不同变质程度煤介电常数特性

郑学召 赵炬 张铎

摘 要：为了研究煤的介电常数随变质程度与测试频率之间的关系，通过Concept 80宽带介电谱测试系统测试在0.1～1.0 GHz频段范围内褐煤、长焰煤、气煤、贫瘦煤和无烟煤的介电常数。结果表明：不同变质程度煤的介电常数随测试频率的增加先减小后增加，测试频率在0.3 GHz左右时介电常数值最小，在1.0 GHz附近介电常数值最大;同一测试频率下，贫瘦煤的介电常数最大，依次为褐煤、气煤、长焰煤，无烟煤的介电常数最小。此外，通过5E-MAG6700全自动工业分析仪来研究煤介电常数随变质程度的内在因素，可以发现，煤的水分含量、含碳量和灰分含量对其介电常数有一定的影响，但不是决定因素，以上结论对于超宽带电磁波在煤层中传播的实验频段选择和对井下被困人员超宽带雷达生命信息钻孔探测具有一定指导意义。

关键词：介电常数;宽带介电谱测试;工业分析;煤变质程度;测试频率中图分类号：TD 76

文献标志码：A

Abstract：In order to study the relationship between the permittivity of coal with the degree of deterioration and the test frequency，the permittivity of lignite，long-flame coal，gas coal，lean coal and anthracite in the range of 0.1～1.0 GHz frequency range were tested with the Concept 80 Broadband Dielectric Spectrum Test System.The results show that the permittivity decreases first and then increases with the increase of test frequency.When the test frequency is around 0.3 GHz，the dielectric constant value is the lowest，and the dielectric constant value is the highest around 1.0 GHz.At the same test frequency，the permittivity of lean coal was the largest，followed by lignite，gas coal and long flame coal，and the permittivity of anthracite was the smallest.In addition，through the 5e-mag 6700 full-automatic industrial analyzer，the internal factors of the coal permittivity with the degree of deterioration are studied.According to the industrial analysis，the moisture content，carbon content and ash content of the coal have certain influence on the permittivity，but it was not the decisive factor.This conclusion has certain guiding significance for the selection of experimental frequency band of electromagnetic wave propagation in coal seam and for the borehole detection of UWB radar life information of downhole people trapped.Key words：dielectric constant;broadband dielectric spectrum test;proximate analysis;coalmetamorphism;measurement frequency

0 引 言

近年来，我国煤矿灾害事故时有发生，在一些灾害事故中，由于巷道的坍塌和阻塞，导致救援人员无法进入井下救援，只能采取地面打钻的方式进行救援。在钻孔救援过程中，也有可能出现钻孔打偏或钻孔附近的巷道发生坍塌，因此，需要一种通过穿透煤（岩）体对被困矿工进行精确定位的生命信息探测技术，而目前的大多数钻孔生命探测技术（光学生命信息探测、红外生命信息探测、气体生命信息探测等）不具备穿透性，超宽带电磁波生命信息探测技术具有很强的穿透性[1]，并且具备很高精确性和超强的抗干扰性[2-4]，对煤矿灾害救援具有重大意义。介电常数是超宽带电磁波在煤（岩）体中传播特性的主要物理参数[5]，研究煤的介电常数可以揭示出超宽带电磁波在煤（岩）体中的传播参数。一般情况下，不同变质程度的煤都具有一定的极化和导电性能[6]，煤的介电性质通常以介电常数来体现，它是描述介质在外电场作用下极化程度的物理量[7]。在交变电场作用下，煤的介电常数εr为复数形式，是指介电常数ε与真空中介电常数ε0的比值，根据文献[8]可知，复介电常数εr

