煤介電常數影響因素研究現狀范文

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《龍巖學院學報》2017年第5期

摘要：煤介電常數是研究電磁波在煤中傳播特性的重要參數為了更好的分析電磁波在煤中的傳播情況，完善和發展現有技術與煤電介質物理學的相關理論，通過國內外的文獻調研，系統分析和總結了煤介電常數影響因素的研究現狀，綜合論述了煤介電常數隨煤變質程度、水分、溫度、礦物質以及測試頻率的變化關系，指出了煤介電常數影響因素研究方法的不足以及預防礦井水災、火災的新發展方向。研究結果表明：影響煤介電常數的因素較多，通常分為主要因素和次要因素，在一定條件下，兩者之間可以實現動態變化或者相互轉換。

關鍵詞：煤；介電常數；介電性；煤礦安全；礦井火災

近年來隨著煤儲量的不斷減少以及煤需求量的不斷增加，煤大規模開采所帶來的地質災害、瓦斯災害、水災頻發，造成了大量的人員傷亡和財產損失。為了加強對煤的合理利用，減少煤對環境造成的污染，避免災害的發生，國內外研究學者開發了煤微波脫硫、礦井地質災害預警、煤礦孔中徑向裂隙探測、太赫茲成像雷達等技術，這些技術與電磁波在煤中的傳播特性密切相關，而傳播特性又主要取決于煤的介電性質，即煤復介電常數的實部和虛部[1-4]。因此，對影響煤介電常數的因素進行研究和分析，不僅可以對現有技術進行完善和發展，也能為煤礦安全高效開采提供一個新思路，開辟一個新途徑。

1變質程度對煤介電常數影響

低變質程度煤含有較多高介電常數的水和極性官能團，煤介電常數較大；隨煤變質程度的加深，煤中水分和極性官能團的含量減少，煤介電常數降低；進入無煙煤階段，載流子增多，內在水分增加，煤介電常數迅速增大。徐宏武等人發現1MHz頻率下，隨煤變質程度的升高，煤介電常數先減小后增大，其中煙煤階段煤介電常數變化較為平穩，無煙煤階段煤介電常數急速上升[5]；呂紹林等研究發現，低階煤介電常數較小，高階煤介電常數值較大，同一頻率下，煙煤介電常數是無煙煤的三分之一[6]；Marland等人發現，1組煤中低階煤和高階煤的介電常數值比中階煤高[7]；萬瓊芝等人認為煤碳含量大于88％后，煤介電常數會大幅度增加[8]；徐龍君等人發現鏡質組煤介電常數的實部和虛部均隨碳摩爾百分數的增大而增大[9]。但并非所有煤介電常數與變質程度的變化關系都符合上述情況。Marland等人就發現了2組煤介電常數與煤階的變化關系與1組煤不同[7]，一個可能的解釋是煤礦物含量和組成的顯著變化，掩蓋了煤階效應。

2水分對煤介電常數的影響

含有Ca2＋，Na＋，K＋等離子的水是一種呈溶液狀態存在于煤中的極性分子，水介電常數遠大于煤介電常數，煤中一部分極性官能團和礦物質可以被水溶解，成為大幅度增加煤介電常數的極性溶液。徐宏武等對8種原煤樣浸水60h后，發現各煤種的相對介電常數均有不同程度的上升，其中1MHz頻率下褐煤上升幅度最大，長焰煤次之，其它煤種增長微弱，160MHz頻率下焦煤和貧煤上升較快，瘦煤，無煙煤次之，氣煤，肥煤變化不明顯[5-8]；萬瓊芝對水分含量不同的4種褐煤進行干燥處理后，發現在1MHz測試頻率下干燥褐煤的介電常數幾乎一致[8]；Marland等在2．216GHz的測試頻率下用諧振腔法，對8種煤樣的介電常數實部進行測定，發現各煤樣的原煤介電常數均大于干燥煤的介電常數，干燥前低階煤具有較高的介電常數，干燥后低階煤介電常數降到最低，而高階煤的介電常數值在干燥前后都較大[7]；呂紹林等采用電容法，對10MHz測試頻率下的焦作無煙煤，鶴壁氣肥煤，平頂山氣肥煤進行測定，發現隨浸泡時間增長，焦作煤介電常數下降，鶴壁煤和平頂山煤微小幅度升高[6]；劉陵玉等采用空間自由法，發現110GHz下的煙煤，半無煙煤，無煙煤，煤介電常數實部和虛部均隨濕度的增加而單調遞增。以上實驗結果說明：一般情況下，低變質程度煤，極性官能團較多，孔隙率較高，吸水能力較強，煤介電常數受水分影響較大，中高變質程度煤，極性官能團較少，孔隙率較低，吸水能力較弱，煤介電常數受水分影響較微；水分雖然作用于煤介電常數，但并不是所有煤介電常數都隨濕度的增加而增加，測試頻率變化，同一種煤介電常數受濕度影響程度就有可能改變，同種變質程度煤，也可能因煤結構，煤組分，礦物質含量等原因，導致煤介電常數受濕度影響的結果截然相反。這說明了某些情況下，水不是影響煤介電常數的主因。

