辽宁省鞍山— 本溪地区是我国最主要的鞍山式铁矿床富集区, 该地区铁矿储量约占全国铁矿资源总储量的20%, 居全国首位, 且易于开采, 具有极大的工业价值。 因此, 以辽宁省鞍钢集团下属的矿山为试验区, 采集典型的块状赤铁矿、 磁铁矿实验样品若干。 然后进行破碎、 研磨加工处理, 以备后续实验需要。

矿山实际生产过程中, 需要将块状矿石破碎成粒径为0~10 mm不等的颗粒, 然后进行球磨处理, 得到粒径约为0.03 mm的矿粉, 再将矿粉经过重磁浮选与过滤处理, 最终得到具有工业使用价值的精矿粉。 在上述生产过程中, 铁矿石粒径主要分布在0.03~10 mm范围。 由于矿石粒径位于5~10 mm范围时, 会出现明显的阴影现象, 严重影响光谱测试的结果。 因此, 本研究设计了< 0.03, 0.03~0.05, 0.05~0.07, 0.07~0.11, 0.11~0.15, 0.15~0.23, 0.23~0.3, 0.3~0.6, 0.6~1, 1~2, 2~3和3~4 mm, 12个颗粒度等级的实验样品, 如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 试样颗粒度设计表 Table 1 The particle size of samples 颗粒度等级 粒径范围/mm 颗粒度等级 粒径范围/mm 颗粒度1 < 0.03 颗粒度7 0.23~0.3 颗粒度2 0.03~0.05 颗粒度8 0.3~0.6 颗粒度3 0.05~0.07 颗粒度9 0.6~1 颗粒度4 0.07~0.11 颗粒度10 1~2 颗粒度5 0.11~0.15 颗粒度11 2~3 颗粒度6 0.15~0.23 颗粒度12 3~4

表1 试样颗粒度设计表 Table 1 The particle size of samples

鞍山式铁矿的矿石类型主要为赤铁矿和磁铁矿, 其中赤铁矿为贫铁矿, 铁品位多位于20%~35%之间, 而磁铁矿铁品位较高, 铁品位多位于30%~60%之间。 因此, 本研究以实际赋存品位为依据, 选取品位为30%的赤铁矿和品位为50%的磁铁矿, 按照上述设计进行不同颗粒度实验样品的制备。 将破碎好的铁矿石放置在筛网上, 在微振动条件下, 由粗粒到细粒逐级筛选, 得到12个颗粒度等级的实验样品, 将制备的实验样品放进圆形的黑色样品盒中保存, 如图1所示。 图中上面一行为赤铁矿试样, 下面一行为磁铁矿试样, 由左至右, 试样粒径由3~4 mm逐渐减小至< 0.03 mm。 由图可知, 随试样粒径的减小, 赤铁矿颜色逐渐由黑色变为樱红色, 而磁铁矿颜色逐渐由黑色变为灰黑色。 产生此现象的原因, 主要是在较大的颗粒形态下, 试样颜色受假色和他色影响严重, 而其自身的颜色被抑制, 因此较大粒径的赤铁矿和磁铁矿呈现的均是假色(黑色); 而当试样粒径较小时, 假色现象便会消除, 他色作用也会减弱, 此时便呈现出试样的自色, 赤铁矿的自色为樱红色, 而磁铁矿的自色为灰黑色。

图1

Fig.1

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	图1 不同颗粒度的实验样品Fig.1 Samples of different particle sizes

采用SVC HR-1024便携式地物光谱仪对制备好的实验样品进行反射光谱测试, 光谱仪波长范围350~2 500 nm, 通道数1 024, 光谱分辨率≤ 8.5 nm, 光谱精度优于± 0.5 nm, 最小积分时间为1 s。 为减弱外界环境的影响, 本实验选择在室内条件下, 以卤素灯作为唯一光源进行光谱测试。 测试前以标准白板为背景进行定标, 测试过程中, 每10 min进行一次白板定标。 为减弱样品表面形态的影响, 每个试样测三次光谱曲线, 以样品光谱曲线的均值作为试样的反射率, 通过上述步骤可减弱其他因素的干扰, 获取可靠的光谱曲线。