从以上性质可看出，频率和电导率对介电常数有一定的影响。文中主要针对频率对介电常数的影响进行实验研究。目前关于煤介电常数的影响因素已经做了大量的研究工作。徐宏武对煤层电性参数进行了实验测试和研究，研究内容为测试频率是在1 MHz和160 MHz下研究不同变质程度、温度、湿度以及测试频率对煤层电性参数的影响[10];徐龙君对交变电场下白皎煤介电常数进行了实验研究，研究测试频率在2.45 GHz和9.35 GHz下，白皎煤介电常数的变化关系，并且对煤中碳原子摩尔分数、孔隙体积和矿物质等对介电常数的影响进行了深入的研究分析[8];朱红青对煤介电常数测量技术进行研究，指出了目前煤介电常数测量方法的不足，为今后研究及发展趋势提出了建议和意见[11];冯秀梅等通过对无烟煤和烟煤在2～18 GHz微波频段范围内介电性质的变化规律进行研究发现，无烟煤的介电常数大于烟煤的介电常数[12]。还有学者讨论发现，随着煤变质程度的增大，煤中自由电子的数量就越多，并且其活动性也越强，它的介电常数就越大[13-15];Nelson等的研究内容是煤粉介电性质与测试频率的关系，通过研究结果发现，煤粉介电常数随频率的降低而增加[16]。Gi-nutini等对不同煤样的介电常数与温度的变化规律进行了深入地研究[17]，测试频率在0.2～0.4 MHz频段内，温度越高，不同煤樣的介电常数越大。目前，关于煤介电常数的研究主要集中在变质程度、水分、灰分和矿物质含量等因素，但其研究对象主要为无烟煤和褐煤，针对其他煤种的介电常数的研究较少，而且研究手段多为固定频率研究，也有一些学者的研究手段是在一定的频率段中，但其频率段没有在超宽带频率范围内，这使得对于煤相对介电常数随变质频率变化的规律研究有一定局限性。因此，通过实验测试对不同变质程度煤（褐煤、长焰煤、气煤、贫瘦煤和无烟煤）的介电常数进行研究，测试频率是在0.1～1.0 GHz频段范围内，不同变质程度煤的介电常数与频率的变化规律，并且分析煤的工业组分和元素对煤相对介电常数的影响。

1 实 验

1.1 煤样制备本实验选取5种不同变质程度的煤进行测试，分别为：褐煤（1#）、长焰煤（2#）、气煤（3#）、贫瘦煤（4#）和无烟煤（5#）。首先，将新鲜的煤样破碎后，筛选出直径

≤0.074 mm的煤粉;然后称取一定质量的煤粉放入压片机中，将不同变质程度的煤样都制成直经为12.8 mm，厚度为1 mm的圆形薄煤片;最后，把导电銀胶均匀地涂在圆形煤样薄片的两侧，等到圆形煤样薄片两层的银胶晾干后开始进行实验测试。

1.2 煤的工业分析和元素分析将新鲜煤样破碎后筛选出直径≤0.074 mm的煤粉，隔绝氧气保存。煤的工业组分和元素分析采用的实验设备为5E-MAG6700全自动工业分析仪分析，通过该实验设备测定煤样中工业组分：水分（Mad）、灰分（Aad）、挥发分（Vad）、固定碳（FCad）的质量百分数以及测定煤样中的C，H，O，N，S元素含量。1#，2#，3#，4#和5#煤样的工业分析和部分元素分析结果见表1.

1.3 煤样的测试目前已有的测量方法包括传输反射法、数字电桥法、谐振电路法和微波法等[18-21]。由于交流阻抗测量法具有测量精度高、测量简便等优点，因此，本实验采用的测量方法是交流阻抗测量法，采用测试仪器是E4991A阻抗分析仪。首先，将圆形煤样两层与正负电极接触，通过测试正负电极的电势差和流过煤样的电流，将所得到的电势差除以流过样品间的电流，从而得出样品的相位角和复阻抗[22];然后通过容抗、感抗以及耗散因子等物理量之间公式的转换关系，从而得出耗散因数、电抗、电容等物理参数;根据文献[9]可知，煤的相对介电常数ε′可表示为

2 结果分析通过origin绘制图煤的介电常数与测试频率的关系，结果如图2～6所示。

从图2～6可以看出，1#，2#，3#，4#和5#煤样的介电常数均随测试频率的增加先减小后增加，并且测试频率在0.3GHz左右，5种不同变质程度煤的介电常数均达到最小，最大为4#（3.70），依次是1#（3.49）、3#（3.27）、2#（2.99），最小为5#（2.94）;测试频率在1 GHz左右，5种不同变质程度的煤介电常数值均达到最大，其中4#（3.86）、1#（3.63）、3#（3.40）、2#（3.12）、5#（3.06）;在同一测试频率下，4#煤样的介电常数值最大，随后是1#，3#，2#，5#;5#的变质程度最大，但其介电常数最小。为了研究煤介电常数与变质程度的变化关系，对煤的工业组分和元素分析进行了深入地研究，由于煤的介电常数受水分、灰分和挥发分等因素影响[23-25]，5种不同变质程度煤的介电常数值差异较大。水分是煤介电常数的影响因素之一，从表1可以看出，除4#外，煤中水分的含量随煤的变质程度增大而减小，1#，2#水分含量比其他3种煤样高出很多;4#的水分含量最低，但其介电常数最大，这是由于4#本身就存在自由电子可以进行导电，而且4#煤样的孔隙率较小，充填的空气相对其他煤样较少（空气的介电常数小于煤的介电常数），因此，其介电常数较大[9];1#的介电常数次之，这是由于1#的水分含量最高，孔隙中的水溶液可以溶解大量的矿物质，形成水溶液离子进行导电。因此，水分对煤的介电常数有很大的影响。已有研究表明，煤的含碳量越高，介电常数越小[26]，5#的含碳量最大，依次是2#，3#，4#，1#，因此，含碳量是导致5#的介电常数最小的原因之一。1#，3#，2#，5#遵循含碳量越高，介电常数越小的变化规律。根据文献[23]可知，煤的灰分越高，煤的介电常数越大。1#的灰分最大，而后是4#，3#，2#和5#，结合这5种煤样的介电常数大小关系可得，除4#外（由于其受其他因素的影响，介电常数始终相较于其他煤样最大），1#，3#，2#，5#遵循灰分含量越高，煤的介电常数越大的变化规律，由此可得，煤的介电常数受灰分的影响。

