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煤介电常数影响因素研究现状

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《龙岩学院学报》2017年第5期

摘要:煤介电常数是研究电磁波在煤中传播特性的重要参数为了更好的分析电磁波在煤中的传播情况,完善和发展现有技术与煤电介质物理学的相关理论,通过国内外的文献调研,系统分析和总结了煤介电常数影响因素的研究现状,综合论述了煤介电常数随煤变质程度、水分、温度、矿物质以及测试频率的变化关系,指出了煤介电常数影响因素研究方法的不足以及预防矿井水灾、火灾的新发展方向。研究结果表明:影响煤介电常数的因素较多,通常分为主要因素和次要因素,在一定条件下,两者之间可以实现动态变化或者相互转换。

关键词:煤;介电常数;介电性;煤矿安全;矿井火灾

近年来随着煤储量的不断减少以及煤需求量的不断增加,煤大规模开采所带来的地质灾害、瓦斯灾害、水灾频发,造成了大量的人员伤亡和财产损失。为了加强对煤的合理利用,减少煤对环境造成的污染,避免灾害的发生,国内外研究学者开发了煤微波脱硫、矿井地质灾害预警、煤矿孔中径向裂隙探测、太赫兹成像雷达等技术,这些技术与电磁波在煤中的传播特性密切相关,而传播特性又主要取决于煤的介电性质,即煤复介电常数的实部和虚部[1-4]。因此,对影响煤介电常数的因素进行研究和分析,不仅可以对现有技术进行完善和发展,也能为煤矿安全高效开采提供一个新思路,开辟一个新途径。

1变质程度对煤介电常数影响

低变质程度煤含有较多高介电常数的水和极性官能团,煤介电常数较大;随煤变质程度的加深,煤中水分和极性官能团的含量减少,煤介电常数降低;进入无烟煤阶段,载流子增多,内在水分增加,煤介电常数迅速增大。徐宏武等人发现1MHz频率下,随煤变质程度的升高,煤介电常数先减小后增大,其中烟煤阶段煤介电常数变化较为平稳,无烟煤阶段煤介电常数急速上升[5];吕绍林等研究发现,低阶煤介电常数较小,高阶煤介电常数值较大,同一频率下,烟煤介电常数是无烟煤的三分之一[6];Marland等人发现,1组煤中低阶煤和高阶煤的介电常数值比中阶煤高[7];万琼芝等人认为煤碳含量大于88%后,煤介电常数会大幅度增加[8];徐龙君等人发现镜质组煤介电常数的实部和虚部均随碳摩尔百分数的增大而增大[9]。但并非所有煤介电常数与变质程度的变化关系都符合上述情况。Marland等人就发现了2组煤介电常数与煤阶的变化关系与1组煤不同[7],一个可能的解释是煤矿物含量和组成的显著变化,掩盖了煤阶效应。

2水分对煤介电常数的影响

含有Ca2+,Na+,K+等离子的水是一种呈溶液状态存在于煤中的极性分子,水介电常数远大于煤介电常数,煤中一部分极性官能团和矿物质可以被水溶解,成为大幅度增加煤介电常数的极性溶液。徐宏武等对8种原煤样浸水60h后,发现各煤种的相对介电常数均有不同程度的上升,其中1MHz频率下褐煤上升幅度最大,长焰煤次之,其它煤种增长微弱,160MHz频率下焦煤和贫煤上升较快,瘦煤,无烟煤次之,气煤,肥煤变化不明显[5-8];万琼芝对水分含量不同的4种褐煤进行干燥处理后,发现在1MHz测试频率下干燥褐煤的介电常数几乎一致[8];Marland等在2.216GHz的测试频率下用谐振腔法,对8种煤样的介电常数实部进行测定,发现各煤样的原煤介电常数均大于干燥煤的介电常数,干燥前低阶煤具有较高的介电常数,干燥后低阶煤介电常数降到最低,而高阶煤的介电常数值在干燥前后都较大[7];吕绍林等采用电容法,对10MHz测试频率下的焦作无烟煤,鹤壁气肥煤,平顶山气肥煤进行测定,发现随浸泡时间增长,焦作煤介电常数下降,鹤壁煤和平顶山煤微小幅度升高[6];刘陵玉等采用空间自由法,发现110GHz下的烟煤,半无烟煤,无烟煤,煤介电常数实部和虚部均随湿度的增加而单调递增。以上实验结果说明:一般情况下,低变质程度煤,极性官能团较多,孔隙率较高,吸水能力较强,煤介电常数受水分影响较大,中高变质程度煤,极性官能团较少,孔隙率较低,吸水能力较弱,煤介电常数受水分影响较微;水分虽然作用于煤介电常数,但并不是所有煤介电常数都随湿度的增加而增加,测试频率变化,同一种煤介电常数受湿度影响程度就有可能改变,同种变质程度煤,也可能因煤结构,煤组分,矿物质含量等原因,导致煤介电常数受湿度影响的结果截然相反。这说明了某些情况下,水不是影响煤介电常数的主因。

