1概述
煤炭是我国能源的重要组成部分[1]，根据国家统计局数据，2022年我国生产原煤45.0亿吨，随着煤炭的开采，伴随产生了大量的煤矸石废弃物，约占煤炭产量的10%-20%[2]。煤矸石的堆放造成了土地资源的浪费[3]，还会发生自燃，释放出硫氮化合物等有毒气体[4]。因此，大量的煤矸石废弃物的堆积使煤炭产区的资源环境面临了巨大压力[5]。
根据煤矸石的组成制定合理的利用方案，可以实现将废弃物转化为资源。煤矸石中固定碳含量的测定是技术人员关注的重点[6]。煤矸石固定碳含量测定的传统方法，需要先检测煤样中的水分、灰分以及挥发分，再通过公式计算得到固定碳的含量[7]。煤矸石是煤炭和矿物的混合物[8]，随着固定碳含量的增加，煤矸石呈现出从煤炭颜色到矿物的过渡。本论文收集了不同固定碳含量的煤矸石样品，将煤矸石样品置于密闭环境中获得光学图片。研究表明，煤矸石的色值与固定碳含量呈现出显著的相关性。因此，通过检测煤矸石色值的方法可以快速判断煤矸石中的固定碳含量，有望成为一种新型的煤矸石检测方法。
2试验部分
2.1煤矸石的来源
本论文试验所用的煤矸石样品均由山西省地质矿产二一三实验室有限公司提供，煤矸石样品为洗煤过程中排出的废弃物，并分别编号为1#-6#。
2.2煤矸石固定碳含量测定
本研究参照中华人民共和国标准GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》，测定煤矸石中的水分、挥发分、灰分以及固定碳含量。
2.3煤矸石图像获取
通过自制的拍摄装置获得煤矸石的光学图像，装置示意图如图1所示。将所有的拍摄装置放置于一个封闭的盒内，避免自然光的干扰。在密封盒内安置一个LED光源以及拍摄相机，相机的开关通过无线蓝牙控制。
2.4实验过程使用的软件
使用Adobe Photoshop软件中的吸管工具，获得煤矸石图像中红绿蓝三种颜色的色值。使用Origin绘图软件评价固定碳含量与色值的相关性。
3结果与讨论
3.1煤矸石固定碳含量分析
本研究获取了6种不同的煤矸石样品，根据GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》，测定了煤矸石的的水分、挥发分和灰分，由公式（1）计算得到煤矸石中的固定碳的含量。如表1所示，煤矸石的组分有较大差异，计算得到的固定碳含量最低为2.92%，最高为21.28%。
FCad=100-(Mad+Aad+Vad)································(1)
式中：
FCad——空气干燥基固定碳的质量分数，%
Mad——一般分析试验煤样水分的质量分数，%
Aad——空气干燥基灰分的质量分数，%
Vad——空气干燥基挥发分的质量分数，%。
表1不同煤矸石样品固定碳含量分析
3.2 煤矸石的光学图像以及色值与固定碳相关性分析
通过自制的装置（见图1）获得煤矸石的光学图像，拍摄过程在一个封闭的空间内完成，避免了外部光线的影响。通过无线蓝牙控制相机，确保了拍摄过程的稳定。获得的煤矸石的图像如图2所示，从图像可以看到1号到6号样品的颜色逐渐从黑色变至浅灰色。对照表1可知，1号到6号样品的固定碳含量逐渐降低，与煤矸石颜色的变化相对应。
图2不同煤矸石的光学图像
利用图像处理软件分析了煤矸石样品图像红绿蓝三色的色值。使用Adobe Photoshop的吸管工具，可以提取某一个位点的色值。本研究中，在煤矸石图像上随机选取10个点，得到10个位点的红绿蓝三色的色值，再将10个点的色值取平均值，得到最后的颜色数值，结果如表2所示。另外，计算了三色数值的加和，作为评价煤矸石颜色强度的另一个指标。从表2可以看到，随着煤矸石固定碳含量的提高，色值呈增大的趋势。
通过Origin软件将煤矸石固定碳含量与色值进行线性拟合，结果如图3所示。可以看到固定碳含量与不同颜色的色值以及色值总和均呈现良好的相关性，随着固定碳含量的提高，色值逐渐降低。通过拟合得到了相关性系数，其中绿色色值与固定碳含量的相关性最高，相关性系数为-0.938。上述结果表明，通过煤矸石的颜色色值可以较为准确地预测固定碳含量，而且颜色的获取过程简单、快捷、无损，具有潜在的应用价值。
图3煤矸石固定碳含量与不同颜色色值的相关性
4 结语
本论文收集了六种煤矸石样品，测试了煤矸石样品的水分、灰分、挥发分以及固定碳含量等性质。通过自制的图像获取装置，拍摄了煤矸石样品的光学图片。随后，通过图片处理软件获取了煤矸石图像的光学色值。相关性分析表明，煤矸石的色值与固定碳含量存在显著相关性，绿色色值与固定碳含量的相关性系数达-0.938。上述研究表明，通过获取煤矸石的色值可以预测出煤矸石中固定碳的含量，该方法可靠、稳定、便捷，具有潜在的应用价值。
参考文献
[1] 李 鹏, 夏元鹏, 张立魁, 等. 煤矸石综合利用产业政策和发展方向 [J]. 陕西地质, 2021, 39（2）: 96-101.
[2] 杨盛炜, 龙祖根. 煤矸石中碳的浮选回收试验研究 [J]. 价值工程, 2019, 38（22）: 272-274.
[3] 孙箐彬, 亓梦茹. 煤矸石注浆综合处置技术研究与应用 [J]. 中国煤炭, 2022, 48（1）: 81-87.
[4] 卫 兴, 叶明霞, 付 婷, 等. 改性煤矸石在废水处理中的应用研究 [J]. 能源环境, 2021（11）: 133-135.
[5] 王新富, 王彦君, 高良敏, 等. 煤炭科学技术 [J]. 煤炭技术, 2022, 50（10）: 226-234.
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