3 结 论

1）煤相对介电常数随测试频率的增加先减小后增大;测试频率在300 MHz左右介电常数均达到最小，1#为3.49，2#为2.99，3#为3.27，4#为3.70、5#为2.94;测试频率在1.0 GHz左右介电常数达到最大，1#为3.63，2#为3.12，3#为3.40，4#为3.86，5#为3.06.在同一测试频率下，5#的介电常数最小，然后依次为2#，3#，1#，4#.

2）除4#外，1#，3#，2#，5#随着煤灰分含量增加，介电常数增大;并且也遵循煤的含碳量越高，介电常数越小的变化规律;煤中所含的水分、灰分和含碳量都是介电常数的影响因素之一，但不是决定因素的。

3）研究对于超宽带电磁波在煤层中传播的实验频段选择和对井下遇险人员超宽带雷达生命信息钻孔探测具有一定指导意义，为煤矿灾害救援提供了理论依据。

参考文献（References）：

[1] 文 虎，张 铎，郑学召.矿山钻孔救援生命探测技术研究进展及趋势[J].煤矿安全，2017，48（9）：85-88.WEN Hu，ZHANG Duo，ZHENG Xue-zhao.Research progress and trend of life detection technology of drilling and rescue in mine[J].Journal of Coal Mine Safety，2017，48（9）：85-88.

[2]Greneker G.Very low cost stand-off suicide bomber detection system using human gait analysis to screen potential bomb carrying individuals[C]//The International Society for Optical Engineering of SPIE-Proceeding.Orlando，FL，USA，2005，5788：45-56.

[3]Chaleb A，Vignaud L，Nicolas J M.Micro-doppler analysis of pedestrians in ISAR imaging[J].IEEE Radar Conference Rome，2008：1-5.

[4]Smith G E，Woodbridge K，Baker C J.Micro-doppler signature classification[C]//Shanghai：IEEE International Conference on Radar，2006.

[5]徐宏武.煤層电性参数的测试和研究[J].煤田地质与勘探，1996（2）：53-56.XU Hong-wu.Test and research on coal seam electrical parameters[J].Journal of Coalfield Geology and Exploration，1996（2）：53-56.

[6]马 良.不同煤岩组分/聚苯胺导电材料的合成和性能研究[D].西安：西安科技学院，2002.MA Liang.Study on the synthesis，performances of coal / polyaniline of different lithotypes[D].Xi’an：Xi’an Institute of Science and Technology，2002.

[7]蔡川川.高有机硫炼焦煤对微波响应规律研究[D].合肥：安徽理工大学，2013.CAI Chuan-chuan.Responses laws of high organosulfur coking coal to microwave[D].Hefei：Anhui University of Science and Technology，2013.

[8]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（自然科学版），1998（3）：8-12.XU Long-jun，XIAN Xue-fu，LI Xiao-hong，et al.An experimental study on the permittivity of Baijiao coal in alternating electric field[J].Journal of Chongqing University（Natural Science Edition），1998（3）：8-12.

[9]张 铎.超宽带雷达波在煤中传播规律与定位基础研究[D].西安：西安科技大学，2018. ZHANG Duo.Fundamental research on propagation law of ultra-wideband radar wave in coal and localiztion[D].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2018.

[10]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（3）：42-46，41.XU Hong-wu.Measurement and test of seam electric parameter and study on relationship between seam electric parameter and coal petrology characteristics[J].Coal Science and Technology，2005（3）：42-46，41.