3温度对煤介电常数的影响

温度升高,一方面,改变了煤中的质点动能和极性分子动能,煤极化被破坏,煤介电常数降低;另一方面,煤中水分的蒸发也会使煤介电常数减小。Giuntini等使用阻抗分析仪测定10KHz下煤介电常数,发现220~380K范围内,煤介电常数随温度升高而单调递增[9-10];Brach等采用电容法研究10kHz下的8种煤介电常数,发现100~400K升温过程中,只有1种煤的介电常数呈现出了单调递增趋势,其它煤介电常数几乎没有改变[11];徐宏武对1MHz下的褐煤,烟煤,无烟煤,从常温加温到120℃,发现煤相对介电常数随温度升高呈单调递减趋势,其中下降幅度最小的是烟煤;吕绍林等采用电容法测介电常数,发现从常温加温到100℃,10MHz下的烟煤,无烟煤介电常数均先降后升[6];王晶晶等采用同轴传输法测量烟煤介电常数,发现炭化温度为300、500、700℃时,煤复介电常数的实部和虚部均为0,炭化温度为900℃时,实部和虚部值急剧增大[12];Marland等采用谐振腔法,发现在40~180℃的升温过程中煤介电常数大幅度下降,冷却过程中煤介电常数值保持基本恒定[7]。以上实验结果说明:通常情况下,水分含量较多的低阶煤介电常数受温度影响程度较大,水分含量较少的中高阶煤介电常数受温度影响程度较小;温度虽对煤介电常数有所影响,但并不是温度越高煤介电常数越小,一方面这与测试频率有关,另一方面也与煤组分,矿物质以及高温下煤结构的改变有关。这说明在一些情况下,温度并不是影响煤介电常数的主要因素。

4矿物质对煤介电常数的影响

一般情况下,煤矿物质介电常数大于褐煤,烟煤有机质的介电常数,低于无烟煤有机质的介电常数。徐宏武等发现褐煤或烟煤的介电常数随矿物质含量升高而增大,无烟煤介电常数随矿物质含量升高而减小[5];徐龙君等采用微扰法,发现高灰低变质无烟煤中黄铁矿含量很少,石英,方解石含量较多,对煤进行脱矿处理后,脱矿样的介电常数大于原煤样[9];高孟华等采用比较电容器电容量法发现黄铁矿,高岭石的介电常数较高,煤系伴生矿物质在15~55℃的升温过程中,介电常数逐渐减小,55%~85%的加湿过程中,介电常数逐渐增大[13];Marland等使用微波辐射时发现,黄铁矿比测试煤样表现出了更高的介电常数,而石英、白云石、方解石、云母、高岭石的介电常数比中阶煤低,比较60、180℃矿物质介电常数,发现温度升高后,黄铁矿、石英介电常数值增大,方解石、云母、高岭石介电常数值降低[7]。以上实验结果说明:煤矿物质的组成和含量对煤介电常数有较大作用;不同矿物质的煤介电常数受温度和水分影响程度不同,同种矿物质的煤介电常数在不同的温度和湿度区间,表现可能不同。这说明一定条件下,矿物质对煤介电常数的影响程度大于其它影响因素。