由于赤铁矿和磁铁矿的反射光谱具有显著的差异, 而且颗粒度对两种铁矿石反射光谱的影响规律也不尽一致, 因此对两种铁矿石试样的反射光谱分开进行分析。 首先对赤铁矿试样反射光谱进行分析, 图2为不同颗粒度赤铁矿试样的反射光谱曲线, 由图可知, 实验样品反射光谱曲线随颗粒度不同呈规律性变化, 具体如下所述。

图2

Fig.2

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	图2 不同颗粒度赤铁矿试样反射光谱曲线Fig.2 The reflectance spectra of hematite with different particle sizes

2.1.1 总体影响分析

(1)如图2所示, 赤铁矿试样的反射光谱曲线受颗粒度影响显著, 随试样颗粒度增加, 其光谱反射率不断降低, 二者呈负相关关系。

(2)如图2中实线所示, 试样颗粒度由0.03 mm增加至1 mm, 其光谱反射率显著降低; 如图2中虚线所示, 试样颗粒度由1 mm增加至4 mm, 其光谱反射率降低速度明显减缓, 反射光谱受颗粒度影响较弱, 尤以350~1 250 nm波段最为显著, 其光谱曲线多重叠。 由此可知颗粒度以1 mm为阈值, 试样颗粒度小于1 mm时, 反射光谱受颗粒度影响显著, 试样颗粒度大于1 mm时, 反射光谱受颗粒度影响微弱。

(3)试样光谱反射率随颗粒度增加呈现逐渐降低的趋势, 但是在不同的波段处, 反射光谱受颗粒度的影响规律及影响程度存在显著差异, 整体表现为, 波长越长, 反射光谱受颗粒度影响越显著, 具体如下。

在350~550 nm波段, 反射光谱曲线多平行分布, 且变化幅度较小, 该波段反射光谱受颗粒度影响较微弱。 在550~950 nm波段, 当颗粒度较小时, 750 nm波峰特征与850 nm波谷特征非常显著, 随颗粒度增加, 750 nm波峰特征与850 nm波谷特征越来越微弱, 当颗粒度大于1 mm之后, 铁离子光谱特征受到抑制, 光谱曲线近乎平直。 在950~1 250 nm波段, 颗粒度的变化对反射光谱上升的斜率有显著影响, 随颗粒度增加, 该波段光谱的斜率逐渐降低, 二者呈现负相关关系。 在1 250~2 500 nm波段, 颗粒度对光谱反射率的高低影响显著, 随颗粒度的增加, 光谱反射率依次降低, 且其变化幅值较大, 该波段反射光谱受颗粒度影响非常显著。

2.1.2 定量影响分析

(1)相关性分析

由上可知, 赤铁矿颗粒度的变化对试样反射光谱影响显著, 为深入了解颗粒度对赤铁矿反射光谱的影响, 本文对颗粒度与反射光谱进行相关性分析, 确定出反射光谱对颗粒度的敏感波段和非敏感波段, 后者亦称稳定波段。 由于粒径大于1 mm时, 试样反射光谱受颗粒度影响很微弱, 因此本文仅对0.03~1 mm的颗粒度与赤铁矿反射光谱之间的关系进行分析。

由文献[8, 9, 10]可知, 颗粒度与反射光谱之间呈现非线性相关关系。 Charles Spearman提出的Spearman秩相关系数(ρ ), 是一种与分布无关的无参数检验, 可很好的刻画二个变量之间的非线性相关关系^[12]。 因此, 应用Spearman秩相关系数(ρ )对试样光谱反射率与颗粒度进行相关性分析, 结果如图3所示。 由图3可知, 在350~950 nm波段, 二者相关系数位于-0.67~-0.73之间, 光谱反射率与颗粒度相关性中等; 在950~1 150 nm波段, 光谱反射率与颗粒度的相关性逐渐增强, 相关系数由-0.67增加至-0.99; 在1 150~2 500 nm波段, 光谱反射率与颗粒度相关性非常显著, 相关系数为-0.99。

图3

Fig.3

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	图3 赤铁矿光谱反射率与颗粒度的相关性分析图Fig.3 The correlation analysis of reflectivity and the particle size of hematite

然后对相关性非常显著的1 150~2 500 nm波段的反射率与颗粒度之间的关系进行进一步研究。 由于不同颗粒度试样1 150~2 500 nm波段反射光谱曲线多平行分布, 因此对1 150~2 500 nm波段的反射率取均值, 然后确定反射率均值与颗粒度的回归函数关系, 结果如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 颗粒度与赤铁矿1 150~2 500 nm反射率均值拟合结果Fig.4 The fitting result of particle size and mean reflectivity in 1 150~2 500 nm of hematite