3溫度對煤介電常數的影響

溫度升高，一方面，改變了煤中的質點動能和極性分子動能，煤極化被破壞，煤介電常數降低；另一方面，煤中水分的蒸發也會使煤介電常數減小。Giuntini等使用阻抗分析儀測定10KHz下煤介電常數，發現220～380K范圍內，煤介電常數隨溫度升高而單調遞增[9-10]；Brach等采用電容法研究10kHz下的8種煤介電常數，發現100～400K升溫過程中，只有1種煤的介電常數呈現出了單調遞增趨勢，其它煤介電常數幾乎沒有改變[11]；徐宏武對1MHz下的褐煤，煙煤，無煙煤，從常溫加溫到120℃，發現煤相對介電常數隨溫度升高呈單調遞減趨勢，其中下降幅度最小的是煙煤；呂紹林等采用電容法測介電常數，發現從常溫加溫到100℃，10MHz下的煙煤，無煙煤介電常數均先降后升[6]；王晶晶等采用同軸傳輸法測量煙煤介電常數，發現炭化溫度為300、500、700℃時，煤復介電常數的實部和虛部均為0，炭化溫度為900℃時，實部和虛部值急劇增大[12]；Marland等采用諧振腔法，發現在40～180℃的升溫過程中煤介電常數大幅度下降，冷卻過程中煤介電常數值保持基本恒定[7]。以上實驗結果說明：通常情況下，水分含量較多的低階煤介電常數受溫度影響程度較大，水分含量較少的中高階煤介電常數受溫度影響程度較小；溫度雖對煤介電常數有所影響，但并不是溫度越高煤介電常數越小，一方面這與測試頻率有關，另一方面也與煤組分，礦物質以及高溫下煤結構的改變有關。這說明在一些情況下，溫度并不是影響煤介電常數的主要因素。

4礦物質對煤介電常數的影響

一般情況下，煤礦物質介電常數大于褐煤，煙煤有機質的介電常數，低于無煙煤有機質的介電常數。徐宏武等發現褐煤或煙煤的介電常數隨礦物質含量升高而增大，無煙煤介電常數隨礦物質含量升高而減小[5]；徐龍君等采用微擾法，發現高灰低變質無煙煤中黃鐵礦含量很少，石英，方解石含量較多，對煤進行脫礦處理后，脫礦樣的介電常數大于原煤樣[9]；高孟華等采用比較電容器電容量法發現黃鐵礦，高嶺石的介電常數較高，煤系伴生礦物質在15～55℃的升溫過程中，介電常數逐漸減小，55％～85％的加濕過程中，介電常數逐漸增大[13]；Marland等使用微波輻射時發現，黃鐵礦比測試煤樣表現出了更高的介電常數，而石英、白云石、方解石、云母、高嶺石的介電常數比中階煤低，比較60、180℃礦物質介電常數，發現溫度升高后，黃鐵礦、石英介電常數值增大，方解石、云母、高嶺石介電常數值降低[7]。以上實驗結果說明：煤礦物質的組成和含量對煤介電常數有較大作用；不同礦物質的煤介電常數受溫度和水分影響程度不同，同種礦物質的煤介電常數在不同的溫度和濕度區間，表現可能不同。這說明一定條件下，礦物質對煤介電常數的影響程度大于其它影響因素。