5测试频率对煤介电常数的影响

外加电场作用下,煤极化现象的产生源于煤分子的转向与规律排列。交变电场频率越高,同向半周期越短,提供给煤分子转向的时间越少,转向难度加大,煤介电常数降低,频率越高,介电常数越趋于稳定。徐宏武等人研究发现,变质程度不同的煤随测试频率升高,介电常数减小,低频段表现分散,高频段趋于一致,其中无烟煤变化最大;Giuntini等人发现5Hz~10MHz范围内,煤介电常数实部呈缓慢单调递减趋势[10];Brach等人发现在100~13000Hz范围内,随频率升高,8种煤介电常数实部略有下降[11];吕绍林等人发现在30MHz范围内,烟煤和无烟煤介电常数均随测试频率升高而减小,2.5MHz以内下降速率极大;王晶晶等发现,在2~18GHz范围内,900℃烟煤介电常数实部和虚部均单调递减[12];徐龙君等发现,在微波频率范围内,高灰低变质无烟煤介电常数随频率升高而减小;FanWei等人采用自由空间法对W波段的75~110GHz的煤介电性能进行研究,结果发现烟煤和无烟煤复介电常数的实部和虚部都随频率增加而明显下降,无烟煤实部和虚部值高于烟煤;采用网络分析仪系统和太赫兹时域光谱系统对超出W频段的煤介电常数进行测定,结果表明,100~500GHz范围内,随频率增加,煤介电常数实部单调递减,虚部单调增加,且虚部变化较实部更为明显,无烟煤实部变化幅度大于烟煤[3];王昕采用太赫兹时域光谱技术测量了Ⅱ变质阶段气煤的介电常数,研究结果发现0.3~1.2THz范围内,煤介电常数实部变化平稳,虚部单调递增[14]。上述实验结果说明,煤介电常数实部随频率升高而降低,频率增大到一定程度,实部值保持相对稳定,煤介电常数虚部随频率的升高可能增加也可能减少。但这一关系不适用于所有煤。Marland等人就发现在0.615、1.413、2.216GHz测试频率下煤介电常数几乎没有变化。这表示煤介电常数随频率的变化可能会受到煤化学,特别是煤阶,矿物质组成和含量的影响。

6结语

1)学者对煤介电常数进行了大量的实验研究,探讨了煤变质程度、水分、温度、矿物质及测试频率对煤介电常数的影响,这些研究成果不但完善和发展了煤微波脱硫、矿井地质灾害预警、煤矿孔中径向裂隙探测、太赫兹成像雷达等技术,也对煤矿水害、瓦斯灾害、地质灾害的防治起到了很大的作用。

2)影响煤介电常数的因素较多,但实验研究并未指明对煤介电常数影响最大的因素;一定条件下,影响煤介电常数的主要因素和次要因素可以实现动态变化或相互转换,但缺乏相关技术和理论研究,具有一定的局限性。

3)煤介电常数的测试频率虽已提高到了太赫兹段,实验研究却还处于初步阶段。煤对太赫兹频段电磁波有较强的衰减特性,煤样的加工情况和测量介电常数的方法都会对实验结果造成影响,但相应的标准还没有形成。随着太赫兹科学技术在煤矿安全探测领域的发展,高空间分辨率太赫兹成像技术的应用前景将十分广阔。

4)煤介电常数测定大多是在室温到120℃范围内进行,而煤自燃温度是300~350℃,涉及这个区间段的煤介电测量很少。

参考文献:

[1]杨笺康,邬纫云,程秀秀.煤的介电性质和脱硫的关系[J].化学世界,1983(6):184-185.

[2]刘陵玉,杨传法,张献生,等.太赫兹波段煤的湿度与介电特性关系[J].煤炭学报,2016,41(2):497-501.

[5]徐宏武.煤层电性参数测试及其与煤岩特性关系的研究[J].煤炭科学技术,2005,33(3):41-46.

[6]吕绍林,何继善.瓦斯突出煤体的介电性质研究[J].世界地质,1997,16(4):42-46.

[8]万琼芝.煤的电阻率和相对介电常数[J].矿业安全与环保,1982(1):19-26.

[9]徐龙君,鲜学福,李晓红,等.交变电场下白皎煤介电常数的实验研究[J].重庆大学学报,1998,21(3):6.

[12]王晶晶,刘海玉,徐樑,等.生物质和煤炭化过程中的介电性能研究[J].科学技术与工程,2016,16(14):181-185.

[13]高孟华,章新喜,陈清如.煤系伴生矿物介电常数和摩擦带电实验研究[J].中国矿业,2007,16(8):106.

[14]王昕,苗曙光,丁恩杰.煤岩介质在太赫兹频段的介电特性研究[J].中国矿业大学学报,2016,45(4):739-746.

作者:李芳;牛会永;李石林;朱豪 单位:湖南科技大学

龙岩学院学报责任编辑:张雨    阅读:人次