高光譜成像技術(shù)在礦石分選中能夠提供礦石樣品在不同波長(zhǎng)下的詳細(xì)光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦石中礦物成分的精確識(shí)別和分析。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其高分辨率和無(wú)損檢測(cè)能力，使得礦石分選過(guò)程更加高效和精準(zhǔn)。

高光譜相機(jī)的工作原理

高光譜相機(jī)能夠同時(shí)獲取目標(biāo)物體的空間信息和連續(xù)的光譜信息。其工作原理基于不同物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有獨(dú)特的吸收、反射和透射特性。當(dāng)光線(xiàn)照射到礦石表面時(shí)，礦石中的各種礦物成分會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光產(chǎn)生不同程度的吸收和反射。高光譜相機(jī)通過(guò)其內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器，將反射光按照波長(zhǎng)進(jìn)行色散，并在探測(cè)器的不同像素位置上記錄下來(lái)，從而形成一個(gè)包含了空間維度和光譜維度的高光譜數(shù)據(jù)立方體。每一個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)連續(xù)的光譜曲線(xiàn)，這些光譜曲線(xiàn)就如同礦石的“指紋”，能夠反映出礦石中所含礦物的種類(lèi)、含量以及晶體結(jié)構(gòu)等信息。

高光譜相機(jī)在礦石分選上的優(yōu)勢(shì)

高分辨率光譜探測(cè)

高光譜相機(jī)具有極高的光譜分辨率，能夠獲取數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)連續(xù)的光譜波段，精確捕捉到礦石在不同波長(zhǎng)下的細(xì)微光譜差異。這種高分辨率的光譜探測(cè)能力使得它能夠區(qū)分出傳統(tǒng)方法難以分辨的相似礦物，以及識(shí)別出礦石中含量極低的稀有礦物。例如，在對(duì)銅鋅礦的分選過(guò)程中，高光譜相機(jī)可以通過(guò)精確的光譜分析，準(zhǔn)確區(qū)分出不同礦物相中的銅和鋅。

快速無(wú)損檢測(cè)

高光譜相機(jī)能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量礦石進(jìn)行快速掃描，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)。在礦石分選的生產(chǎn)線(xiàn)上，它可以對(duì)傳送帶上的礦石進(jìn)行連續(xù)快速的檢測(cè)，不影響生產(chǎn)效率。同時(shí)，高光譜相機(jī)采用非接觸式的檢測(cè)方式，不會(huì)對(duì)礦石造成任何物理或化學(xué)損傷。這對(duì)于一些具有特殊結(jié)構(gòu)或價(jià)值較高的礦石分選尤為重要。

多礦物同時(shí)識(shí)別

在復(fù)雜的礦石體系中，往往含有多種礦物成分。高光譜相機(jī)可以同時(shí)對(duì)多種礦物進(jìn)行識(shí)別和分析，通過(guò)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的綜合處理，能夠快速確定礦石中各種礦物的種類(lèi)和相對(duì)含量。相比傳統(tǒng)的單一檢測(cè)方法，高光譜相機(jī)大大提高了檢測(cè)的全面性和準(zhǔn)確性。

應(yīng)用實(shí)例

原礦品位快速評(píng)估

在礦山開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)，利用高光譜相機(jī)對(duì)剛開(kāi)采出來(lái)的原礦進(jìn)行快速掃描，能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取原礦的品位信息。通過(guò)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的分析，可以快速判斷出原礦中主要礦物的含量。例如，某大型鐵礦在開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)安裝在礦車(chē)上的高光譜相機(jī)，對(duì)不同區(qū)域的原礦進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果優(yōu)化開(kāi)采路線(xiàn)，優(yōu)先開(kāi)采高品位礦石區(qū)域，提高了礦山的整體開(kāi)采效率。

礦石粒度分級(jí)輔助

礦石的粒度大小對(duì)其分選效果有著重要影響。高光譜相機(jī)可以結(jié)合圖像處理技術(shù)，對(duì)礦石的粒度進(jìn)行分析和分級(jí)。通過(guò)拍攝礦石的圖像，并利用光譜信息和圖像特征識(shí)別不同粒度的礦石顆粒。在選礦廠的破碎和磨礦環(huán)節(jié)，這一技術(shù)可以幫助操作人員及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)，確保礦石達(dá)到合適的粒度分布，提高后續(xù)分選工藝的效率。例如，在某銅礦選礦廠，高光譜相機(jī)與皮帶輸送機(jī)相結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦石的粒度變化，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整破碎機(jī)的工作參數(shù)，使得礦石的粒度更加均勻，浮選回收率得到了顯著提高。

尾礦資源再利用

尾礦中往往還含有一定量的有價(jià)值礦物，對(duì)尾礦進(jìn)行再利用可以提高礦產(chǎn)資源的綜合利用率，減少環(huán)境污染。高光譜相機(jī)可以對(duì)尾礦進(jìn)行全面的檢測(cè)和分析，識(shí)別出尾礦中殘留的礦物種類(lèi)和含量。通過(guò)對(duì)尾礦的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，能夠發(fā)現(xiàn)一些以往被忽視的潛在資源。例如，在某金礦尾礦庫(kù)，利用高光譜相機(jī)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)尾礦中仍含有少量的金礦物以及其他有價(jià)金屬，通過(guò)重新設(shè)計(jì)選礦工藝，對(duì)尾礦進(jìn)行再選，實(shí)現(xiàn)了資源的二次回收，為企業(yè)帶來(lái)了額外的經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)濟(jì)效益

