不同變質(zhì)程度煤介電常數(shù)特性

鄭學(xué)召 趙炬 張鐸

摘 要：為了研究煤的介電常數(shù)隨變質(zhì)程度與測試頻率之間的關(guān)系，通過Concept 80寬帶介電譜測試系統(tǒng)測試在0.1～1.0 GHz頻段范圍內(nèi)褐煤、長焰煤、氣煤、貧瘦煤和無煙煤的介電常數(shù)。結(jié)果表明：不同變質(zhì)程度煤的介電常數(shù)隨測試頻率的增加先減小后增加，測試頻率在0.3 GHz左右時介電常數(shù)值最小，在1.0 GHz附近介電常數(shù)值最大;同一測試頻率下，貧瘦煤的介電常數(shù)最大，依次為褐煤、氣煤、長焰煤，無煙煤的介電常數(shù)最小。此外，通過5E-MAG6700全自動工業(yè)分析儀來研究煤介電常數(shù)隨變質(zhì)程度的內(nèi)在因素，可以發(fā)現(xiàn)，煤的水分含量、含碳量和灰分含量對其介電常數(shù)有一定的影響，但不是決定因素，以上結(jié)論對于超寬帶電磁波在煤層中傳播的實驗頻段選擇和對井下被困人員超寬帶雷達(dá)生命信息鉆孔探測具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：介電常數(shù);寬帶介電譜測試;工業(yè)分析;煤變質(zhì)程度;測試頻率中圖分類號：TD 76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to study the relationship between the permittivity of coal with the degree of deterioration and the test frequency，the permittivity of lignite，long-flame coal，gas coal，lean coal and anthracite in the range of 0.1～1.0 GHz frequency range were tested with the Concept 80 Broadband Dielectric Spectrum Test System.The results show that the permittivity decreases first and then increases with the increase of test frequency.When the test frequency is around 0.3 GHz，the dielectric constant value is the lowest，and the dielectric constant value is the highest around 1.0 GHz.At the same test frequency，the permittivity of lean coal was the largest，followed by lignite，gas coal and long flame coal，and the permittivity of anthracite was the smallest.In addition，through the 5e-mag 6700 full-automatic industrial analyzer，the internal factors of the coal permittivity with the degree of deterioration are studied.According to the industrial analysis，the moisture content，carbon content and ash content of the coal have certain influence on the permittivity，but it was not the decisive factor.This conclusion has certain guiding significance for the selection of experimental frequency band of electromagnetic wave propagation in coal seam and for the borehole detection of UWB radar life information of downhole people trapped.Key words：dielectric constant;broadband dielectric spectrum test;proximate analysis;coalmetamorphism;measurement frequency

0 引 言

近年來，我國煤礦災(zāi)害事故時有發(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）體對被困礦工進(jìn)行精確定位的生命信息探測技術(shù)，而目前的大多數(shù)鉆孔生命探測技術(shù)（光學(xué)生命信息探測、紅外生命信息探測、氣體生命信息探測等）不具備穿透性，超寬帶電磁波生命信息探測技術(shù)具有很強的穿透性[1]，并且具備很高精確性和超強的抗干擾性[2-4]，對煤礦災(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)在外電場作用下極化程度的物理量[7]。在交變電場作用下，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

從以上性質(zhì)可看出，頻率和電導(dǎo)率對介電常數(shù)有一定的影響。文中主要針對頻率對介電常數(shù)的影響進(jìn)行實驗研究。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。徐宏武對煤層電性參數(shù)進(jìn)行了實驗測試和研究，研究內(nèi)容為測試頻率是在1 MHz和160 MHz下研究不同變質(zhì)程度、溫度、濕度以及測試頻率對煤層電性參數(shù)的影響[10];徐龍君對交變電場下白皎煤介電常數(shù)進(jìn)行了實驗研究，研究測試頻率在2.45 GHz和9.35 GHz下，白皎煤介電常數(shù)的變化關(guān)系，并且對煤中碳原子摩爾分?jǐn)?shù)、孔隙體積和礦物質(zhì)等對介電常數(shù)的影響進(jìn)行了深入的研究分析[8];朱紅青對煤介電常數(shù)測量技術(shù)進(jìn)行研究，指出了目前煤介電常數(shù)測量方法的不足，為今后研究及發(fā)展趨勢提出了建議和意見[11];馮秀梅等通過對無煙煤和煙煤在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，并且其活動性也越強，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，但其研究對象主要為無煙煤和褐煤，針對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)，這使得對于煤相對介電常數(shù)隨變質(zhì)頻率變化的規(guī)律研究有一定局限性。因此，通過實驗測試對不同變質(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)組分和元素對煤相對介電常數(shù)的影響。

1 實 驗

1.1 煤樣制備本實驗選取5種不同變質(zhì)程度的煤進(jìn)行測試，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)行實驗測試。

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驗設(shè)備為5E-MAG6700全自動工業(yè)分析儀分析，通過該實驗設(shè)備測定煤樣中工業(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.

1.3 煤樣的測試目前已有的測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]。由于交流阻抗測量法具有測量精度高、測量簡便等優(yōu)點，因此，本實驗采用的測量方法是交流阻抗測量法，采用測試儀器是E4991A阻抗分析儀。首先，將圓形煤樣兩層與正負(fù)電極接觸，通過測試正負(fù)電極的電勢差和流過煤樣的電流，將所得到的電勢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，煤的相對介電常數(shù)ε′可表示為

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

從圖2～6可以看出，1#，2#，3#，4#和5#煤樣的介電常數(shù)均隨測試頻率的增加先減小后增加，并且測試頻率在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）煤相對介電常數(shù)隨測試頻率的增加先減小后增大;測試頻率在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）研究對于超寬帶電磁波在煤層中傳播的實驗頻段選擇和對井下遇險人員超寬帶雷達(dá)生命信息鉆孔探測具有一定指導(dǎo)意義，為煤礦災(zāi)害救援提供了理論依據(jù)。

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