5測試頻率對煤介電常數的影響

外加電場作用下，煤極化現象的產生源于煤分子的轉向與規律排列。交變電場頻率越高，同向半周期越短，提供給煤分子轉向的時間越少，轉向難度加大，煤介電常數降低，頻率越高，介電常數越趨于穩定。徐宏武等人研究發現，變質程度不同的煤隨測試頻率升高，介電常數減小，低頻段表現分散，高頻段趨于一致，其中無煙煤變化最大；Giuntini等人發現5Hz～10MHz范圍內，煤介電常數實部呈緩慢單調遞減趨勢[10]；Brach等人發現在100～13000Hz范圍內，隨頻率升高，8種煤介電常數實部略有下降[11]；呂紹林等人發現在30MHz范圍內，煙煤和無煙煤介電常數均隨測試頻率升高而減小，2．5MHz以內下降速率極大；王晶晶等發現，在2～18GHz范圍內，900℃煙煤介電常數實部和虛部均單調遞減[12]；徐龍君等發現，在微波頻率范圍內，高灰低變質無煙煤介電常數隨頻率升高而減小；FanWei等人采用自由空間法對W波段的75～110GHz的煤介電性能進行研究，結果發現煙煤和無煙煤復介電常數的實部和虛部都隨頻率增加而明顯下降，無煙煤實部和虛部值高于煙煤；采用網絡分析儀系統和太赫茲時域光譜系統對超出W頻段的煤介電常數進行測定，結果表明，100～500GHz范圍內，隨頻率增加，煤介電常數實部單調遞減，虛部單調增加，且虛部變化較實部更為明顯，無煙煤實部變化幅度大于煙煤[3]；王昕采用太赫茲時域光譜技術測量了Ⅱ變質階段氣煤的介電常數，研究結果發現0．3～1．2THz范圍內，煤介電常數實部變化平穩，虛部單調遞增[14]。上述實驗結果說明，煤介電常數實部隨頻率升高而降低，頻率增大到一定程度，實部值保持相對穩定，煤介電常數虛部隨頻率的升高可能增加也可能減少。但這一關系不適用于所有煤。Marland等人就發現在0．615、1．413、2．216GHz測試頻率下煤介電常數幾乎沒有變化。這表示煤介電常數隨頻率的變化可能會受到煤化學，特別是煤階，礦物質組成和含量的影響。

6結語

1）學者對煤介電常數進行了大量的實驗研究，探討了煤變質程度、水分、溫度、礦物質及測試頻率對煤介電常數的影響，這些研究成果不但完善和發展了煤微波脫硫、礦井地質災害預警、煤礦孔中徑向裂隙探測、太赫茲成像雷達等技術，也對煤礦水害、瓦斯災害、地質災害的防治起到了很大的作用。

2）影響煤介電常數的因素較多，但實驗研究并未指明對煤介電常數影響最大的因素；一定條件下，影響煤介電常數的主要因素和次要因素可以實現動態變化或相互轉換，但缺乏相關技術和理論研究，具有一定的局限性。

3）煤介電常數的測試頻率雖已提高到了太赫茲段，實驗研究卻還處于初步階段。煤對太赫茲頻段電磁波有較強的衰減特性，煤樣的加工情況和測量介電常數的方法都會對實驗結果造成影響，但相應的標準還沒有形成。隨著太赫茲科學技術在煤礦安全探測領域的發展，高空間分辨率太赫茲成像技術的應用前景將十分廣闊。

4）煤介電常數測定大多是在室溫到120℃范圍內進行，而煤自燃溫度是300～350℃，涉及這個區間段的煤介電測量很少。

參考文獻：

［1］楊箋康，鄔紉云，程秀秀．煤的介電性質和脫硫的關系［J］．化學世界，1983（6）：184－185．

［2］劉陵玉，楊傳法，張獻生，等．太赫茲波段煤的濕度與介電特性關系［J］．煤炭學報，2016，41（2）：497－501.

［5］徐宏武．煤層電性參數測試及其與煤巖特性關系的研究［J］．煤炭科學技術，2005，33（3）：41－46．

［6］呂紹林，何繼善．瓦斯突出煤體的介電性質研究［J］．世界地質，1997，16（4）：42－46．

［8］萬瓊芝．煤的電阻率和相對介電常數［J］．礦業安全與環保，1982（1）：19-26．

［9］徐龍君，鮮學福，李曉紅，等．交變電場下白皎煤介電常數的實驗研究［J］．重慶大學學報，1998，21（3）：6.

［12］王晶晶，劉海玉，徐樑，等．生物質和煤炭化過程中的介電性能研究［J］．科學技術與工程，2016，16（14）：181－185．

［13］高孟華，章新喜，陳清如．煤系伴生礦物介電常數和摩擦帶電實驗研究［J］．中國礦業，2007，16（8）：106．

［14］王昕，苗曙光，丁恩杰．煤巖介質在太赫茲頻段的介電特性研究［J］．中國礦業大學學報，2016，45（4）：739－746．

作者：李芳；牛會永；李石林；朱豪 單位：湖南科技大學