鄭學(xué)召， 徐承宇， 王寶元， 楊偉， 陳益能， 張鐸

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)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(tuán)實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司 救護(hù)消防大隊(duì)， 四川 宜賓 644002)

0 引言

近年來我國煤礦安全事故時有發(fā)生[1]，事故發(fā)生后易造成區(qū)域煤體坍塌冒落，導(dǎo)致巷道堵塞，傳統(tǒng)的人員信息探測技術(shù)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(shù)。中心頻率大于500 MHz的雷達(dá)波稱為超寬帶雷達(dá)波，是一門新興無線通信技術(shù)[2]。因?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)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(dá)波快速準(zhǔn)確地穿透煤體獲取井下信息[7]，但是超寬帶雷達(dá)波在煤體中傳輸受到煤自身電性參數(shù)(相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率和損耗角正切值)的影響[8]，而探測頻率和環(huán)境溫度又會對電性參數(shù)造成影響。通過研究相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率和損耗角正切值3種電性參數(shù)在不同溫度與測試頻率下煤的變化規(guī)律來進(jìn)一步探究超寬帶雷達(dá)波在煤中的傳輸特性，對在不同情況下超寬帶雷達(dá)波井下探測頻段的選擇有一定指導(dǎo)意義。

目前已有眾多學(xué)者對煤電性參數(shù)的影響因素展開了研究。李芳等[9]研究發(fā)現(xiàn)不同煤樣的相對介電常數(shù)隨著溫度升高而增高。S. O. Nelson等[10]對煤粉介電常數(shù)與測試頻率的關(guān)系進(jìn)行了研究，煤粉介電常數(shù)隨頻率的增加而降低。S. Marland等[11]研究發(fā)現(xiàn)煤的介電常數(shù)隨著煤變質(zhì)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(qū)域和非突出區(qū)域煤的交流電導(dǎo)率，結(jié)果表明頻率越高，煤樣電導(dǎo)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(zhì)程度、濕度、各向異性以及煤巖組分對煤層電性參數(shù)的影響，得出了電阻率和介電常數(shù)是表征煤性質(zhì)的重要物理參數(shù)。Liu Haiyu等[14]對溫度在850～1 600 ℃和測試頻率在2～18 GHz范圍內(nèi)煤焦結(jié)構(gòu)的差異性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明煤的相對介電常數(shù)和介電損耗與煤的變質(zhì)程度有關(guān)。綜上可知，現(xiàn)有針對煤電性參數(shù)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(jìn)行的，缺少對超寬帶頻率和常溫條件下煤電性參數(shù)影響因素的研究，這對煤電性參數(shù)的影響因素研究有一定局限性。為此，通過實(shí)驗(yàn)，基于0～80 °C溫度和500～1 000 MHz探測頻率，測試不同變質(zhì)程度煤樣(褐煤、長焰煤、貧瘦煤)的電性參數(shù)(相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率、損耗角正切值)，探究不同溫度與測試頻率下煤電性參數(shù)的變化規(guī)律，從而為在不同條件下超寬帶雷達(dá)波井下探測頻段的選擇提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)中采用的煤樣為來自不同地區(qū)的褐煤、長焰煤、貧瘦煤，其中貧瘦煤變質(zhì)程度最高，褐煤變質(zhì)程度最低。煤樣均選取顆粒較小且未經(jīng)過人工水分潤濕的開采后煤樣，以此來減少雷達(dá)波在傳輸過程中由于反射、折射等現(xiàn)象造成吸收衰減引起的誤差。煤樣在煤礦現(xiàn)場鉆芯選取后立即密封包裝運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。對3種煤樣進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，結(jié)果見表1。由于超寬帶介電譜測試系統(tǒng)在測量過程中需要對煤樣進(jìn)行壓片處理，所以，采用JSP-24型粉末壓片機(jī)(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(dǎo)電銀膠，形成光滑鏡面，以便于實(shí)驗(yàn)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(fā)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(yè)分析和元素分析結(jié)果

圖1 JSP-24型粉末壓片機(jī)

圖2 壓片成型的煤樣

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用Concept-80超寬帶介電譜測試系統(tǒng)，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)頻率為500～1 000 MHz，選取高頻模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，升溫速率設(shè)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(shù)的主要方法包括傳輸反射法、數(shù)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(shí)驗(yàn)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(fù)極，通過測試正負(fù)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(jìn)而得到煤樣的相對介電常數(shù)。

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(fā)器；8-E4991A阻抗分析儀；9-主機(jī)；10-系統(tǒng)控制器；11-發(fā)電機(jī)；12-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

(1)

(2)

(3)

式中：εr為煤樣的相對介電常數(shù)，F(xiàn)/m；Cs為煤樣介質(zhì)電容，F(xiàn)；C0為煤樣真空電容，F(xiàn)；εs為煤樣的介電常數(shù)，F(xiàn)/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(shù)，F(xiàn)/m。

根據(jù)煤樣的相對介電常數(shù)εr和雷達(dá)波的角頻率可以得出煤樣的電導(dǎo)率：

σ=εrω

(4)

