第 ４４ 卷第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 Ｖｏｌ４４　 Ｎｏ９　

　 ２０１６ 年 ９ 月 Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 　 Ｓｅｐ ２０１６　

煤介电常数测量技术研究进展

朱红青１２辛　 邈１常明然１刘丹龙１

（１1049008 中国矿业大学（北京） 煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京　 １０００８３２1049008 中国矿业大学（北京） 资源与安全工程学院北京　 １０００８３）

摘　 要煤介电常数测量方法研究是准确获取煤炭介电特性的重要前提也是进行煤炭电介质物理学

理论和应用探索的重要途径 针对煤炭介电常数对地球物理勘探矿井地质灾害预警煤炭脱硫和电

力炼焦研究领域的重要作用基于国内外系统的文献调研系统分析和总结了国内外关于煤介电理论

模型和介电常数的测试系统和测量方法的研究进展 最后指出了目前煤炭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关键词介电常数测量技术介电损耗极化效应

中图分类号ＴＱ５３１1049008 ３　 　 　 文献标志码Ａ　 　 　 文章编号０２５３－２３３６（２０１６）０９－０００６－０７

Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔＺｈｕ Ｈｏｎｇｑｉｎｇ１２ Ｘｉｎ Ｍｉａｏ１ Ｃｈａｎｇ Ｍｉｎｇｒａｎ１ Ｌｉｕ Ｄａｎｌｏｎｇ１

（１ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｌａｂ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｂｅｉｊｉｎｇ） Ｂｅｉｊｉｎｇ　 １０００８３ Ｃｈｉｎａ２ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｂｅｉｊｉｎｇ） Ｂｅｉｊｉｎｇ　 １０００８３ Ｃｈｉｎａ）

ＡｂｓｔｒａｃｔＡ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｅｒｅｑｕｉｓｉｔｅ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｃｏａｌｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｃｃｅｓｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈｙｓｉｃｓ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｗａｒｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｃｏｋｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｏｃｕｍｅｎｔａｒｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｓｙｓｔｅｍｓ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｈａｄ ａ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｃｏａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｗｅｒｅ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓａｌｓ ａｎｄ ｃｏｍｍｅｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｌａｔｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙＫｅｙ ｗｏｒｄｓｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｓｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ

收稿日期２０１６－０３－１１责任编辑杨正凯　 　 ＤＯＩ１０１３１９９ ｊｃｎｋｉｃｓｔ２０１６０９００２基金项目国家自然科学基金煤炭联合基金重点资助项目（Ｕ１２６１２１４）高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（２０１２００２３１１０００５）作者简介朱红青（１９６９mdash）男湖南双峰人教授博士生导师 通讯作者辛　 邈博士研究生Ｅ－ｍａｉｌｘｉｎｍｉａｏ＿ｃｕｍｔｂ １６３1049008 ｃｏｍ引用格式朱红青辛　 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２０１６４４（９）６－１２

Ｚｈｕ ＨｏｎｇｑｉｎｇＸｉｎ ＭｉａｏＣｈａｎｇ Ｍｉｎｇｒａｎｅｔ ａｌＲｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ［Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１６４４（９）６－１２

