優組合來預測，得到相關性R2的優化結果，如圖2～圖5。

圖2 樣品Ti 元素擬合結果圖

圖3 樣品Fe 元素擬合結果圖

圖4 樣品Ca 元素擬合結果圖

圖5 樣品Al 元素擬合結果圖

結果可知，對檢測數據采用多元線性回歸擬合處理得到的樣品元素含量與通過標準檢測所得到的樣品元素含量基本一致，處理結果可完全覆蓋采樣點。采用激光誘導擊穿光譜分析法及采用多元線性回歸擬合對數據進行處理，可準確地檢測到煤樣的不同元素含量，為煤質分析的準確性提供了保障。

5 結論

（1）激光誘導擊穿光譜分析法精度和準確性高，可以針對煤樣的不同元素進行針對性測試，測量K、Na、Ti 等微量元素準確性高。在進行檢測數據處理時，采用偏最小二乘法與多元擬合算法進行結合使用，可得較好的相關性和偏差。

（2）激光誘導擊穿光譜分析法應用于煤礦企業中煤質的分析，有效提高了煤質分析的準確性和 時效性，并提高了煤質分析的自動化程度。

（3）李雅莊礦選煤廠煤質科采用激光誘導擊穿光譜分析法進行煤質在線分析后，有效解決了因無法實時檢測煤質而導致的生產過程的不穩定性問題。該檢測方式的應用，自動化程度高，減少了人工崗位，提高了檢測精度，有效降低檢測誤差。