不同變質(zhì)程度煤介電常數(shù)特性

鄭學(xué)召，趙 炬，張 鐸，郭 軍

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國家礦山應(yīng)急救援西安研究中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

近年來，我國煤礦災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生，在一些災(zāi)害事故中，由于巷道的坍塌和阻塞，導(dǎo)致救援人員無法進(jìn)入井下救援，只能采取地面打鉆的方式進(jìn)行救援。在鉆孔救援過程中，也有可能出現(xiàn)鉆孔打偏或鉆孔附近的巷道發(fā)生坍塌，因此，需要一種通過穿透煤(巖)體對(duì)被困礦工進(jìn)行精確定位的生命信息探測(cè)技術(shù)，而目前的大多數(shù)鉆孔生命探測(cè)技術(shù)(光學(xué)生命信息探測(cè)、紅外生命信息探測(cè)、氣體生命信息探測(cè)等)不具備穿透性，超寬帶電磁波生命信息探測(cè)技術(shù)具有很強(qiáng)的穿透性[1]，并且具備很高精確性和超強(qiáng)的抗干擾性[2-4]，對(duì)煤礦災(zāi)害救援具有重大意義。

介電常數(shù)是超寬帶電磁波在煤(巖)體中傳播特性的主要物理參數(shù)[5]，研究煤的介電常數(shù)可以揭示出超寬帶電磁波在煤(巖)體中的傳播參數(shù)。一般情況下，不同變質(zhì)程度的煤都具有一定的極化和導(dǎo)電性能[6]，煤的介電性質(zhì)通常以介電常數(shù)來體現(xiàn)，它是描述介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下極化程度的物理量[7]。在交變電場(chǎng)作用下，煤的介電常數(shù)εr為復(fù)數(shù)形式，是指介電常數(shù)ε與真空中介電常數(shù)ε0的比值，根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，復(fù)介電常數(shù)εr分為實(shí)部ε′和虛部ε″.

ε0為真空中介電常數(shù)，8.85×10-12F/m；ε′為介電常數(shù)的實(shí)部，代表相對(duì)介電常數(shù)；文中無特殊說明的介電常數(shù)均為相對(duì)介電常數(shù)；ε″為介電常數(shù)的虛部，代表介質(zhì)的損耗因子。根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，ε″是指電導(dǎo)率σ與角頻率ω.

從以上性質(zhì)可看出，頻率和電導(dǎo)率對(duì)介電常數(shù)有一定的影響。文中主要針對(duì)頻率對(duì)介電常數(shù)的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

目前關(guān)于煤介電常數(shù)的影響因素已經(jīng)做了大量的研究工作。徐宏武對(duì)煤層電性參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和研究，研究內(nèi)容為測(cè)試頻率是在1 MHz和160 MHz下研究不同變質(zhì)程度、溫度、濕度以及測(cè)試頻率對(duì)煤層電性參數(shù)的影響[10]；徐龍君對(duì)交變電場(chǎng)下白皎煤介電常數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究測(cè)試頻率在2.45 GHz和9.35 GHz下，白皎煤介電常數(shù)的變化關(guān)系，并且對(duì)煤中碳原子摩爾分?jǐn)?shù)、孔隙體積和礦物質(zhì)等對(duì)介電常數(shù)的影響進(jìn)行了深入的研究分析[8]；朱紅青對(duì)煤介電常數(shù)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，指出了目前煤介電常數(shù)測(cè)量方法的不足，為今后研究及發(fā)展趨勢(shì)提出了建議和意見[11]；馮秀梅等通過對(duì)無煙煤和煙煤在2～18 GHz微波頻段范圍內(nèi)介電性質(zhì)的變化規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，無煙煤的介電常數(shù)大于煙煤的介電常數(shù)[12]。還有學(xué)者討論發(fā)現(xiàn)，隨著煤變質(zhì)程度的增大，煤中自由電子的數(shù)量就越多，并且其活動(dòng)性也越強(qiáng)，它的介電常數(shù)就越大[13-15]；Nelson等的研究內(nèi)容是煤粉介電性質(zhì)與測(cè)試頻率的關(guān)系，通過研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤粉介電常數(shù)隨頻率的降低而增加[16]。Gi-nutini等對(duì)不同煤樣的介電常數(shù)與溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了深入地研究[17]，測(cè)試頻率在0.2～0.4 MHz頻段內(nèi)，溫度越高，不同煤樣的介電常數(shù)越大。目前，關(guān)于煤介電常數(shù)的研究主要集中在變質(zhì)程度、水分、灰分和礦物質(zhì)含量等因素，但其研究對(duì)象主要為無煙煤和褐煤，針對(duì)其他煤種的介電常數(shù)的研究較少，而且研究手段多為固定頻率研究，也有一些學(xué)者的研究手段是在一定的頻率段中，但其頻率段沒有在超寬帶頻率范圍內(nèi)，這使得對(duì)于煤相對(duì)介電常數(shù)隨變質(zhì)頻率變化的規(guī)律研究有一定局限性。

