本站小編為你精心準(zhǔn)備了煤介電常數(shù)影響因素研究現(xiàn)狀參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《龍巖學(xué)院學(xué)報(bào)》2017年第5期

摘要：煤介電常數(shù)是研究電磁波在煤中傳播特性的重要參數(shù)為了更好的分析電磁波在煤中的傳播情況，完善和發(fā)展現(xiàn)有技術(shù)與煤電介質(zhì)物理學(xué)的相關(guān)理論，通過國內(nèi)外的文獻(xiàn)調(diào)研，系統(tǒng)分析和總結(jié)了煤介電常數(shù)影響因素的研究現(xiàn)狀，綜合論述了煤介電常數(shù)隨煤變質(zhì)程度、水分、溫度、礦物質(zhì)以及測試頻率的變化關(guān)系，指出了煤介電常數(shù)影響因素研究方法的不足以及預(yù)防礦井水災(zāi)、火災(zāi)的新發(fā)展方向。研究結(jié)果表明：影響煤介電常數(shù)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化或者相互轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：煤；介電常數(shù)；介電性；煤礦安全；礦井火災(zāi)

近年來隨著煤儲(chǔ)量的不斷減少以及煤需求量的不斷增加，煤大規(guī)模開采所帶來的地質(zhì)災(zāi)害、瓦斯災(zāi)害、水災(zāi)頻發(fā)，造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了加強(qiáng)對(duì)煤的合理利用，減少煤對(duì)環(huán)境造成的污染，避免災(zāi)害的發(fā)生，國內(nèi)外研究學(xué)者開發(fā)了煤微波脫硫、礦井地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、煤礦孔中徑向裂隙探測、太赫茲成像雷達(dá)等技術(shù)，這些技術(shù)與電磁波在煤中的傳播特性密切相關(guān)，而傳播特性又主要取決于煤的介電性質(zhì)，即煤復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部[1-4]。因此，對(duì)影響煤介電常數(shù)的因素進(jìn)行研究和分析，不僅可以對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行完善和發(fā)展，也能為煤礦安全高效開采提供一個(gè)新思路，開辟一個(gè)新途徑。

1變質(zhì)程度對(duì)煤介電常數(shù)影響

低變質(zhì)程度煤含有較多高介電常數(shù)的水和極性官能團(tuán)，煤介電常數(shù)較大；隨煤變質(zhì)程度的加深，煤中水分和極性官能團(tuán)的含量減少，煤介電常數(shù)降低；進(jìn)入無煙煤階段，載流子增多，內(nèi)在水分增加，煤介電常數(shù)迅速增大。徐宏武等人發(fā)現(xiàn)1MHz頻率下，隨煤變質(zhì)程度的升高，煤介電常數(shù)先減小后增大，其中煙煤階段煤介電常數(shù)變化較為平穩(wěn)，無煙煤階段煤介電常數(shù)急速上升[5]；呂紹林等研究發(fā)現(xiàn)，低階煤介電常數(shù)較小，高階煤介電常數(shù)值較大，同一頻率下，煙煤介電常數(shù)是無煙煤的三分之一[6]；Marland等人發(fā)現(xiàn)，1組煤中低階煤和高階煤的介電常數(shù)值比中階煤高[7]；萬瓊芝等人認(rèn)為煤碳含量大于88％后，煤介電常數(shù)會(huì)大幅度增加[8]；徐龍君等人發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)組煤介電常數(shù)的實(shí)部和虛部均隨碳摩爾百分?jǐn)?shù)的增大而增大[9]。但并非所有煤介電常數(shù)與變質(zhì)程度的變化關(guān)系都符合上述情況。Marland等人就發(fā)現(xiàn)了2組煤介電常數(shù)與煤階的變化關(guān)系與1組煤不同[7]，一個(gè)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(yīng)。