高光譜相機(jī)在礦石分選中的應(yīng)用，不僅提高了分選的精準(zhǔn)度和效率，還帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)快速準(zhǔn)確地識(shí)別礦石中的有用礦物和廢石，可以減少不必要的開(kāi)采和加工成本。例如，在鐵礦石和鎳礦石的分選中，高光譜相機(jī)能夠有效區(qū)分不同品位的礦石，從而避免低品位礦石的過(guò)度開(kāi)采，提高礦石的整體利用價(jià)值。此外，高光譜相機(jī)的無(wú)損檢測(cè)特性，也減少了對(duì)礦石的物理?yè)p傷，延長(zhǎng)了礦石的使用壽命，進(jìn)一步降低了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

鐵礦石和鎳礦石樣品的高光譜成像案例研究

鐵礦石樣品的高光譜成像

在鐵礦石的高光譜成像研究中，使用了涵蓋 400 – 2500 nm 光譜范圍的傳感器進(jìn)行分析。鐵礦石樣品的鐵含量在 68% - 24% 之間變化，且污染物程度不同。通過(guò)高光譜成像，可以清晰地區(qū)分不同品位的鐵礦石樣品。研究表明，除了鐵含量最低的樣品外，其他含鐵礦石樣品的光譜沒(méi)有表現(xiàn)出高光譜對(duì)比度或區(qū)分光譜特征，因此基于特征波長(zhǎng)位置和深度的分析無(wú)法有效地區(qū)分樣品。

圖 1. 使用涵蓋 400 – 2500 nm 光譜范圍的 的 SP150M 和 SC230 傳感器對(duì)鐵礦和鎳礦的樣品進(jìn)行了分析。

對(duì)于鐵礦石，樣品的鐵含量在 68% - 24% 之間變化，并且污染物程度不同（上）。鎳礦樣品的鎳含量范圍為 3% - 0.26%，區(qū)分不同品位的礦石、覆蓋巖和廢料（下）。

圖 2. 鐵樣品（左）和鎳樣品（右）的光譜指紋。左：除了鐵含量最低的樣品（3號(hào)淺灰色和 11 號(hào)深灰色曲線(xiàn)）外，含鐵礦石樣品的光譜沒(méi)有表現(xiàn)出高光譜對(duì)比度或區(qū)分光譜特征。因此，基于特征波長(zhǎng)位置和深度的分析無(wú)法有效地區(qū)分樣品并代表礦石品位。

鎳礦石樣品的高光譜成像

對(duì)于鎳礦石樣品，其鎳含量范圍為 3% - 0.26%。高光譜成像能夠有效區(qū)分不同品位的鎳礦石、覆蓋巖和廢料。與鐵礦石類(lèi)似，鎳礦石的光譜分析也表明，基于光譜整體形狀的分析方法（如 ReSens+ 和 SAM）比基于特征的分析方法（如 EnGeoMap）更有效。

分析方法與結(jié)果

在對(duì)鐵礦石和鎳礦石樣品的分析中，使用了 ReSens+ 分析方法，并與開(kāi)源的 GFZ EnGeoMap 基于特征的分析和光譜角度映射器 (SAM) 進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，ReSens+ 分析具有最高的樣本識(shí)別準(zhǔn)確度，并且對(duì)陰影和粗糙區(qū)域的容忍度更高。這種分析方法的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行事先準(zhǔn)備（例如研磨），可以在真實(shí)、更惡劣的礦井工作面條件下進(jìn)行應(yīng)用。

圖 3. 鐵礦石樣品（上）和鎳礦石樣品（下）的繪圖結(jié)果和精度

應(yīng)用前景與經(jīng)濟(jì)效益

高光譜成像技術(shù)在礦石分選中的應(yīng)用不僅提高了分選的準(zhǔn)確性和效率，還帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)快速準(zhǔn)確地識(shí)別礦石中的有用礦物和廢石，可以減少不必要的開(kāi)采和加工成本。此外，該技術(shù)還可以幫助優(yōu)化采礦短期目標(biāo)，支持礦物生產(chǎn)過(guò)程中礦石品位的保持和污染物水平的最小化。

圖 4. ReSens+ 對(duì)一座鎳礦免費(fèi)提供的高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。沿各個(gè)活動(dòng)邊緣的礦坑和高品位礦石（橙色、黃色）的發(fā)育清晰可見(jiàn)，表明由于高品位礦石的開(kāi)采和開(kāi)采前沿的新發(fā)展，礦坑中的持續(xù)枯竭向外生長(zhǎng)。

該項(xiàng)目中的高光譜數(shù)據(jù)是使用 SP150M 和 SC203 相機(jī)獲取的。SP100近紅外高光譜相機(jī)覆蓋 400 – 1000 nm 范圍，而SP150M則在 1000 – 2500 nm 范圍內(nèi)工作。

這些相機(jī)設(shè)計(jì)用于在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，由于其低光學(xué)像差、熱穩(wěn)定性和適用于各種工作距離的定制鏡頭，保持了科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用所需的光譜保真度。