式中：σ為煤樣的介質(zhì)電導(dǎo)率，S/m；ω為角頻率，rad/s。

根據(jù)煤樣相對介電常數(shù)和介電常數(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與規(guī)律分析

2.1 煤樣相對介電常數(shù)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(shù)測試結(jié)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(shù)

圖5 0～80 ℃、500～1 000 MHz下長焰煤的相對介電常數(shù)

圖6 0～80 ℃、500～1 000 MHz下貧瘦煤的相對介電常數(shù)

從圖4可看出，褐煤的相對介電常數(shù)集中在3.92～4.20，變化程度較小，從500～1 000 MHz持續(xù)緩慢下降。從圖5可看出，長焰煤的相對介電常數(shù)小于褐煤，集中在3.15～3.30，變化復(fù)雜，有局部極大值和極小值。從500 MHz開始，相對介電常數(shù)急劇下降，在530～650 MHz之間，相對介電常數(shù)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(xiàn)一個短暫的下降。在757～1 000 MHz，相對介電常數(shù)迅速下降到最小值。從圖6可看出，貧瘦煤的相對介電常數(shù)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(shù)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(jié)論：高變質(zhì)程度煤的相對介電常數(shù)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(shù)最小，根據(jù)工業(yè)分析發(fā)現(xiàn)這是由于長焰煤的含碳量最大，導(dǎo)致其相對介電常數(shù)最小[17]。3種煤樣的相對介電常數(shù)隨著頻率增加都呈現(xiàn)整體下降的趨勢，均在550 MHz左右出現(xiàn)一個極小值，然后上升，在750 MHz之后都急劇下降，這是因?yàn)槊簶拥南鄬殡姵?shù)與煤樣的極化有關(guān)，當(dāng)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(shù)會隨電場頻率的增加而急劇下降[18]。在測試頻率范圍內(nèi)，溫度越高，3種煤樣的相對介電常數(shù)越大，但是不會影響其變化規(guī)律。因?yàn)槊后w相對介電常數(shù)越高，對電磁波的吸收能力越強(qiáng)，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(dá)波穿透煤體進(jìn)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(yīng)隨著溫度升高而降低。

2.2 煤樣電導(dǎo)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(dǎo)率測試結(jié)果如圖7—圖9所示。

圖7 0～80 ℃、500～1 000 MHz下褐煤的電導(dǎo)率

圖8 0～80 ℃、500～1 000 MHz下長焰煤的電導(dǎo)率

從圖7可看出，褐煤的電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率進(jìn)行分析，并以此作為其整體電導(dǎo)率的變化趨勢，其電導(dǎo)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(dǎo)率關(guān)系進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，高變質(zhì)程度煤的電導(dǎo)率和電導(dǎo)率增加幅度均小于低變質(zhì)程度煤，說明了雷達(dá)波在穿透高變質(zhì)程度煤時所造成的衰減更小，那是因?yàn)楦咦冑|(zhì)程度煤結(jié)構(gòu)較致密，孔隙較小，電導(dǎo)率低，對雷達(dá)波的吸收能力較弱。3種煤樣的電導(dǎo)率在不同的測試頻率和溫度下均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且溫度只影響電導(dǎo)率大小，不影響變化趨勢，說明了不同變質(zhì)程度煤的電導(dǎo)率與測試頻率和溫度均呈正相關(guān)，即測試頻率和溫度越高，煤樣的電導(dǎo)率越大。因?yàn)槊后w電導(dǎo)率越大，對電磁波的吸收能力越強(qiáng)，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(dá)波穿透煤體進(jìn)行探測時應(yīng)選擇較低頻率，且探測頻率的選擇應(yīng)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(xù)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(xiàn)多個極值點(diǎn)。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(jié)果代替整體分析結(jié)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(xiàn)下降趨勢，在850～1 000 MHz時，整體呈現(xiàn)上升趨勢，其間呈階梯趨勢，并出現(xiàn)多個極值點(diǎn)。

通過對比分析圖10—圖12可得，變質(zhì)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(guī)律發(fā)現(xiàn)，3種煤樣的損耗角正切值均和溫度呈正相關(guān)，其中長焰煤和貧瘦煤的損耗角正切值隨著頻率增大呈現(xiàn)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(xiàn)始終增大的趨勢，這種現(xiàn)象說明了不同變質(zhì)程度煤的損耗角正切值與溫度均呈正相關(guān)，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(dá)波井下探測頻段選擇的指標(biāo)。

3 結(jié)論

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

(2) 不同變質(zhì)程度煤樣的相對介電常數(shù)均隨測試頻率的增加而先減小，然后增大，再減??；與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。電導(dǎo)率與測試頻率和溫度均呈正相關(guān)關(guān)系。損耗角正切值與溫度呈正相關(guān)關(guān)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(jù)3種煤電性參數(shù)在不同溫度與探測頻率下的變化規(guī)律，再綜合對比3種煤電性參數(shù)對超寬帶雷達(dá)波在煤中傳輸?shù)挠绊懀贸?～80 ℃條件下使用500～1 000 MHz超寬帶雷達(dá)波穿透煤體進(jìn)行探測時選擇550～650 MHz頻率最佳，且探測頻率的選擇應(yīng)隨著溫度升高而降低。