不同溫度與探測頻率下的煤電性參數變化規律研究

鄭學召， 徐承宇， 王寶元， 楊偉， 陳益能， 張鐸

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院， 陜西 西安 710054；2.國家礦山救援西安研究中心， 陜西 西安 710054；3.四川芙蓉集團實業有限責任公司 救護消防大隊， 四川 宜賓 644002)

0 引言

近年來我國煤礦安全事故時有發生[1]，事故發生后易造成區域煤體坍塌冒落，導致巷道堵塞，傳統的人員信息探測技術難以獲取井下被困人員生命信息，因此，亟需一種可以穿透煤體的探測技術。中心頻率大于500 MHz的雷達波稱為超寬帶雷達波，是一門新興無線通信技術[2]。因為超寬帶雷達波在煤體中傳輸具有一定穿透性[3]、精確性和抗干擾性[4-6]，所以，可使用超寬帶雷達波快速準確地穿透煤體獲取井下信息[7]，但是超寬帶雷達波在煤體中傳輸受到煤自身電性參數(相對介電常數、電導率和損耗角正切值)的影響[8]，而探測頻率和環境溫度又會對電性參數造成影響。通過研究相對介電常數、電導率和損耗角正切值3種電性參數在不同溫度與測試頻率下煤的變化規律來進一步探究超寬帶雷達波在煤中的傳輸特性，對在不同情況下超寬帶雷達波井下探測頻段的選擇有一定指導意義。

目前已有眾多學者對煤電性參數的影響因素展開了研究。李芳等[9]研究發現不同煤樣的相對介電常數隨著溫度升高而增高。S. O. Nelson等[10]對煤粉介電常數與測試頻率的關系進行了研究，煤粉介電常數隨頻率的增加而降低。S. Marland等[11]研究發現煤的介電常數隨著煤變質程度的升高而降低。徐龍君等[12]探討了2.45 GHz和9.35 GHz頻率下突出區域和非突出區域煤的交流電導率，結果表明頻率越高，煤樣電導率越大。徐宏武[13]在1 MHz和160 MHz測試頻率下分析了不同變質程度、濕度、各向異性以及煤巖組分對煤層電性參數的影響，得出了電阻率和介電常數是表征煤性質的重要物理參數。Liu Haiyu等[14]對溫度在850～1 600 ℃和測試頻率在2～18 GHz范圍內煤焦結構的差異性進行了分析，結果表明煤的相對介電常數和介電損耗與煤的變質程度有關。綜上可知，現有針對煤電性參數影響因素的研究大多為在固定頻率或低頻率和高溫條件下進行的，缺少對超寬帶頻率和常溫條件下煤電性參數影響因素的研究，這對煤電性參數的影響因素研究有一定局限性。為此，通過實驗，基于0～80 °C溫度和500～1 000 MHz探測頻率，測試不同變質程度煤樣(褐煤、長焰煤、貧瘦煤)的電性參數(相對介電常數、電導率、損耗角正切值)，探究不同溫度與測試頻率下煤電性參數的變化規律，從而為在不同條件下超寬帶雷達波井下探測頻段的選擇提供參考。

1 實驗

1.1 煤樣制備

實驗中采用的煤樣為來自不同地區的褐煤、長焰煤、貧瘦煤，其中貧瘦煤變質程度最高，褐煤變質程度最低。煤樣均選取顆粒較小且未經過人工水分潤濕的開采后煤樣，以此來減少雷達波在傳輸過程中由于反射、折射等現象造成吸收衰減引起的誤差。煤樣在煤礦現場鉆芯選取后立即密封包裝運回實驗室。對3種煤樣進行工業分析和元素分析，結果見表1。由于超寬帶介電譜測試系統在測量過程中需要對煤樣進行壓片處理，所以，采用JSP-24型粉末壓片機(圖1)在20 MPa壓力下將煤粉壓片成直徑為12.8 mm、厚度為1 mm的圓形薄煤片(圖2)。煤樣密封干燥后在其上下表面均勻涂抹一層導電銀膠，形成光滑鏡面，以便于實驗研究。表1中,Mad為空氣干燥煤水分,Aad為空氣干燥煤灰分,Vad為空氣干燥煤揮發分,FCad為空氣干燥基固定炭,Cdaf為煤中碳含量,Hdaf為煤中氫含量,Ndaf為煤中氮含量,Odaf為煤中氧含量,St,ad為空氣干燥煤硫酸鹽總含量。

表1 煤樣工業分析和元素分析結果

圖1 JSP-24型粉末壓片機

圖2 壓片成型的煤樣

1.2 實驗裝置

實驗設備采用Concept-80超寬帶介電譜測試系統，如圖3所示。實驗頻率為500～1 000 MHz，選取高頻模塊進行實驗，升溫速率設為5 ℃/min，頻率變化間隔為50 MHz。