因此，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)不同變質(zhì)程度煤(褐煤、長焰煤、氣煤、貧瘦煤和無煙煤)的介電常數(shù)進(jìn)行研究，測(cè)試頻率是在0.1～1.0 GHz頻段范圍內(nèi)，不同變質(zhì)程度煤的介電常數(shù)與頻率的變化規(guī)律，并且分析煤的工業(yè)組分和元素對(duì)煤相對(duì)介電常數(shù)的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 煤樣制備

本實(shí)驗(yàn)選取5種不同變質(zhì)程度的煤進(jìn)行測(cè)試，分別為：褐煤(1#)、長焰煤(2#)、氣煤(3#)、貧瘦煤(4#)和無煙煤(5#)。首先，將新鮮的煤樣破碎后，篩選出直徑≤0.074 mm的煤粉；然后稱取一定質(zhì)量的煤粉放入壓片機(jī)中，將不同變質(zhì)程度的煤樣都制成直經(jīng)為12.8 mm，厚度為1 mm的圓形薄煤片；最后，把導(dǎo)電銀膠均勻地涂在圓形煤樣薄片的兩側(cè)，等到圓形煤樣薄片兩層的銀膠晾干后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1.2 煤的工業(yè)分析和元素分析

將新鮮煤樣破碎后篩選出直徑≤0.074 mm的煤粉，隔絕氧氣保存。煤的工業(yè)組分和元素分析采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為5E-MAG6700全自動(dòng)工業(yè)分析儀分析，通過該實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)定煤樣中工業(yè)組分：水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發(fā)分(Vad)、固定碳(FCad)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)以及測(cè)定煤樣中的C，H，O，N，S元素含量。1#，2#，3#，4#和5#煤樣的工業(yè)分析和部分元素分析結(jié)果見表1.

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)

1.3 煤樣的測(cè)試

目前已有的測(cè)量方法包括傳輸反射法、數(shù)字電橋法、諧振電路法和微波法等[18-21]。由于交流阻抗測(cè)量法具有測(cè)量精度高、測(cè)量簡便等優(yōu)點(diǎn)，因此，本實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量方法是交流阻抗測(cè)量法，采用測(cè)試儀器是E4991A阻抗分析儀。首先，將圓形煤樣兩層與正負(fù)電極接觸，通過測(cè)試正負(fù)電極的電勢(shì)差和流過煤樣的電流，將所得到的電勢(shì)差除以流過樣品間的電流，從而得出樣品的相位角和復(fù)阻抗[22]；然后通過容抗、感抗以及耗散因子等物理量之間公式的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而得出耗散因數(shù)、電抗、電容等物理參數(shù)；根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，煤的相對(duì)介電常數(shù)ε′可表示為

(3)

式中L為圓形薄煤片的厚度，mm；S為圓形薄煤片的截面積，cm2；Cp為并聯(lián)時(shí)的電容，F(xiàn)；Cs為串聯(lián)時(shí)的電容，F(xiàn)；D為耗散因數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)是在西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同變質(zhì)程度煤介電常數(shù)的測(cè)試。煤介電常數(shù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Concept 80寬帶介電譜測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要儀器E4991A阻抗分析儀，如圖1所示。

圖1 煤介電常數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Coal permittivity test system

系統(tǒng)的測(cè)試步驟：①開啟系統(tǒng)電源，預(yù)熱系統(tǒng)1 h，待系統(tǒng)測(cè)試穩(wěn)定；②開始運(yùn)行測(cè)試軟件，選擇HP4991A分析儀；③一切準(zhǔn)備好后，進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)；④將1#煤樣、2#煤樣、3#煤樣、4#煤樣和5#煤樣夾好，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將所得的測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行保存。

2 結(jié)果分析

通過origin繪制圖煤的介電常數(shù)與測(cè)試頻率的關(guān)系，結(jié)果如圖2～6所示。

圖2 褐煤的介電常數(shù)與測(cè)試頻率的關(guān)系Fig.2 Relation between the permittivity of lignite and test frequency

圖3 長焰煤的介電常數(shù)與測(cè)試頻率的關(guān)系Fig.3 Relation between the permittivity of long-flame coal and test frequency