０　 引　 　 言

在外加电场或微波段电磁波（场）作用下煤通

常会表现出电介质特有的电极化和介电损耗现象其中介电常数作为煤重要的电学参数被广泛应用

于电磁法勘探微波脱硫电力炼焦矿井通讯等各

行业以及煤灰分水分测定工作中［１］ 因此对煤

介电常数及其测定技术进行深入研究既有理论意

义又有应用价值虽然煤介电常数的研究已经持续了多年但是

由于煤是一种由高分子化合物（聚合物）水分和矿

物质等组成的具有复杂孔隙－裂隙ldquo双隙rdquo结构的混

合物［２－５］加之各相的非均匀分布使得对煤介电常

数的测定工作和理论建模都变得异常复杂和具有挑

战性 目前煤介电常数的测量方法有多种按照等

效电路原理可将其分为集总电路法和分布回路法两

类［６－７］ 集总电路法是将待测煤样与测试夹具共同

视为电路的一个单元组成部分该单元可看作是有

损耗的电容和电阻组成的串联或者并联等效电路而分布回路法使用同轴电缆传输线等具有较小等

６

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

效电感或电容的分布参数元件同时对待测煤样的

尺寸也有特殊要求以减少样品尺寸与检测电磁波

长相近而引起的辐射效应和趋肤效应 集总电路法

一般包含平行板电容法数字电桥法和谐振电路法

等通过直接读取测量仪表中表征介电储能大小的

电容或品质因素来计算煤样介电常数而分布回路

法包含传输线法和微波法等介电常数需要根据电

磁场理论所测的电磁参数和样品夹具外形尺寸共

同推导解算得出在详细论述现今煤炭介电常数测量技术前笔

者首先介绍煤炭电介质极化的基本原理和介电模

型之后详细介绍集总电路法和分布回路法在煤炭

介电常数测量中的应用现状及其主要的应用研究成

果并对各测量方法的适用范围优缺点进行对比讨

论最后指出当前煤炭介电常数测量技术的难点并对未来研究的方向提出展望

１　 煤的介电基本原理

１６００ 年英国人吉尔伯特（Ｇｉｌｂｅｒｔ）通过试验研

究发现多种物质经过摩擦起电并带有正负电现

象［８］开创了人类通过试验认知物质介电特性的先

河 １８６２ 年英国物理学家麦克斯韦通过总结前人

电磁效应的相关规律［９］认为一切在 Ｘ 射线或可见

光下看见的生命物质绝缘体导体有机物和无机

物等都可以视为电介质并提出位移电流和介电常

数等相关概念建立了统一的电磁场理论这为今后

的电介质物理研究奠定了重要的理论基础１1049008 １　 电介质的极化

极化是电介质中被束缚在分子内部或局部空间

范围内运动的电荷及自由电荷在电场中作局部的

位移而形成感应偶极矩的物理过程 对于各向同性

的无源介质其电位移（内部电通量密度） Ｄ 与电场

强度 Ｅ 之间的关系由介质的介电特性所决定其关

系表达式为

Ｄ ＝ ε０Ｅεｒ ＝ εＥ （１）其中 ε 为介质的介电常数 ε０ 为真空介电常

数取 ８1049008 ８５４times１０－１２εｒ 为介质的相对介电常数它表

示电介质中的场强导致内部电通量密度改变的程

度 通常提到的介电常数实际上是介质的相对介电

常数 εｒ当外加电源是交流电场时用复数形式可

表示为

εｒ ＝ εprimeｒ － ｉεPrimeｒ （２）实部 εprimeｒ 与材料储存电荷或储存能量有关代表

能量吸收的部分虚部 εPrimeｒ 与材料的自由电荷形成的

电流损耗有关代表能量损耗的部分微观上电介质的极化过程如图 １ 所示有 ４ 种

类型［１０］①图 １ａ 表示在电场力作用下原子核与电

子云的正负电荷中心产生相对位移电子云发生形

变产生的电子位移极化②图 １ｂ 表示由不同的原子

（或离子）组成的分子正负离子电荷重新分布形成

的离子位移极化如氯化钠晶体的离子位移极化③图 １ｃ 表示极性分子由于分子热运动和外加电场

的非定向排列所形成的转向极化是极性电介质在

外加电场下主要的极化形式④图 １ｄ 表示由电介质

本身晶格缺陷或者双层介质界面电荷分布不均形成

的空间电荷极化

图 １　 电介质极化微观模型

Ｆｉｇ1049008 １　 Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ

１1049008 ２　 煤的介电模型

通过对介电常数的研究可以把介质的微观结

构和极化宏观现象联系起来［１１－１２］建立介电物理参

数与各影响因素间的定量关系 在微观尺度下煤炭的微观介电极化过程满足上节所述的 ４ 种极化方

式这是因为煤的缩合芳香体系中含有一定量的极

性含氧官能团（如mdashＣＯＯＨ 和mdashＯＨ 等）这些极性

官能团的不同极性键矩的矢量和通常不为 ０构成

的链段偶极矩和分子偶极矩也相应不为 ０在外加

电场下会表现出明显的极化性质［１３］而在宏观尺度下煤是一种复杂化合物的混合

物具有发达的孔隙－裂隙结构 所含无机矿物成

分（如硫分等）孔隙中水分的介电常数值通常较高

（测试频率低于 １０１０ Ｈｚ 时其相对介电常数约为

８０）而孔隙结构内气体（如甲烷气体）的介电常数