1.3 煤樣測試

目前測試電性參數的主要方法包括傳輸反射法、數字電橋法、諧振電路法、微波法[15]和交流阻抗分析法[16]等。本次實驗為了操作簡便和獲得更高的精度，選擇交流阻抗分析法。首先使用夾具夾持好煤樣，然后把煤樣2層分別連接到E4991A阻抗分析儀的正負極，通過測試正負電極的電勢差和流過煤樣的電流隨時間的變化，從而測出其交流阻抗，并由交流阻抗計算出等效電容，進而得到煤樣的相對介電常數。

1-測試夾具；2-樣品室；3-低溫恒溫器；4-絕緣傳輸線；5-真空傳感器；6-液氮杜瓦瓶；7-液氮蒸發器；8-E4991A阻抗分析儀；9-主機；10-系統控制器；11-發電機；12-數據處理系統。

(1)

(2)

(3)

式中：εr為煤樣的相對介電常數，F/m；Cs為煤樣介質電容，F；C0為煤樣真空電容，F；εs為煤樣的介電常數，F/m；S為圓形薄片煤樣的截面積，cm2；D為圓形薄片煤樣的厚度，mm；ε0為煤樣的真空介電常數，F/m。

根據煤樣的相對介電常數εr和雷達波的角頻率可以得出煤樣的電導率：

σ=εrω

(4)

式中：σ為煤樣的介質電導率，S/m；ω為角頻率，rad/s。

根據煤樣相對介電常數和介電常數的比值可以得出煤樣的損耗角正切值：

tanδ=εr/εs

(5)

式中δ為介電損耗角,(°)。

2 實驗結果與規律分析

2.1 煤樣相對介電常數變化特性

在0～80 ℃、500～1 000 MHz條件下，褐煤、長焰煤和貧瘦煤的相對介電常數測試結果如圖4—圖6所示。

圖4 0～80 ℃、500～1 000 MHz下褐煤的相對介電常數

圖5 0～80 ℃、500～1 000 MHz下長焰煤的相對介電常數

圖6 0～80 ℃、500～1 000 MHz下貧瘦煤的相對介電常數

從圖4可看出，褐煤的相對介電常數集中在3.92～4.20，變化程度較小，從500～1 000 MHz持續緩慢下降。從圖5可看出，長焰煤的相對介電常數小于褐煤，集中在3.15～3.30，變化復雜，有局部極大值和極小值。從500 MHz開始，相對介電常數急劇下降，在530～650 MHz之間，相對介電常數緩慢下降，隨著測試頻率的逐漸增加，再緩慢上升，在757 MHz時出現一個短暫的下降。在757～1 000 MHz，相對介電常數迅速下降到最小值。從圖6可看出，貧瘦煤的相對介電常數集中在4.56～4.78，隨著測試頻率的增加，總體呈下降趨勢，且高頻范圍的下降率較高。相對介電常數在500～602 MHz緩慢下降，在602～705 MHz之間緩慢上升，在705～1 000 MHz急劇下降。

綜合對比圖4—圖6可以得出以下結論：高變質程度煤的相對介電常數較大且隨頻率變化下降幅度更明顯，3種煤樣中長焰煤的相對介電常數最小，根據工業分析發現這是由于長焰煤的含碳量最大，導致其相對介電常數最小[17]。3種煤樣的相對介電常數隨著頻率增加都呈現整體下降的趨勢，均在550 MHz左右出現一個極小值，然后上升，在750 MHz之后都急劇下降，這是因為煤樣的相對介電常數與煤樣的極化有關，當電場頻率較高時，極化過程需要較長時間且不隨電場的變化而變化，所以相對介電常數會隨電場頻率的增加而急劇下降[18]。在測試頻率范圍內，溫度越高，3種煤樣的相對介電常數越大，但是不會影響其變化規律。因為煤體相對介電常數越高，對電磁波的吸收能力越強，傳輸衰減越大[19]，探測能力越弱，所以在0～80 ℃條件下使用超寬帶雷達波穿透煤體進行探測選擇550～650 MHz或850～1 000 MHz頻段最佳，且探測頻率的選擇應隨著溫度升高而降低。