2水分對(duì)煤介電常數(shù)的影響

含有Ca2＋，Na＋，K＋等離子的水是一種呈溶液狀態(tài)存在于煤中的極性分子，水介電常數(shù)遠(yuǎn)大于煤介電常數(shù)，煤中一部分極性官能團(tuán)和礦物質(zhì)可以被水溶解，成為大幅度增加煤介電常數(shù)的極性溶液。徐宏武等對(duì)8種原煤樣浸水60h后，發(fā)現(xiàn)各煤種的相對(duì)介電常數(shù)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(duì)水分含量不同的4種褐煤進(jìn)行干燥處理后，發(fā)現(xiàn)在1MHz測試頻率下干燥褐煤的介電常數(shù)幾乎一致[8]；Marland等在2．216GHz的測試頻率下用諧振腔法，對(duì)8種煤樣的介電常數(shù)實(shí)部進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)各煤樣的原煤介電常數(shù)均大于干燥煤的介電常數(shù)，干燥前低階煤具有較高的介電常數(shù)，干燥后低階煤介電常數(shù)降到最低，而高階煤的介電常數(shù)值在干燥前后都較大[7]；呂紹林等采用電容法，對(duì)10MHz測試頻率下的焦作無煙煤，鶴壁氣肥煤，平頂山氣肥煤進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)隨浸泡時(shí)間增長，焦作煤介電常數(shù)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(fā)現(xiàn)110GHz下的煙煤，半無煙煤，無煙煤，煤介電常數(shù)實(shí)部和虛部均隨濕度的增加而單調(diào)遞增。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：一般情況下，低變質(zhì)程度煤，極性官能團(tuán)較多，孔隙率較高，吸水能力較強(qiáng)，煤介電常數(shù)受水分影響較大，中高變質(zhì)程度煤，極性官能團(tuán)較少，孔隙率較低，吸水能力較弱，煤介電常數(shù)受水分影響較微；水分雖然作用于煤介電常數(shù)，但并不是所有煤介電常數(shù)都隨濕度的增加而增加，測試頻率變化，同一種煤介電常數(shù)受濕度影響程度就有可能改變，同種變質(zhì)程度煤，也可能因煤結(jié)構(gòu)，煤組分，礦物質(zhì)含量等原因，導(dǎo)致煤介電常數(shù)受濕度影響的結(jié)果截然相反。這說明了某些情況下，水不是影響煤介電常數(shù)的主因。

3溫度對(duì)煤介電常數(shù)的影響

溫度升高，一方面，改變了煤中的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能和極性分子動(dòng)能，煤極化被破壞，煤介電常數(shù)降低；另一方面，煤中水分的蒸發(fā)也會(huì)使煤介電常數(shù)減小。Giuntini等使用阻抗分析儀測定10KHz下煤介電常數(shù)，發(fā)現(xiàn)220～380K范圍內(nèi)，煤介電常數(shù)隨溫度升高而單調(diào)遞增[9-10]；Brach等采用電容法研究10kHz下的8種煤介電常數(shù)，發(fā)現(xiàn)100～400K升溫過程中，只有1種煤的介電常數(shù)呈現(xiàn)出了單調(diào)遞增趨勢，其它煤介電常數(shù)幾乎沒有改變[11]；徐宏武對(duì)1MHz下的褐煤，煙煤，無煙煤，從常溫加溫到120℃，發(fā)現(xiàn)煤相對(duì)介電常數(shù)隨溫度升高呈單調(diào)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(shù)，發(fā)現(xiàn)從常溫加溫到100℃，10MHz下的煙煤，無煙煤介電常數(shù)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(shù)，發(fā)現(xiàn)炭化溫度為300、500、700℃時(shí)，煤復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部均為0，炭化溫度為900℃時(shí)，實(shí)部和虛部值急劇增大[12]；Marland等采用諧振腔法，發(fā)現(xiàn)在40～180℃的升溫過程中煤介電常數(shù)大幅度下降，冷卻過程中煤介電常數(shù)值保持基本恒定[7]。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：通常情況下，水分含量較多的低階煤介電常數(shù)受溫度影響程度較大，水分含量較少的中高階煤介電常數(shù)受溫度影響程度較小；溫度雖對(duì)煤介電常數(shù)有所影響，但并不是溫度越高煤介電常數(shù)越小，一方面這與測試頻率有關(guān)，另一方面也與煤組分，礦物質(zhì)以及高溫下煤結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。這說明在一些情況下，溫度并不是影響煤介電常數(shù)的主要因素。

