BPMA針對煤炭樣品的分析模式設(shè)計(jì)開發(fā)

王 清，賈木欣，溫利剛，應(yīng) 平

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102600； 2.礦冶過程自動控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600；3.礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600)

1 背景概述

我國是煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)大國，煤炭儲量居世界第一，煤炭開采洗選業(yè)在我國非金屬礦業(yè)中占有相當(dāng)?shù)谋戎豙1，2]。綜合對比相關(guān)企業(yè)的從業(yè)人數(shù)、工業(yè)產(chǎn)值以及流動資產(chǎn)周轉(zhuǎn)次數(shù)等指標(biāo)，反應(yīng)了煤炭相關(guān)企業(yè)市場競爭非常激烈。為應(yīng)對市場競爭，相關(guān)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)發(fā)展趨勢為：1.根據(jù)資源的稟賦特征加工；2.純度細(xì)度等指標(biāo)增高；3.專業(yè)設(shè)備及檢測手段提高。深入研究煤中顯微組分及其所含礦物的有效解離方法和技術(shù)對煤炭分級分質(zhì)利用[3]是上述發(fā)展趨勢的必由之路。

BPMA是我國首款自主研發(fā)的工藝礦物學(xué)自動測試系統(tǒng)，能夠自動控制掃描電子顯微鏡和能譜采集礦石顆粒樣本的背散射電子圖和激發(fā)的能譜譜線數(shù)據(jù)，并根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算礦物樣品中礦物組成及含量、礦物嵌布粒度、目標(biāo)礦物解離度、礦物連生及程度、元素賦存狀態(tài)等多種工藝礦物學(xué)參數(shù)[4，5]，是獲取礦物解離度、粒度分布等礦物工藝特征的前沿技術(shù)和有效手段。本文闡述了BPMA結(jié)合煤炭樣品的特點(diǎn)，開發(fā)針對媒體樣品的工藝礦物學(xué)自動測試系統(tǒng)的相關(guān)算法的主要思想及實(shí)現(xiàn)效果。

2 BPMA的自動測量原理及煤炭樣品的特點(diǎn)

2.1 BPMA的自動測量原理

BPMA(BGRIMM Process Mineralogy Analyzing System)全稱工藝礦物學(xué)參數(shù)自動測試系統(tǒng)，是北京礦冶科技集團(tuán)有限公司(原北京礦冶研究總院)礦冶過程自動控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合多年選礦、冶金和工藝礦物學(xué)研究成果自主研發(fā)。BPMA系統(tǒng)由一臺掃描電子顯微鏡(SEM)、一臺能譜儀(EDS)及一套工藝礦物學(xué)自動測試軟件(BPMA)構(gòu)成。BPMA軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它控制掃描電子顯微鏡，獲得指定位置的背散射圖。經(jīng)過圖像處理模塊計(jì)算后，確定掃描電子顯微鏡打點(diǎn)位置，反饋給電鏡控制模塊和能譜控制模塊。然后分別通過電鏡和能譜的API函數(shù)在指定位置打點(diǎn)并獲得譜線數(shù)據(jù)。礦物識別模塊計(jì)算后，再反饋給圖像處理模塊調(diào)整打點(diǎn)規(guī)則。最終工藝礦物學(xué)參數(shù)計(jì)算模塊通過測量到的信息整合分析，計(jì)算出礦物樣品的礦物組成、含量、粒度、解離度、礦物連生程度、元素賦存狀態(tài)等參數(shù)數(shù)值。圖1是BPMA的工作原理結(jié)構(gòu)圖。

圖1 BPMA軟件原理Fig.1 Principle of BPMA

2.2 BPMA功能

基于上述原理，BPMA軟件的界面如圖2所示，其實(shí)現(xiàn)的功能有：

(1)自動完成樣品中礦物數(shù)據(jù)的采集；

(2)進(jìn)行樣品中礦物種類代表的礦物譜線收集；

(3)對測量結(jié)果中譜線進(jìn)行自動匹配；

(4)完善礦物相及礦物顆粒信息；

(5)工藝礦物學(xué)參數(shù)計(jì)算完成測量樣品的工藝礦物學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)，以及工藝礦物學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)顯示和輸出；

(6)庫編輯用于礦物庫中礦物數(shù)據(jù)的查詢、添加、編輯、刪除、更改；

(7)輔助功能收集輔助BPMA運(yùn)行的一些功能，其中的單點(diǎn)匹配功能可以在礦物能譜分析過程中，通過和BPMA自帶標(biāo)準(zhǔn)礦物庫的數(shù)據(jù)比對，實(shí)時(shí)完成定名。由于BPMA自帶標(biāo)準(zhǔn)礦物庫數(shù)據(jù)豐富，可以很好的協(xié)助完成礦物的定名工作。

圖2 BPMA軟件界面Fig.2 Interface of BPMA

2.3 煤炭樣品的特點(diǎn)

