不同變質程度煤介電常數特性

鄭學召，趙 炬，張 鐸，郭 軍

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

0 引 言

近年來，我國煤礦災害事故時有發生，在一些災害事故中，由于巷道的坍塌和阻塞，導致救援人員無法進入井下救援，只能采取地面打鉆的方式進行救援。在鉆孔救援過程中，也有可能出現鉆孔打偏或鉆孔附近的巷道發生坍塌，因此，需要一種通過穿透煤(巖)體對被困礦工進行精確定位的生命信息探測技術，而目前的大多數鉆孔生命探測技術(光學生命信息探測、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]，對煤礦災害救援具有重大意義。

介電常數是超寬帶電磁波在煤(巖)體中傳播特性的主要物理參數[5]，研究煤的介電常數可以揭示出超寬帶電磁波在煤(巖)體中的傳播參數。一般情況下，不同變質程度的煤都具有一定的極化和導電性能[6]，煤的介電性質通常以介電常數來體現，它是描述介質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εr為復數形式，是指介電常數ε與真空中介電常數ε0的比值，根據文獻[8]可知，復介電常數εr分為實部ε′和虛部ε″.

ε0為真空中介電常數，8.85×10-12F/m；ε′為介電常數的實部，代表相對介電常數；文中無特殊說明的介電常數均為相對介電常數；ε″為介電常數的虛部，代表介質的損耗因子。根據文獻[9]可知，ε″是指電導率σ與角頻率ω.

從以上性質可看出，頻率和電導率對介電常數有一定的影響。文中主要針對頻率對介電常數的影響進行實驗研究。

目前關于煤介電常數的影響因素已經做了大量的研究工作。徐宏武對煤層電性參數進行了實驗測試和研究，研究內容為測試頻率是在1 MHz和160 MHz下研究不同變質程度、溫度、濕度以及測試頻率對煤層電性參數的影響[10]；徐龍君對交變電場下白皎煤介電常數進行了實驗研究，研究測試頻率在2.45 GHz和9.35 GHz下，白皎煤介電常數的變化關系，并且對煤中碳原子摩爾分數、孔隙體積和礦物質等對介電常數的影響進行了深入的研究分析[8]；朱紅青對煤介電常數測量技術進行研究，指出了目前煤介電常數測量方法的不足，為今后研究及發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微波頻段范圍內介電性質的變化規律進行研究發現，無煙煤的介電常數大于煙煤的介電常數[12]。還有學者討論發現，隨著煤變質程度的增大，煤中自由電子的數量就越多，并且其活動性也越強，它的介電常數就越大[13-15]；Nelson等的研究內容是煤粉介電性質與測試頻率的關系，通過研究結果發現，煤粉介電常數隨頻率的降低而增加[16]。Gi-nutini等對不同煤樣的介電常數與溫度的變化規律進行了深入地研究[17]，測試頻率在0.2～0.4 MHz頻段內，溫度越高，不同煤樣的介電常數越大。目前，關于煤介電常數的研究主要集中在變質程度、水分、灰分和礦物質含量等因素，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的研究較少，而且研究手段多為固定頻率研究，也有一些學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，這使得對于煤相對介電常數隨變質頻率變化的規律研究有一定局限性。

因此，通過實驗測試對不同變質程度煤(褐煤、長焰煤、氣煤、貧瘦煤和無煙煤)的介電常數進行研究，測試頻率是在0.1～1.0 GHz頻段范圍內，不同變質程度煤的介電常數與頻率的變化規律，并且分析煤的工業組分和元素對煤相對介電常數的影響。

1 實 驗

1.1 煤樣制備

本實驗選取5種不同變質程度的煤進行測試，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；然后稱取一定質量的煤粉放入壓片機中，將不同變質程度的煤樣都制成直經為12.8 mm，厚度為1 mm的圓形薄煤片；最后，把導電銀膠均勻地涂在圓形煤樣薄片的兩側，等到圓形煤樣薄片兩層的銀膠晾干后開始進行實驗測試。

1.2 煤的工業分析和元素分析

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。煤的工業組分和元素分析采用的實驗設備為5E-MAG6700全自動工業分析儀分析，通過該實驗設備測定煤樣中工業組分：水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發分(Vad)、固定碳(FCad)的質量百分數以及測定煤樣中的C，H，O，N，S元素含量。1#，2#，3#，4#和5#煤樣的工業分析和部分元素分析結果見表1.

表1 煤的工業分析和元素分析數據

1.3 煤樣的測試

目前已有的測量方法包括傳輸反射法、數字電橋法、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電極接觸，通過測試正負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換關系，從而得出耗散因數、電抗、電容等物理參數；根據文獻[9]可知，煤的相對介電常數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為并聯時的電容，F；Cs為串聯時的電容，F；D為耗散因數。

本實驗是在西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室進行不同變質程度煤介電常數的測試。煤介電常數的測試實驗設備為Concept 80寬帶介電譜測試系統，該系統主要儀器E4991A阻抗分析儀，如圖1所示。

圖1 煤介電常數的測試系統Fig.1 Coal permittivity test system

系統的測試步驟：①開啟系統電源，預熱系統1 h，待系統測試穩定；②開始運行測試軟件，選擇HP4991A分析儀；③一切準備好后，進行系統校準；④將1#煤樣、2#煤樣、3#煤樣、4#煤樣和5#煤樣夾好，開始進行實驗，將所得的測試實驗結果進行保存。

2 結果分析

通過origin繪制圖煤的介電常數與測試頻率的關系，結果如圖2～6所示。

圖2 褐煤的介電常數與測試頻率的關系Fig.2 Relation between the permittivity of lignite and test frequency

圖3 長焰煤的介電常數與測試頻率的關系Fig.3 Relation between the permittivity of long-flame coal and test frequency

圖4 氣煤的介電常數與測試頻率的關系Fig.4 Relation between the permittivity of gas coal and test frequency

圖5 貧瘦煤的介電常數與測試頻率的關系Fig.5 Relation between the permittivity of lean coal and test frequency

圖6 無煙煤的介電常數與測試頻率的關系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種不同變質程度煤的介電常數均達到最小，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種不同變質程度的煤介電常數值均達到最大，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#煤樣的介電常數值最大，隨后是1#，3#，2#，5#；5#的變質程度最大，但其介電常數最小。

為了研究煤介電常數與變質程度的變化關系，對煤的工業組分和元素分析進行了深入地研究，由于煤的介電常數受水分、灰分和揮發分等因素影響[23-25]，5種不同變質程度煤的介電常數值差異較大。

水分是煤介電常數的影響因素之一，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，但其介電常數最大，這是由于4#本身就存在自由電子可以進行導電，而且4#煤樣的孔隙率較小，充填的空氣相對其他煤樣較少(空氣的介電常數小于煤的介電常數)，因此，其介電常數較大[9]；1#的介電常數次之，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，形成水溶液離子進行導電。因此，水分對煤的介電常數有很大的影響。

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

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

3 結 論

1)煤相對介電常數隨測試頻率的增加先減小后增大；測試頻率在300 MHz左右介電常數均達到最小，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左右介電常數達到最大，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，介電常數增大；并且也遵循煤的含碳量越高，介電常數越小的變化規律；煤中所含的水分、灰分和含碳量都是介電常數的影響因素之一，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生命信息鉆孔探測具有一定指導意義，為煤礦災害救援提供了理論依據。