由图4可知, 颗粒度与1 150~2 500 nm波段反射率均值呈现较显著的幂函数分布关系, 其R²为0.93, 此结果与文献[8, 9, 10]相一致。 但是, 本文发现, 将颗粒度0.3 mm作为分界点, 对颗粒度进行分段分析, 能更清晰反映试样反射率受颗粒度的影响规律。 对0.03~0.3 mm颗粒度与反射率的关系进行分析, 结果如图5所示, 由图可知, 试样颗粒度与反射率符合显著的线性负相关关系, 相关系数为-0.98, R²为0.95。

图5

Fig.5

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	图5 0.03~0.3 mm颗粒度与赤铁矿1 150~2 500 nm波段 反射率均值拟合结果Fig.5 The fitting result of 0.03~0.3 mm particle size and mean reflectivity in 1 150~2 500 nm of hematite

对0.3~1 mm颗粒度与试样反射率关系进行分析, 结果如图6所示, 由图可知, 试样颗粒度与反射率亦符合较显著的线性负相关关系, 二者相关系数为-0.98, R²为0.96。 但是, 对比图5和图6, 可发现, 颗粒度大于0.3 mm后, 反射率随颗粒度增加而下降的速度明显减缓。

图6

Fig.6

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	图6 0.3~1 mm颗粒度与赤铁矿1 150~2 500 nm波段 反射率均值拟合结果Fig.6 The fitting result of 0.3~1 mm particle size and mean reflectivity in 1 150~2 500 nm of hematite

(2)影响程度分析

Spearman秩相关系数反映了颗粒度与光谱反射率之间的相关性, 但无法反映二者之间的影响程度。 为此, 应用反射率变化幅度(简称“ 反射率变幅” )指标分析各个波长的光谱反射率受颗粒度的影响程度。 图7为赤铁矿颗粒度由0.03 mm增加到1 mm, 试样反射光谱在不同波长处的反射率变幅统计分析结果。 由图7可知, 在350~550 nm波段, 反射率变幅最小, 约5%; 在550~950 nm波段, 反射率变幅于5%~10%之间波动; 在950~1 250 nm波段, 反射率变幅急剧增加, 由10%左右增加到了25%; 在1 250~2 500 nm波段, 反射率变幅维持在30%左右, 该波段反射变化幅值较大, 表明该波段反射光谱受颗粒度影响非常显著。 由此可知, 试样反射率变幅随波长的增加整体呈现逐渐增加的趋势, 且该曲线与图2中的不同颗粒度光谱曲线具有高度相似性。

图7

Fig.7

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	图7 不同颗粒度赤铁矿350~2 500 nm波段反射率变幅Fig.7 The reflectivity variation of hematite with different particle size in 350~2 500 nm

对上述两个指标进行综合分析, 最终确定颗粒度对赤铁矿反射光谱影响的敏感波段与稳定波段, 结果如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 试样光谱敏感性统计结果 Table 2 The statistical results of spectral sensibility with particle size 波段/nm 相关系数 反射率变幅/% 敏感性 350~550 -0.67~-0.73 5 稳定 550~950 -0.67~-0.73 5~10 较稳定 950~1 250 -0.67~-0.99 10~25 较敏感 1 250~2 500 ≈ -1 ≈ 30 敏感

表2 试样光谱敏感性统计结果 Table 2 The statistical results of spectral sensibility with particle size

由表2可知, 在350~550 nm波段, 二者相关系数位于-0.67~-0.73之间, 反射率变幅为5%, 反射光谱受颗粒度影响最小, 因此确定该波段为赤铁矿反射光谱对颗粒度的稳定波段; 在550~950 nm波段, 二者相关系数位于-0.67~-0.73之间, 反射率变幅位于5%~10%之间, 反射光谱受颗粒度影响较微弱; 在950~1 250 nm波段, 二者相关系数位于-0.67~-0.99之间, 反射率变幅位于10%~25%之间, 反射光谱受颗粒度影响较显著; 在1 250~2 500 nm波段, 二者相关系数近似为-1, 反射率变幅约为30%, 反射光谱受颗粒度影响非常显著, 因此确定该波段为赤铁矿反射光谱对颗粒度的敏感波段。