由于BPMA是利用掃描電子顯微鏡在高真空狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)測量，需要樣品表面導(dǎo)電，對于非金屬樣品(含煤炭)，必須先對樣品的表面進(jìn)行噴碳鍍膜處理，而噴碳鍍膜處理無疑對主要成分為碳的樣品帶來了干擾。

針對上述情況，BPMA經(jīng)過反復(fù)的測試試驗(yàn)，最終確定了下述針對煤炭樣品的測量算法，保證了計(jì)算精度的同時(shí)，提高了計(jì)算效率，使BPMA的適用范圍得到有效擴(kuò)充。

3 針對煤炭樣品的分析模式

3.1 煤炭樣品中煤炭相與其他礦物相的能譜譜線分析

進(jìn)行本算法設(shè)計(jì)之前，先使用原有BPMA軟件，對典型的原煤樣品進(jìn)行了測量，并分析其中煤炭相與其他礦物相的能譜譜線，圖3為BPMA測量的原始煤炭相(上)和其他礦物相(下)的譜線。

圖3 BPMA測量的原始能譜譜線Fig.3 The spectrum in BPMA measurement result

其中圖3(下)在BPMA的自動分析結(jié)果如圖4所示，為石英。由于噴碳鍍膜的操作以及大量的煤炭相，會導(dǎo)致一些其他礦物相(實(shí)際不含C)的譜線混入C，尤其是那些面積較小且包裹于煤炭相內(nèi)的其他礦物相。對比圖3(下)的原始測量譜線和圖4的分析結(jié)果，可以看出，原始譜線中混入了少量的C峰(C峰峰位在圖3 X軸=27的位置，如圖5所示)。

圖4 BPMA對非煤炭礦物相的自動匹配結(jié)果Fig.4 The automatic match result of non-C mineralogy with BPMA

BPMA針對煤炭樣品的分析模式的總體思路是：由于樣品中存在大量的煤炭，在進(jìn)行礦物相的能譜匹配的時(shí)候，先判斷該相是否為C，如果不是煤炭相，再進(jìn)行常規(guī)的分析計(jì)算。

通過大量數(shù)據(jù)總結(jié)和驗(yàn)證，最終確定了閾值Kc，作為評判該礦物相是否為煤炭相的標(biāo)準(zhǔn)：

圖5 C元素能譜譜線Fig.5 The spectrum of element C

其中，ec為能譜譜線中C峰計(jì)數(shù)；etotal為整個(gè)譜線的總計(jì)數(shù)。

如果某礦物相譜線kc>Kc，則該相為煤炭相，否則為其他礦物相。

3.2 BPMA算法實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上述思路，BPMA針對煤炭樣品，采取了單獨(dú)的分析判斷，流程圖如圖6所示。而當(dāng)判定為其他礦物相時(shí)，“常規(guī)譜線匹配”中，會針對煤炭樣品中其他礦物相的能譜也混入C元素進(jìn)行相應(yīng)的判斷及自適應(yīng)。

圖6 BPMA針對煤炭樣品的能譜匹配流程圖Fig.6 The spectrum flow chart in BPMA for coal sample

4 運(yùn)行效果

前已述及，BPMA針對煤炭樣品的特點(diǎn)，調(diào)整了礦物相分析的邏輯?，F(xiàn)采用某原煤樣品(編號：原煤 201的BPMA測量文件進(jìn)行匹配計(jì)算，該測量文件為全顆粒測量，收集背散射電子圖共計(jì)64幀，收集能譜共計(jì)44989條。有表1原煤 201樣品匹配效率可見，開啟針對煤炭樣品的相關(guān)算法，匹配效率較不開啟有明顯提升，速度提高了13%。另外，由非煤炭樣品(編號：原礦513-200x)的BPMA測量文件進(jìn)行匹配，由表1數(shù)據(jù)可見，添加了針對煤炭樣品的相關(guān)算法后，對其他非煤炭樣品的匹配計(jì)算基本沒有影響。

表1 算法運(yùn)行效率對比Tab.1 Comparison of algorithm operation efficiency

上述64幀的測量文件為測試算法而測量，而一般BPMA正常工作時(shí)，一個(gè)樣品一般測量8K多幀，匹配效率提高13%明顯提升了BPMA的整體運(yùn)行效率。

5 結(jié)語

本文闡述了BPMA設(shè)計(jì)開發(fā)的針對煤炭樣品的匹配模式。通過試驗(yàn)對比，在保證匹配精度的前提下，增加了針對煤炭樣品的匹配模式后，BPMA在進(jìn)行煤炭樣品的匹配時(shí)，運(yùn)行效率得到明顯提升；在進(jìn)行非煤炭樣品的匹配時(shí)，運(yùn)行效率沒有明顯變化。從而使BPMA的適用反應(yīng)及運(yùn)行效率都得到了進(jìn)一步的提升。BPMA為作為首款我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝礦物學(xué)自動測試系統(tǒng)，未來還將在圖像和礦物譜線的自動分析方面進(jìn)行深入研究，并將計(jì)算出的工藝礦物學(xué)參數(shù)與選礦流程結(jié)合，進(jìn)一步進(jìn)行工藝流程的智能分析診斷。