圖4 氣煤的介電常數(shù)與測(cè)試頻率的關(guān)系Fig.4 Relation between the permittivity of gas coal and test frequency

圖5 貧瘦煤的介電常數(shù)與測(cè)試頻率的關(guān)系Fig.5 Relation between the permittivity of lean coal and test frequency

圖6 無煙煤的介電常數(shù)與測(cè)試頻率的關(guān)系Fig.6 Relation between the permittivity of anthracite and test frequency

從圖2～6可以看出，1#，2#，3#，4#和5#煤樣的介電常數(shù)均隨測(cè)試頻率的增加先減小后增加，并且測(cè)試頻率在0.3GHz左右，5種不同變質(zhì)程度煤的介電常數(shù)均達(dá)到最小，最大為4#(3.70)，依次是1#(3.49)、3#(3.27)、2#(2.99)，最小為5#(2.94)；測(cè)試頻率在1 GHz左右，5種不同變質(zhì)程度的煤介電常數(shù)值均達(dá)到最大，其中4#(3.86)、1#(3.63)、3#(3.40)、2#(3.12)、5#(3.06)；在同一測(cè)試頻率下，4#煤樣的介電常數(shù)值最大，隨后是1#，3#，2#，5#；5#的變質(zhì)程度最大，但其介電常數(shù)最小。

為了研究煤介電常數(shù)與變質(zhì)程度的變化關(guān)系，對(duì)煤的工業(yè)組分和元素分析進(jìn)行了深入地研究，由于煤的介電常數(shù)受水分、灰分和揮發(fā)分等因素影響[23-25]，5種不同變質(zhì)程度煤的介電常數(shù)值差異較大。

水分是煤介電常數(shù)的影響因素之一，從表1可以看出，除4#外，煤中水分的含量隨煤的變質(zhì)程度增大而減小，1#，2#水分含量比其他3種煤樣高出很多；4#的水分含量最低，但其介電常數(shù)最大，這是由于4#本身就存在自由電子可以進(jìn)行導(dǎo)電，而且4#煤樣的孔隙率較小，充填的空氣相對(duì)其他煤樣較少(空氣的介電常數(shù)小于煤的介電常數(shù))，因此，其介電常數(shù)較大[9]；1#的介電常數(shù)次之，這是由于1#的水分含量最高，孔隙中的水溶液可以溶解大量的礦物質(zhì)，形成水溶液離子進(jìn)行導(dǎo)電。因此，水分對(duì)煤的介電常數(shù)有很大的影響。

已有研究表明，煤的含碳量越高，介電常數(shù)越小[26]，5#的含碳量最大，依次是2#，3#，4#，1#，因此，含碳量是導(dǎo)致5#的介電常數(shù)最小的原因之一。1#，3#，2#，5#遵循含碳量越高，介電常數(shù)越小的變化規(guī)律。

根據(jù)文獻(xiàn)[23]可知，煤的灰分越高，煤的介電常數(shù)越大。1#的灰分最大，而后是4#，3#，2#和5#，結(jié)合這5種煤樣的介電常數(shù)大小關(guān)系可得，除4#外(由于其受其他因素的影響，介電常數(shù)始終相較于其他煤樣最大)，1#，3#，2#，5#遵循灰分含量越高，煤的介電常數(shù)越大的變化規(guī)律，由此可得，煤的介電常數(shù)受灰分的影響。

3 結(jié) 論

1)煤相對(duì)介電常數(shù)隨測(cè)試頻率的增加先減小后增大；測(cè)試頻率在300 MHz左右介電常數(shù)均達(dá)到最小，1#為3.49，2#為2.99，3#為3.27，4#為3.70、5#為2.94；測(cè)試頻率在1.0 GHz左右介電常數(shù)達(dá)到最大，1#為3.63，2#為3.12，3#為3.40，4#為3.86，5#為3.06.在同一測(cè)試頻率下，5#的介電常數(shù)最小，然后依次為2#，3#，1#，4#.

2)除4#外，1#，3#，2#，5#隨著煤灰分含量增加，介電常數(shù)增大；并且也遵循煤的含碳量越高，介電常數(shù)越小的變化規(guī)律；煤中所含的水分、灰分和含碳量都是介電常數(shù)的影響因素之一，但不是決定因素的。

3)研究對(duì)于超寬帶電磁波在煤層中傳播的實(shí)驗(yàn)頻段選擇和對(duì)井下遇險(xiǎn)人員超寬帶雷達(dá)生命信息鉆孔探測(cè)具有一定指導(dǎo)意義，為煤礦災(zāi)害救援提供了理論依據(jù)。