较低（值略大于 １）孔隙及孔隙水的不规则分布导

致煤介电模型的建立变的异常困难 此外煤介电

常数还受温度频率等外部测量环境参数的影响７

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

目前煤炭的介电模型主要有基于半经验的模型和经

验模型１）半经验模型 １９８７ 年法国学者 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ［１４］

首次将ldquo低温碳rdquo结构试验法运用到煤炭介电试验

研究中针对干燥煤粉两相ldquo固－气rdquo结构引入试验

温度测试频率相关影响因素提出了如下模型

εprime（ω） ＝ εyen＋ （εｓ － εyen）Ｋ

σprime（ω）ε０ωｓｉｎ （ ｓπ）

（３）

式中 εyen 为超高频下的介电常数εｓ 为频率趋于 ０时的介电常数 ｓ 为温度相关系数Ｋ 为两相的经验

常数σprime（ω）为煤的电导率实部国内学者顾璠等［１５］ 通过微波加热技术与煤颗

粒内水分介电各向异性分布规律结合把煤结构与

煤内水分分布形态视作同心圆柱状纤维体结构水分分布按照高斯分布函数近似处理得到如下模型

εｒｒ ＝π４εｒ０

εｒ１ ＋ ２εｒ０ ＋ ２αｕ（εｒ１ － εｒ０）εｒ１ ＋ ２εｒ０ － αｕ（εｒ１ － εｒ０）

（４）

式中εｒｒ为平行于同心圆柱轴方向的介电常数εｒ０

为主相炭的相对介电常数εｒ１为煤内在水分的相对

介电常数 α 为扩散系数 μ 为内在水分相对浓度刘禾等［１６］基于等效电路原理将煤炭的三相结

构简化为煤粉与水分两相结构利用煤含水率 Ｗ 煤体温度 Ｔ 体积系数 Ｋρ 建立了液固二相混合物通

用介电常数数学模型

Ｗ ＝３ １1049008 ３３３（εｒ － ２1049008 ５）

Ｋρ ８２1049008 ５８ － ０1049008 ３７Ｔ ＋ ６1049008 ２５８７1049008 ５８ － ０1049008 ３７Ｔ

aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

（５）２）经验模型 Ｎｅｌｓｏｎ Ｓ1049008 Ｏ1049008 ［１７］ 利用矩形波导等

系统技术测试了煤样的介电常数分别研究了测试

频率对 ３ 种不同体积分数煤样的介电特性影响通过数据拟合分别得到不同体积分数下煤炭的介电

常数的二次方程εprimeｒ ＝ Ａ ＋ Ｂρｂ ＋ Ｃρ２

ｂ （６）　 　 其中ρｂ 为煤样的体密度ｋｇ ｍ３ Ａ Ｂ Ｃ 为

经验参数 在测试频率为 １５０ ＭＨｚ１２ ＧＨｚ 时８ 种

煤样均表现出介电常数随体密度增加而增大的趋

势 因此此经验公式只考虑了体密度对介电常数

的影响王云刚等［１８］ 研究了煤的灰分 ｘ１水分 ｘ２挥发

分 ｘ３孔隙率 ｘ４ 和视密度 ｘ５ 对介电特性的影响在Ｅｖｉｅｗ 统计软件数据分析的基础上建立了回归

方程

ε ＝ ｅ７1049008 ０ｘ１1049008 ２２１ ｘ －０1049008 ３９

２ ｘ －１1049008 ２２３ ｘ０1049008 ６７

４ ｘ －８1049008 ６１５ （７）

从回归方程可知水分灰分和视密度是影响介

电常数的主要因素孔隙率和挥发分对介电常数影

响较小

２　 煤介电测量技术

针对不同外形尺寸电气参数力学物理状态和

使用频段的煤炭介质材料需要有对应的测量技术包括测量方法测量夹具和分析计算方法 对于煤

炭这种固体混合物介质通常采用的测量方法包括

数字电桥法谐振电路法传输线法和微波法等２1049008 １　 集总电路法测量技术

１）数字电桥法 使用数字电桥法进行介电常

数测量通常是将待测煤样作为介质插入两平行电

极之间电极的两端分别连接到数字电桥整个电极

电路根据求解需求可等效为电阻 Ｒ 和电容 Ｃ 的串

联或并联模型［１９］其等效电路模型如图 ２ 所示 数

字电桥法适合于低频段（０1049008 １times１０－７ ～ １５０ ＭＨｚ）的介

电测量输入电压可根据试验需求进行设定根据数

字电桥型号的不同可分别作定点频率或连续频率

点的测量

图 ２　 电极等效电路模型

Ｆｉｇ1049008 ２　 Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ

由于数字电桥法的电极尺寸形状可根据被测

物的需求而制作同时测量精度较高被广泛应用于

与煤岩物理状态相关的介电特性研究 聂百胜［２０］

建立了含瓦斯煤岩体电性参数测量试验系统可测

量煤岩体在受载情况下的介电常数和电阻率参数该试验系统由 ＬＣＲ 介电测试仪加载系统和屏蔽系

统组成电极采用平行板铜制电极煤样尺寸加工为

５０ ｍｍtimes１００ ｍｍ 的圆柱形样品试验结果表明煤岩

体在受载前后电性参数变化较大介电常数随应力

增大而迅速增大直至煤岩破坏变形后达到最大值王云刚［２１］建立了一套由轴压加载系统围压控制系

统平行板电极与 ＬＣＲ 表组成的电学系统和屏蔽系