2.2 煤樣電導率變化特性

在0～80 ℃、500～1 000 MHz條件下，褐煤、長焰煤和貧瘦煤的電導率測試結果如圖7—圖9所示。

圖7 0～80 ℃、500～1 000 MHz下褐煤的電導率

圖8 0～80 ℃、500～1 000 MHz下長焰煤的電導率

從圖7可看出，褐煤的電導率為2.79×10-5～1.03×10-4，隨著頻率增加而增大，增大幅度為8×10-5，并隨著溫度升高而增大。從圖8可看出，長焰煤的電導率為1.32×10-5～4.5×10-5，且隨著頻率增加而緩慢增大，增長幅度為3.1×10-5，同樣隨著溫度升高而增大。從圖9可看出，在80 ℃以下，貧瘦煤的電導率大部分小于0，屬于無效值，所以，在此僅對80 ℃時貧瘦煤的電導率進行分析，并以此作為其整體電導率的變化趨勢，其電導率為1.09×10-6～4.7×10-6，變化趨勢為先減小后增大，增大幅度為1.1×10-6。

綜合對比圖7—圖9并對3種煤樣的傳輸衰減與電導率關系進行比較發現，高變質程度煤的電導率和電導率增加幅度均小于低變質程度煤，說明了雷達波在穿透高變質程度煤時所造成的衰減更小，那是因為高變質程度煤結構較致密，孔隙較小，電導率低，對雷達波的吸收能力較弱。3種煤樣的電導率在不同的測試頻率和溫度下均呈現逐漸增大的趨勢，且溫度只影響電導率大小，不影響變化趨勢，說明了不同變質程度煤的電導率與測試頻率和溫度均呈正相關，即測試頻率和溫度越高，煤樣的電導率越大。因為煤體電導率越大，對電磁波的吸收能力越強，傳輸衰減越大[22]，探測能力越弱。所以在0～80 ℃條件下使用500～1 000 MHz的超寬帶雷達波穿透煤體進行探測時應選擇較低頻率，且探測頻率的選擇應隨著溫度升高而降低。

2.3 煤樣損耗角正切值變化特性

在0～80 ℃、500～1 000 MHz條件下，褐煤、長焰煤和貧瘦煤的損耗角正切值變化情況如圖10—圖12所示。

圖10 0～80 ℃、500～1 000 MHz下褐煤的損耗角正切值

圖11 0～80 ℃、500～1 000 MHz下長焰煤的損耗角正切值

圖12 0～80 ℃、500～1 000 MHz下貧瘦煤損耗角正切值

從圖10可看出，褐煤的損耗角正切值為2.11×10-2～3.96×10-2，隨著測試頻率的增大而持續增大，增長幅度為1.85×10-2，并且隨著溫度升高而增大。從圖11可看出，長焰煤的損耗角正切值為1.2×10-2～1.99×10-2，隨著溫度升高而增大，在測試頻率為500～775 MHz時呈下降趨勢，在775～1 000 MHz時呈上升趨勢，在下降和上升過程中呈階梯趨勢，同時出現多個極值點。從圖12可看出，在80 ℃以下時，貧瘦煤的損耗角正切值有很大一部分小于0，屬于無效值，故以在80℃情況下的分析結果代替整體分析結果，其損耗角正切值為5.03×10-4～3.96×10-3，隨著溫度升高而增大，且測試頻率在500～850 MHz時整體呈現下降趨勢，在850～1 000 MHz時，整體呈現上升趨勢，其間呈階梯趨勢，并出現多個極值點。

通過對比分析圖10—圖12可得，變質程度越高的煤損耗角正切值越小。對比3種煤樣損耗角正切值變化規律發現，3種煤樣的損耗角正切值均和溫度呈正相關，其中長焰煤和貧瘦煤的損耗角正切值隨著頻率增大呈現先減小、后增大的趨勢，褐煤的損耗角正切值則隨著頻率增大呈現始終增大的趨勢，這種現象說明了不同變質程度煤的損耗角正切值與溫度均呈正相關，而測試頻率不能很好地反映煤樣損耗角正切值的變化。因此，損耗角正切值不能作為超寬帶雷達波井下探測頻段選擇的指標。

3 結論

(1) 煤的相對介電常數隨著煤變質程度增大而增大，煤的電導率隨著煤變質程度增大而減小，煤的損耗角正切值隨著煤變質程度增大而減小。

(2) 不同變質程度煤樣的相對介電常數均隨測試頻率的增加而先減小，然后增大，再減小；與溫度呈正相關關系。電導率與測試頻率和溫度均呈正相關關系。損耗角正切值與溫度呈正相關關系，但測試頻率不能很好地反映損耗角正切值的變化。

(3) 根據3種煤電性參數在不同溫度與探測頻率下的變化規律，再綜合對比3種煤電性參數對超寬帶雷達波在煤中傳輸的影響，得出0～80 ℃條件下使用500～1 000 MHz超寬帶雷達波穿透煤體進行探測時選擇550～650 MHz頻率最佳，且探測頻率的選擇應隨著溫度升高而降低。