4礦物質(zhì)對(duì)煤介電常數(shù)的影響

一般情況下，煤礦物質(zhì)介電常數(shù)大于褐煤，煙煤有機(jī)質(zhì)的介電常數(shù)，低于無煙煤有機(jī)質(zhì)的介電常數(shù)。徐宏武等發(fā)現(xiàn)褐煤或煙煤的介電常數(shù)隨礦物質(zhì)含量升高而增大，無煙煤介電常數(shù)隨礦物質(zhì)含量升高而減小[5]；徐龍君等采用微擾法，發(fā)現(xiàn)高灰低變質(zhì)無煙煤中黃鐵礦含量很少，石英，方解石含量較多，對(duì)煤進(jìn)行脫礦處理后，脫礦樣的介電常數(shù)大于原煤樣[9]；高孟華等采用比較電容器電容量法發(fā)現(xiàn)黃鐵礦，高嶺石的介電常數(shù)較高，煤系伴生礦物質(zhì)在15～55℃的升溫過程中，介電常數(shù)逐漸減小，55％～85％的加濕過程中，介電常數(shù)逐漸增大[13]；Marland等使用微波輻射時(shí)發(fā)現(xiàn)，黃鐵礦比測試煤樣表現(xiàn)出了更高的介電常數(shù)，而石英、白云石、方解石、云母、高嶺石的介電常數(shù)比中階煤低，比較60、180℃礦物質(zhì)介電常數(shù)，發(fā)現(xiàn)溫度升高后，黃鐵礦、石英介電常數(shù)值增大，方解石、云母、高嶺石介電常數(shù)值降低[7]。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：煤礦物質(zhì)的組成和含量對(duì)煤介電常數(shù)有較大作用；不同礦物質(zhì)的煤介電常數(shù)受溫度和水分影響程度不同，同種礦物質(zhì)的煤介電常數(shù)在不同的溫度和濕度區(qū)間，表現(xiàn)可能不同。這說明一定條件下，礦物質(zhì)對(duì)煤介電常數(shù)的影響程度大于其它影響因素。

5測試頻率對(duì)煤介電常數(shù)的影響

外加電場作用下，煤極化現(xiàn)象的產(chǎn)生源于煤分子的轉(zhuǎn)向與規(guī)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(zhuǎn)向的時(shí)間越少，轉(zhuǎn)向難度加大，煤介電常數(shù)降低，頻率越高，介電常數(shù)越趨于穩(wěn)定。徐宏武等人研究發(fā)現(xiàn)，變質(zhì)程度不同的煤隨測試頻率升高，介電常數(shù)減小，低頻段表現(xiàn)分散，高頻段趨于一致，其中無煙煤變化最大；Giuntini等人發(fā)現(xiàn)5Hz～10MHz范圍內(nèi)，煤介電常數(shù)實(shí)部呈緩慢單調(diào)遞減趨勢[10]；Brach等人發(fā)現(xiàn)在100～13000Hz范圍內(nèi)，隨頻率升高，8種煤介電常數(shù)實(shí)部略有下降[11]；呂紹林等人發(fā)現(xiàn)在30MHz范圍內(nèi)，煙煤和無煙煤介電常數(shù)均隨測試頻率升高而減小，2．5MHz以內(nèi)下降速率極大；王晶晶等發(fā)現(xiàn)，在2～18GHz范圍內(nèi)，900℃煙煤介電常數(shù)實(shí)部和虛部均單調(diào)遞減[12]；徐龍君等發(fā)現(xiàn)，在微波頻率范圍內(nèi)，高灰低變質(zhì)無煙煤介電常數(shù)隨頻率升高而減小；FanWei等人采用自由空間法對(duì)W波段的75～110GHz的煤介電性能進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙煤和無煙煤復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部都隨頻率增加而明顯下降，無煙煤實(shí)部和虛部值高于煙煤；采用網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)和太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)超出W頻段的煤介電常數(shù)進(jìn)行測定，結(jié)果表明，100～500GHz范圍內(nèi)，隨頻率增加，煤介電常數(shù)實(shí)部單調(diào)遞減，虛部單調(diào)增加，且虛部變化較實(shí)部更為明顯，無煙煤實(shí)部變化幅度大于煙煤[3]；王昕采用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)測量了Ⅱ變質(zhì)階段氣煤的介電常數(shù)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)0．3～1．2THz范圍內(nèi)，煤介電常數(shù)實(shí)部變化平穩(wěn)，虛部單調(diào)遞增[14]。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，煤介電常數(shù)實(shí)部隨頻率升高而降低，頻率增大到一定程度，實(shí)部值保持相對(duì)穩(wěn)定，煤介電常數(shù)虛部隨頻率的升高可能增加也可能減少。但這一關(guān)系不適用于所有煤。Marland等人就發(fā)現(xiàn)在0．615、1．413、2．216GHz測試頻率下煤介電常數(shù)幾乎沒有變化。這表示煤介電常數(shù)隨頻率的變化可能會(huì)受到煤化學(xué)，特別是煤階，礦物質(zhì)組成和含量的影響。