统 ４ 部分组成的电性测试系统可测试原生结构煤

样或型煤煤样在 ０1049008 １～ １０ ｋＨｚ 频率内渗透率与介电

常数间的变化规律所得到的试验结果表明无论是

型煤还是原生结构煤在变形破裂过程中的介电常

数随渗透率的增大而增大最终值较初始值要大一

８

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

个数量级２）谐振电路法 谐振电路法适合高频段的介电

常数测量可以测量从工频至几百兆赫兹的频段测量范围较宽 其测量装置如图 ３ 所示包括信号发生

装置测量仪表调谐电路和电极系统组成 测量原

理是通过测定加入电介质前后的电量变化以及对应

的谐振电容 Ｃ１Ｃ２并按照公式（８）计算 εｒεｒ ＝ １４1049008 ４ｈ（Ｃ１ － Ｃ２） Ｄ２ （８）

式中 ｈ 为试样厚度ｃｍ Ｄ 为电极直径ｃｍ

图 ３　 谐振电路测量示意

Ｆｉｇ1049008 ３　 Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

调谐电路因其测量电路结构简单对于杂散电容

和电感可以有效抑制因此被早期国内外研究人员广

泛使用 １９７２ 年前苏联学者 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ［２２］为研究褐

煤水分与介电常数的关系通过自制的平行板电极结

合高频 Ｑ 表测试装置在 ０1049008 ５～１０ ＭＨｚ 频率范围内对

１０～１８含水率的煤样进行了测试结果表明煤水

分与介电常数呈线性关系 为掌握高频无线电物探

仪器所需的煤岩基本电性参数我国学者万琼芝［２３］

进行了大量的煤介电特性试验研究采用并联谐振法

在常温下对不同煤阶的干燥煤样进行介电常数的测

量测试频率选取了 ０1049008 ５ ～ １６０ ＭＨｚ 内有代表性的 ７个测试频点试验结果表明煤样的介电常数在低频段

出现频散现象并随着频率的升高大多数的煤样介电

常数随之减小在高频段趋于稳定随着变质程度的

增加介电常数先减小后增大无烟煤的介电常数比

烟煤高出一个数量级此外试验研究还表明介电常

数与煤样的温度湿度有密切关系 为研究电磁波在

瓦斯突出煤层中的传播规律针对构造煤的机械强度

较低孔隙裂隙较多易产生褶皱和破碎的特点吕绍

林等［２４］设计加工了一套可在 ５times１０－２ ～５０ ＭＨｚ 频率范

围内测量构造煤节电特性的系统该系统基于调谐原

理由高频 Ｑ 表和专用的并联样品夹具组成测量厚

度 １～１０ ｍｍ直径大于或等于 ４２ ｍｍ 的煤样研究结

果表明具有瓦斯突出特征的构造煤其介电常数与

同一矿区的非突出煤的介电常数存在显著差异构造

煤体的温度较湿度和测试频率对介电常数的影响

较小

２1049008 ２　 分布电路法测量技术

１）传输线法 传输线法适合 １００ ～ １ ０００ ＭＨｚ频率范围内有较大介电损耗特征材料的介电测量而且能够有效减少测试过程中的辐射效应和趋肤效

应 根据电极所用的测试夹具不同传输线法可采

用同轴传输线法和波导 ２ 种测试类型波导法测量方法依据的是传输 反射法其测量

介电常数的原理是首先在特定的矩形波导中填充

特制成型的待测试样然后用矢量网络分析仪测得

被测样品两端的散射参数 Ｓ通过与未填充样品时

的 Ｓ 参数进行散射方程反演计算得到填充试样的

复介电常数 波导法适宜在微波频率下测量并且

每一种波导只能在平均波长两侧特定范围内传输电

磁波频率覆盖面较窄此外对于样品的尺寸精度要

求较高同轴传输线法较波导法的测试频率较宽广可

测量的频率范围达到 １００ ～ ６ ０００ ＭＨｚ而且不需要

对测试材料进行精密加工及尺寸大小的特殊要求同轴线测量系统包括矢量网络分析仪同轴传输线

和装载样品的夹具组成 其测量原理同样基于传

输 反射的基本理论根据微波在同轴线经过待测样

品前后的传输系数 Ｔ散射参数（ Ｓ１１（ω） Ｓ２１（ω）Ｓ１２（ω）Ｓ２２（ω） 和反射系数 Γ 所满足的相关公式反

演推导求出介电常数同轴线测量如图 ４ 所示

图 ４　 同轴线测量示意

Ｆｉｇ1049008 ４　 Ｃｏａｘｉａｌ ｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ

Ｘｕ Ｌ 等［２５］采用同轴传输线测试技术研究了在

２1049008 ０～１５1049008 ４ ＧＨｚ 测试频率范围内不同煤种不同制

焦温度下的煤焦介电性能并分析了介电常数随频

率制焦温度变化的原因 研究结果表明不同变质

程度煤所对应煤焦的介电性能存在显著差异不同

温度下生成的煤焦结构不同高温生成煤焦的介电

常数大于低温煤焦 蔡川川等［１３］ 基于传输反射法

原理制作了适宜测量高硫炼焦煤粉介电特性的同

轴线夹具可测量外径 ７ ｍｍ内径 ３1049008 ０４ ｍｍ厚度 ２ｍｍ 的同轴圆环煤样在 ０1049008 ２ ～ １８1049008 ０ ＧＨｚ温度 ２９３ Ｋ下的介电常数 研究结果表明高硫炼焦煤的介电