[11]朱红青，辛 邈，常明然，等.煤介电常数测量技术研究进展[J].煤炭科学技术，2016，44（9）：6-12.ZHU Hong-qing，XIN Miao，CHANG Ming-ran，et al.Research progress on measuring technology of coal dielectric constant[J].Coal Science and Technology，2016，44（9）：6-12.

[12]冯秀梅，陈 津，李 宁，等.微波场中无烟煤和烟煤电磁性能研究[J].太原理工大学学报，2007，8（5）：405-407.FENG Xiu-mei，CHEN Jin，LI Ning，et al.Study on electromagnetic properties of anthracite and soft coal in microwave field[J].Journal of Taiyuan University of Technology，2007，8（5）：405-407.

[13]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）：43-46.LV Shao-lin，HE Ji-shan.The study on dielectric property of gas projected coal body[J].Journal of World Geology，1997，16（4）：43-46.

[14]张兆镗，钟若青.微波加热技术基础[M].西安：电子工业出版社，1988.ZHANG Zhao-tang，ZHONG Ruo-qing.Microwave heating technology foundation[M].Xi’an：Electronic Industry Press，1988.

[15]徐龙君，刘成伦，鲜学福.频率对突出区煤导电性的影响[J].矿业安全与环保，2000，27（6）：25-26，61.XU Long-jun，LIU Cheng-lun，XIAN Xue-fu.Effect of frequency on conductivity of coal in protruding area[J].Journal of Mining Safety and Environmental Protection，2000，27（6）：25-26，61.

[16]Nelson S O，Fanslow G E，Bluhm D.Frequency dependence of the dielectric properties of coal[J].Microwave Power，1980，15 （4）：283-286.

[17]Ginutini J C，Zancheta J V，DiabyS.Characteriztion of coals by study of complex permittivity[J].Fuel，1987，66（2）：179-182.

[18]王 益，张翠翠，王建忠，等.非磁性材料介电常数测量传输反射法改进研究[J].宇航计测技术，2015，35（1）：5-9，33.WANG Yi，ZHANG Cui-cui，WANG Jian-zhong，et al.Research on improved technique for determining complex permittivity of non-magnetic material with the transmission/reflection method[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2015，35（1）：5-9，33.

[19]杜晓波，孙昕，韩 炜，等.用数字电桥测量介电材料与软磁材料的特性[J].物理实验，2017，37（2）：7-9.DU Xiao-bo，SUN Xin，HAN Wei，et al.Measuring the characteristics of dielectric and magnetically soft materials using digital bridge[J].Physical Experiment，2017，37（2）：7-9.

[20]石泽山.基于柔软磁性材料和LC谐振电路的吸波体及其软件自动化设计方法[D].兰州：兰州大学，2018.SHI Ze-shan.Microwave absorber based on flexible magnetic material and LC resonator and the software-driven automatic design method[D].Lanzhou：Lanzhou University，2018.

[21]蔡川川，张明旭，闵凡飞，等.高硫炼焦煤介电性质研究[J].煤炭学报，2013，38（9）：1656-1661.CAI Chuan-chuan，ZHANG Ming-xu，MIN Fan-fei，et al.Study on the dielectric properties of coking coal with high sulfur content[J].Journal of China Coal Society，2013，38（9）：1656-1661.

[22]王页率.稳态磁场交流阻抗测量系统及其电磁兼容研究[D].武汉： 华中科技大学，2014.WANG Ye-shuai.Research on AC impedance measurement system and its electromagnetic compatibility based on steady magnetic field[D].Wuhan： Huazhong University of Science and Technology，2014.

[23]王云刚，魏建平，刘明举.构造软煤电性参数影响因素的分析[J].煤炭科学技术，2010，38（8）： 77-80.WANG Yun-gang，WEI Jian-ping，LIU Ming-ju.Analysis on factors affected to electromagnetic parameters of tectonic soft seam[J].Coal Science and Technology，2010，38（8）： 77-80.

[24]Wang Q，Zhang X，Gu F.Investigation on interior moisture distribution inducing dielectric anisotropy of coals[J].Fuel Processing Technology，2008，89（6）：633-641.

[25]Liu H，Wang W J.Measurement model of total moisture in coal based on permittivity[C]//Computer Application and System Modeling （iccasm），2010 International Conference on[S.l]：[s.n]，2010：395-398.

[26]孟 磊.煤電性参数的实验研究[D].郑州：河南理工大学，2010.MENG Lei.Experimental study on the electrical parameters of coal[D].Zhengzhou：Henan Polytechnic University，2010.