综上所述, 当赤铁矿颗粒度大于1 mm时, 赤铁矿试样的反射光谱受颗粒度影响较微弱, 对赤铁矿的成分进行定量反演时, 可忽略颗粒度对赤铁矿反射光谱的影响; 当赤铁矿颗粒度小于1 mm时, 350~550 nm波段, 为赤铁矿反射光谱对颗粒度的稳定波段, 该波段反射光谱受颗粒度影响非常微弱, 而其他波段受颗粒度影响则相对较大, 在基于光谱特征进行矿石品位反演时需考虑颗粒度的影响。

图8为不同颗粒度磁铁矿试样的反射光谱曲线, 从图看出, 磁铁矿试样反射率全波段均较低, 分布在15%~18%之间, 而且光谱曲线较平直, 无明显光谱特征。 颗粒度对磁铁矿实验样品反射光谱曲线的影响规律具体如下所述。

图8

Fig.8

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	图8 不同颗粒度磁铁矿的反射光谱曲线Fig.8 The reflectance spectra of magnetite with different particle size

2.2.1 总体影响分析

(1)不同颗粒度磁铁矿的反射光谱多平行分布, 表明颗粒度不会影响反射光谱的形态, 仅会影响反射光谱的高低。

(2)不同颗粒度磁铁矿的反射光谱几乎重叠, 试样反射率变幅较小, 均不足3%, 表明反射光谱受颗粒度影响较微弱。

2.2.2 定量影响分析

(1)相关性分析

为进一步了解颗粒度对磁铁矿反射光谱的影响, 采用“ Spearman秩相关系数” 分析颗粒度与磁铁矿反射光谱的相关性, 结果如图9所示。 由图9可知, 磁铁矿光谱反射率与颗粒度的相关系数非常小, 而且在350~2 500 nm波段, 二者相关系数无明显变化, 约为0.1, 表明颗粒度与磁铁矿反射光谱无较明显的相关关系。

图9

Fig.9

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	图9 磁铁矿光谱反射率与颗粒度的相关性分析图Fig.9 The correlation analysis of reflectivity and the particle size of magnetite

(2)影响程度分析

由于颗粒度不会影响磁铁矿反射光谱形态, 仅会影响反射光谱高低。 因此, 对磁铁矿350~2 500 nm波段反射率取均值, 确定反射率均值与颗粒度关系, 即可确定颗粒度对磁铁矿反射光谱影响程度, 结果如图10所示。 由图可知, 在颗粒度0.03~4 mm范围, 磁铁矿反射率位于15%~18%, 反射率变化幅度较小, 不超过3%, 表明颗粒度对磁铁矿反射光谱影响非常微弱。

图10

Fig.10

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	图10 不同颗粒度磁铁矿的光谱反射率均值Fig.10 The mean reflectivity of magnetite with different particle size

综上所述, 颗粒度对磁铁矿反射光谱影响非常微弱, 对磁铁矿的成分含量进行定量反演时, 可不考虑颗粒度对磁铁矿反射光谱的影响。

颗粒度的大小直接决定光子的散射与吸收强度, 根据比尔定律, 颗粒度越小, 颗粒内部光学路径越短, 光子被吸收的强度越小; 颗粒度越大, 颗粒内部光学路径越长, 光子被吸收的强度越大, 表面反射率相应降低^{[13, 14]}。 但是, 反射率不会随颗粒度增加而持续降低。 当颗粒度增加到一定程度, 会达到一个极限状态, 产生吸收饱和效应, 此时反射光谱仅由初次表面反射决定, 光谱反射率将不会发生变化。 因此, 赤铁矿颗粒度由0.03 mm增加到1 mm, 试样反射光谱不断降低, 当颗粒度大于1 mm以后, 试样反射光谱几乎不再变化。

磁铁矿属于黑色矿物, 颜色较深, 对光线吸收能力较强, 反射能力较弱, 因此其光谱反射率较低, 且反射光谱无明显特征, 近乎平直。 由于磁铁矿光吸收能力极强, 颗粒度不同引起的光子散射与吸收效应对其影响极其微弱, 所以磁铁矿反射光谱受颗粒度影响非常微弱。