常数随频率的增大而略有下降煤中矿物成分中以

高岭石对煤的介电常数贡献最大灰分高的煤样其

介电常数大于灰分低的煤样研究结果对于微波脱

９

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

硫的频率选择工作具有一定的指导意义２）微波法 微波频段的介电常数测量可使用

波导或谐振腔技术对于煤炭的微波测量由于样品

尺寸精度通常不能满足波导法规定的要求因此通

常采用谐振腔技术进行介电常数测量 谐振腔测量

基本原理是当被测介质放入谐振腔时谐振腔的谐

振频率和品质因数发生变化从而可以计算被测材

料的相对介电常数和介电损耗角正切微扰法是指

测量样品的体积比腔体小得多且损耗也不大此时

样品对谐振腔内电磁场分布扰动较小以常用的

ＴＭ０１０圆柱谐振腔为例可将样品加工成细棒状放入

腔体的中央对于粉末状的样品可装入细玻璃管后

再放入腔体谐振腔结构如图 ５ 所示其介电常数的

解算公式如下

εprimeｒ ＝ １ ＋ Ｊ２１（ｘ０１）

ｆ０ － ｆｓＲ２０

ｆ０Ｒ２１

（９）

式中 Ｊ１（ｘ０１） 为一阶贝塞尔函数 Ｒ０ 为谐振腔的半

径ｍ Ｒ１ 为样品的半径ｍ ｆ０ 和 ｆｓ 分别为未加样品

和加样品的谐振频率Ｈｚ

图 ５　 谐振腔结构示意

Ｆｉｇ1049008 ５　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ

在微波频率段对煤炭的介电性质进行研究主要应用在煤炭的微波脱硫领域 微波脱硫方法最早

开始于 １９７８ 年文献［２６］的研究人员发明的专利该方法基于煤中硫分在某一特定频率微波辐射下能

够进行选择性地加热和化学反应而煤基质可以透

过微波不参与反应生热 杨笺康等［２７］ 采用谐振腔

微扰技术建立了一套由扫频仪定向耦合器可变

衰减器谐振腔和频率计组成的介电测量设备在２1049008 ４５ ＧＨｚ２０ 下对不同种类的含硫煤样浸提剂

和两者混合物的介电性质进行了测量研究结果表

明相比碳酸钠浸提剂氢氧化钠浸提剂可以有效加

快微波脱硫的速率脱硫量显著提高 Ｍａｒｌａｎｄ等［２８］采用谐振腔技术通过自建的带有程序控制的

加热谐振腔炉体对不同变质程度的英国型煤进行

了不同温度下的介电性质研究研究结果表明在８０～ １８０ 升温过程中介电常数存在明显下降趋

势而冷却过程中介电常数基本保持恒定值在选定

的 ０1049008 ６１５１1049008 ４１３２1049008 ２１６ ＧＨｚ 频率下煤样的复介电

常数随频率变化不显著说明频率不是影响微波吸

收的主要因素通过试验数据与 Ｌａｎｄａｕ Ｌｉｆｔｓｈｉｆｚ 公

式的进一步分析表明水分和含硫黄铁矿是影响微

波频段下煤的介电特性的最主要因素

３　 不同介电测量技术比较及发展趋势

３1049008 １　 煤的介电测量技术比较

通过比较各种煤炭介电测量系统可以发现各

种介电常数测量技术都与煤炭的内在因素和外部测

试环境（温度湿度压力等）密切相关并且逐渐趋

于高频化和数字化见表 １ 综合考虑这些介电测量

技术的优缺点发现每种测量方法都局限在一定的测

试频率范围内而且采用分布回路法测量技术对于煤

样的形状尺寸会有特殊具体要求即现有的煤炭介电

测量方法还无法在较大频谱（１０－１ ～１０１２ Ｈｚ）范围内对

专一煤样进行连续稳定的测量

表 １　 不同煤介电常数测量技术比较

Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｃｏａｌ

测量技术 测量仪器 测量频率范围 优点 缺点

数字电桥法 　 ＬＲＣ 数字电桥 ０1049008 １times１０－７ ～１５０ ＭＨｚ　 测量频段广具有针对不同

频段的电桥测量模型

　 高频段有杂散电容影响测量

精确性

谐振电路法 　 高频 Ｑ 表 １０～１００ ＭＨｚ　 可减少杂散电容和电感消除边缘效应

　 测量精度不高

传输线法　 传输线（同轴线）波导微带（带状线）

１００～１ ０００ ＭＨｚ　 测量快速简便能量损失

小可达 ８０ ｄＢ 动态范围　 存在接触阻抗测量重复性差

微波测量 　 波导谐振腔 ０1049008 １～３００ ＧＨｚ 　 测量灵敏度高　 空间分辨率较差测量夹具需

单独定制

３1049008 ２　 煤介电测量技术发展趋势

１）测试频率的提高 目前国内外科研领域已

开始进行大规模的太赫兹（ＴＨｚ）相关的光谱学光电激光材料方面的研究但对于煤炭在太赫兹频

０１

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

段下的介电测量还处于初步研究阶段［２９］相应的测

量方法和煤样加工方法还未形成标准２）测量温度的提高 现有的煤炭介电测量实

验大多在室温（２０ ）下进行很少涉及煤体受热加

温状态下的介电常数测量开展这方面的试验研究

可以为使用电磁法探测煤火或采空区火灾火源位置

提供基础的煤岩电磁参数基础数据３）宽频介电应用 将等效电路法与分布电路

法测量技术相融合不仅能够扩大频谱测试范围实现宽频测试还可以有效地消除因更换煤样（样品

的形状厚度外界环境因素）所带来的随机误差以及使用单个测量仪器在测量频率重复段所引起的

系统误差

４　 结　 　 论

１）国内外现有煤介电常数测量主要分为集总

电路法与分布回路法包括数字电桥法谐振电路

法传输线法和微波测量法各个方法所使用的测量

夹具和测试频率范围均不相同而且测量技术大多

借鉴美国 ＡＳＴＭ 标准和我国 ＧＢ Ｔ 推荐标准中关于

固体绝缘材料介电测量规范缺乏专门针对煤岩电

学性质（介电常数电阻率和磁化率）测量的国家标

准和规范２）煤介电测量技术逐渐趋于数字化与自动化

但还有待进一步研究的技术难点如在较低频段

（０1049008 ０１～１０００ Ｈｚ）下的介电测量易受到煤样内部的

电偶极子极化松弛界面极化和低频传导电流的影

响易造成低频介电频散和较大的试验误差而且该

现象也出现在以往对岩石介电常数测量的试验结果

中因此未来对于煤介电常数的测量工作应突破中

高频段的测试下限采用界面极化理论结合数值模

拟方法的手段以期考察低频电场下的松弛极化和

传导电流对介电常数的实际影响程度受煤的变质