6結(jié)語

1）學(xué)者對(duì)煤介電常數(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，探討了煤變質(zhì)程度、水分、溫度、礦物質(zhì)及測試頻率對(duì)煤介電常數(shù)的影響，這些研究成果不但完善和發(fā)展了煤微波脫硫、礦井地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、煤礦孔中徑向裂隙探測、太赫茲成像雷達(dá)等技術(shù)，也對(duì)煤礦水害、瓦斯災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害的防治起到了很大的作用。

2）影響煤介電常數(shù)的因素較多，但實(shí)驗(yàn)研究并未指明對(duì)煤介電常數(shù)影響最大的因素；一定條件下，影響煤介電常數(shù)的主要因素和次要因素可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化或相互轉(zhuǎn)換，但缺乏相關(guān)技術(shù)和理論研究，具有一定的局限性。

3）煤介電常數(shù)的測試頻率雖已提高到了太赫茲段，實(shí)驗(yàn)研究卻還處于初步階段。煤對(duì)太赫茲頻段電磁波有較強(qiáng)的衰減特性，煤樣的加工情況和測量介電常數(shù)的方法都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，但相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)還沒有形成。隨著太赫茲科學(xué)技術(shù)在煤礦安全探測領(lǐng)域的發(fā)展，高空間分辨率太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用前景將十分廣闊。

4）煤介電常數(shù)測定大多是在室溫到120℃范圍內(nèi)進(jìn)行，而煤自燃溫度是300～350℃，涉及這個(gè)區(qū)間段的煤介電測量很少。

參考文獻(xiàn)：

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

［2］劉陵玉，楊傳法，張獻(xiàn)生，等．太赫茲波段煤的濕度與介電特性關(guān)系［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（2）：497－501.

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

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

［8］萬瓊芝．煤的電阻率和相對(duì)介電常數(shù)［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，1982（1）：19-26．

［9］徐龍君，鮮學(xué)福，李曉紅，等．交變電場下白皎煤介電常數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［J］．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，21（3）：6.

［12］王晶晶，劉海玉，徐樑，等．生物質(zhì)和煤炭化過程中的介電性能研究［J］．科學(xué)技術(shù)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(shù)和摩擦帶電實(shí)驗(yàn)研究［J］．中國礦業(yè)，2007，16（8）：106．

［14］王昕，苗曙光，丁恩杰．煤巖介質(zhì)在太赫茲頻段的介電特性研究［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，45（4）：739－746．

作者：李芳；牛會(huì)永；李石林；朱豪 單位：湖南科技大學(xué)