程度测试频率温度水分和所受应力等因素的影

响现有的煤炭介电模型多为经验模型和半经验模

型各个模型的适用范围与模拟精度均有差异但半

经验模型依据固体电介质理论和实测数据进行参数

拟合在适用性和准确率方面相比经验模型具有明

显的优势因此半经验模型是未来煤介电测量技术

的理论研究重点３）此外随着太赫兹科学技术在煤矿物探领域

的发展和显现出较高空间分辨率的优势研究 ０1049008 １～１０ ＴＨｚ 频率范围内的煤岩介电常数测量技术将具

有十分广阔的应用前景可为煤矿井下水害自燃高

温火源点的电磁法探测提供重要的数据参考

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

［１］　 何选明煤化学［Ｍ］２ 版北京冶金工业出版社２０１０２８７［２］ 　 白向飞王　 越平朔矿区煤中矿物分布及赋存特征研究［ Ｊ］

煤炭科学技术２０１３４１（７）１１８－１２２Ｂａｉ ＸｉａｎｇｆｅｉＷａｎｇ ＹｕｅＳｔｕｄｙ ｏｎ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ Ｐｉｎｇｓｈｕｏ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１３４１（７）１１８－１２２

［３］ 　 周　 哲卢义玉葛兆龙等水－瓦斯－煤三相耦合作用下煤岩

强度特性及实验研究 ［ Ｊ］ 煤炭学报２０１４３９ （ １２）２４１８ －

２４２４Ｚｈｏｕ ＺｈｅＬｕ ＹｉｙｕＧｅ Ｚｈａｏｌｏｎｇｅｔ ａｌＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｕｎｄｅｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｗａｔｅｒ ａｎｄ ｇａｓ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１４３９（１２）２４１８－２４２４

［４］ 　 张　 慧煤孔隙的成因类型及其研究［ Ｊ］ 煤炭学报２００１２６（１）４０－４４Ｚｈａｎｇ ＨｕｉＧｅｎｅｔｉｃａｌ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｒｏｅｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２００１２６（１）４０－

４４［５］ 　 张　 欣叶　 丹顾　 璠煤颗粒内水分介电各向异性分布的研

究［Ｊ］ 工程热物理学报２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８Ｚｈａｎｇ ＸｉｎＹｅ ＤａｎＧｕ Ｐａｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８

［６］ 　 王文娟煤水介电特性及测量模型研究［Ｄ］北京华北电力大

学（北京）２０１１［７］ 　 徐　 樑煤焦微波介电性能的研究［Ｄ］太原太原理工大学

２０１５［８］ 　 陶培培十六十七世纪之交的西方磁现象探索之研究［Ｄ］上

海上海交通大学２０１４［９］ 　 李景德电介质理论［Ｍ］北京科学出版社２００３２－１０［１０］ 　 周艳丽熊　 畅电介质极化现象的微观机制讨论［ Ｊ］ 大学物

理２０１５３４（６）９－１２Ｚｈｏｕ Ｙａｎｌｉ Ｘｉｏｎｇ Ｃｈａｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ２０１５３４（６）９－１２

［１１］ 　 聂百胜何学秋王恩元等煤岩力电耦合模型及其参数计算

［Ｊ］ 中国矿业大学学报２００７３６（４）５０５－５０８Ｎｉｅ ＢａｉｓｈｅｎｇＨｅ ＸｕｅｑｉｕＷａｎｇ Ｅｎｙｕａｎｅｔ ａｌＣｏｕｐｌｅｄ ｓｔｒｅｓｓ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏａｌ ｏｒｒｏｃｋ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００７３６（４）５０５－５０８

［１２］ 　 王恩元李忠辉何学秋等煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术

及应用［Ｊ］ 煤炭科学技术２０１４４２（６）５３－５７９１Ｗａｎｇ Ｅｎｙｕａｎ Ｌｉ Ｚｈｏｎｇｈｕｉ Ｈｅ Ｘｕｅｑｉｕ ｅｔ ａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１４４２（６）５３－５７９１

１１

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

［１３］　 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２０１３３８（９）１６５６－１６６１Ｃａｉ ＣｈｕａｎｃｈｕａｎＺｈａｎｇ ＭｉｎｇｘｕＭｉｎ Ｆａｎｆｅｉｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｋｉｎｇ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｕｌｆｕｒ ｃｏｎｔｅｎｔ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１３３８（９）１６５６－１６６１

［１４］ 　 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ ＪＺａｎｃｈｅｔｔａ ＪＤｉａｂｙ ＳＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌｓ ｂｙ ｔｈｅｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ１９８７６６（２）１７９－１８４

［１５］ 　 Ｗａｎｇ ＱＺｈａｎｇ ＸＧｕ ＦＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８８９（６）６３３－６４１

［１６］ 　 Ｌｉｕ ＨＷａｎｇ Ｗ ＪＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏａｌｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ［ Ｃ］ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌｉｎｇ （ ｉｃｃａｓｍ）２０１０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ［Ｓｌ］［ ｓｎ］２０１０３９５－３９８

［１７］ 　 Ｎｅｌｓｏｎ ＳＦａｎｓｌｏｗ ＧＢｌｕｈｍ ＤＦｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ１９８０１５（４）８２－２７７

［１８］ 　 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２０１０３８（８）７７－８０Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＷｅｉ ＪｉａｎｐｉｎｇＬｉｕ ＭｉｎｇｊｕＡｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｏｆｔ ｓｅａｍ［Ｊ］ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１０３８（８）７７－８０

［１９］ 　 何学秋王恩元聂百胜煤岩流变电磁动力学［Ｍ］北京科学出版社２００３２０８－２０９

［２０］ 　 聂百胜含瓦斯煤岩力电效应及机理的研究［Ｄ］徐州中国

矿业大学２００１［２１］ 　 王云刚张　 莉李　 盟等受载含瓦斯煤体电性参数与渗透

率关系的试验研究［ Ｊ］ 河南理工大学学报自然科学版２０１３３２（４）３８０－３８４Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＺｈａｎｇ ＬｉＬｉ Ｍｅｎｇｅｔ ａｌＲｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｂｅｉｎｇ ｌｏａｄｅｄ ｇａｓ－ｆｉｌｌｅｄ ｃｏａｌ

［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ２０１３３２（４）３８０－３８４

［２２］ 　 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ ＯＢｕｌｙｃｈｅｖａ ＮＫｏｌｙａｓｎｉｋｏｖ ＶＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｄ Ｎａｚａｒｏｖｏ ｂｒｏｗｎ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｐｌｏｅｎｅｒｇｅｔｉｋａ）１９７２１９ （ １）１２０ －

１２２［２３］ 　 万琼芝煤的电阻率和相对介电常数［Ｊ］ 煤矿安全技术１９８２

（１）１７－２４Ｗａｎ Ｑｉｏｎｇｚｈｉ Ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ［Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８２（１）１７－２４

［２４］ 　 吕绍林何继善瓦斯突出煤体的介电性质研究［ Ｊ］ 世界地

质１９９７１６（４）４３－４６Ｌｙｕ ＳｈａｏｌｉｎＨｅ Ｊｉｓｈａｎ Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇａｓｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ［Ｊ］ Ｇｌｏｂａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ１９９７１６（４）４３－４６

［２５］ 　 Ｘｕ ＬＬｉｕ ＨＪｉｎ Ｙｅｔ ａｌＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｒｄｅｒ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ ｃｏａｌ ｃｈａｒｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２０１４１３７１６４－１７１

［２６］ 　 Ｇｏｌｄｅｎ Ｊ Ａ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌ ｏｒ ａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎＵＳ４１５２１２０Ａ［Ｐ］１９７９－０５－０１

［２７］ 　 杨笺康任皆利煤微波脱硫及其与试样介电性质的关系［ Ｊ］ 华东化工学院学报１９８８１４（６）７１３－７１８Ｙａｎｇ ＪｉａｎｋａｎｇＲｅｎ Ｊｉｅｌｉ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＥａｓｔＣｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８８１４（６）７１３－７１８

［２８］ 　 Ｍａｒｌａｎｄ ＳＭｅｒｃｈａｎｔ ＡＲｏｗｓｏｎ Ｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２００１８０（１３）１８３９－１８４９

［２９］ 　 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２０１６４５（４）１－８Ｗａｎｇ ＸｉＭｉａｏ ＳｈｕｇｕａｎｇＤｉｎｇ ＥｎｊｉｅＳｔｕｄｙ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｄｏｍａｉｎ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１６４５（４）１－８

２１

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

效电感或电容的分布参数元件同时对待测煤样的

尺寸也有特殊要求以减少样品尺寸与检测电磁波

长相近而引起的辐射效应和趋肤效应 集总电路法

一般包含平行板电容法数字电桥法和谐振电路法

等通过直接读取测量仪表中表征介电储能大小的

电容或品质因素来计算煤样介电常数而分布回路

法包含传输线法和微波法等介电常数需要根据电

磁场理论所测的电磁参数和样品夹具外形尺寸共

同推导解算得出在详细论述现今煤炭介电常数测量技术前笔

者首先介绍煤炭电介质极化的基本原理和介电模

型之后详细介绍集总电路法和分布回路法在煤炭

介电常数测量中的应用现状及其主要的应用研究成

果并对各测量方法的适用范围优缺点进行对比讨

论最后指出当前煤炭介电常数测量技术的难点并对未来研究的方向提出展望

１　 煤的介电基本原理

１６００ 年英国人吉尔伯特（Ｇｉｌｂｅｒｔ）通过试验研

究发现多种物质经过摩擦起电并带有正负电现

象［８］开创了人类通过试验认知物质介电特性的先

河 １８６２ 年英国物理学家麦克斯韦通过总结前人

电磁效应的相关规律［９］认为一切在 Ｘ 射线或可见

光下看见的生命物质绝缘体导体有机物和无机

物等都可以视为电介质并提出位移电流和介电常

数等相关概念建立了统一的电磁场理论这为今后

的电介质物理研究奠定了重要的理论基础１1049008 １　 电介质的极化

极化是电介质中被束缚在分子内部或局部空间

范围内运动的电荷及自由电荷在电场中作局部的

位移而形成感应偶极矩的物理过程 对于各向同性

的无源介质其电位移（内部电通量密度） Ｄ 与电场

强度 Ｅ 之间的关系由介质的介电特性所决定其关

系表达式为

Ｄ ＝ ε０Ｅεｒ ＝ εＥ （１）其中 ε 为介质的介电常数 ε０ 为真空介电常

数取 ８1049008 ８５４times１０－１２εｒ 为介质的相对介电常数它表

示电介质中的场强导致内部电通量密度改变的程

度 通常提到的介电常数实际上是介质的相对介电

常数 εｒ当外加电源是交流电场时用复数形式可

表示为

εｒ ＝ εprimeｒ － ｉεPrimeｒ （２）实部 εprimeｒ 与材料储存电荷或储存能量有关代表

能量吸收的部分虚部 εPrimeｒ 与材料的自由电荷形成的

电流损耗有关代表能量损耗的部分微观上电介质的极化过程如图 １ 所示有 ４ 种

类型［１０］①图 １ａ 表示在电场力作用下原子核与电

子云的正负电荷中心产生相对位移电子云发生形

变产生的电子位移极化②图 １ｂ 表示由不同的原子

（或离子）组成的分子正负离子电荷重新分布形成

的离子位移极化如氯化钠晶体的离子位移极化③图 １ｃ 表示极性分子由于分子热运动和外加电场

的非定向排列所形成的转向极化是极性电介质在

外加电场下主要的极化形式④图 １ｄ 表示由电介质

本身晶格缺陷或者双层介质界面电荷分布不均形成

的空间电荷极化

图 １　 电介质极化微观模型

Ｆｉｇ1049008 １　 Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ

１1049008 ２　 煤的介电模型

通过对介电常数的研究可以把介质的微观结

构和极化宏观现象联系起来［１１－１２］建立介电物理参

数与各影响因素间的定量关系 在微观尺度下煤炭的微观介电极化过程满足上节所述的 ４ 种极化方

式这是因为煤的缩合芳香体系中含有一定量的极

性含氧官能团（如mdashＣＯＯＨ 和mdashＯＨ 等）这些极性

官能团的不同极性键矩的矢量和通常不为 ０构成

的链段偶极矩和分子偶极矩也相应不为 ０在外加

电场下会表现出明显的极化性质［１３］而在宏观尺度下煤是一种复杂化合物的混合

物具有发达的孔隙－裂隙结构 所含无机矿物成

分（如硫分等）孔隙中水分的介电常数值通常较高

（测试频率低于 １０１０ Ｈｚ 时其相对介电常数约为

８０）而孔隙结构内气体（如甲烷气体）的介电常数

较低（值略大于 １）孔隙及孔隙水的不规则分布导

致煤介电模型的建立变的异常困难 此外煤介电

常数还受温度频率等外部测量环境参数的影响７

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

目前煤炭的介电模型主要有基于半经验的模型和经

验模型１）半经验模型 １９８７ 年法国学者 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ［１４］

首次将ldquo低温碳rdquo结构试验法运用到煤炭介电试验

研究中针对干燥煤粉两相ldquo固－气rdquo结构引入试验

温度测试频率相关影响因素提出了如下模型

εprime（ω） ＝ εyen＋ （εｓ － εyen）Ｋ

σprime（ω）ε０ωｓｉｎ （ ｓπ）

（３）

式中 εyen 为超高频下的介电常数εｓ 为频率趋于 ０时的介电常数 ｓ 为温度相关系数Ｋ 为两相的经验

常数σprime（ω）为煤的电导率实部国内学者顾璠等［１５］ 通过微波加热技术与煤颗

粒内水分介电各向异性分布规律结合把煤结构与

煤内水分分布形态视作同心圆柱状纤维体结构水分分布按照高斯分布函数近似处理得到如下模型

εｒｒ ＝π４εｒ０

εｒ１ ＋ ２εｒ０ ＋ ２αｕ（εｒ１ － εｒ０）εｒ１ ＋ ２εｒ０ － αｕ（εｒ１ － εｒ０）

（４）

式中εｒｒ为平行于同心圆柱轴方向的介电常数εｒ０

为主相炭的相对介电常数εｒ１为煤内在水分的相对

介电常数 α 为扩散系数 μ 为内在水分相对浓度刘禾等［１６］基于等效电路原理将煤炭的三相结

构简化为煤粉与水分两相结构利用煤含水率 Ｗ 煤体温度 Ｔ 体积系数 Ｋρ 建立了液固二相混合物通

用介电常数数学模型

Ｗ ＝３ １1049008 ３３３（εｒ － ２1049008 ５）

Ｋρ ８２1049008 ５８ － ０1049008 ３７Ｔ ＋ ６1049008 ２５８７1049008 ５８ － ０1049008 ３７Ｔ

aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

（５）２）经验模型 Ｎｅｌｓｏｎ Ｓ1049008 Ｏ1049008 ［１７］ 利用矩形波导等

系统技术测试了煤样的介电常数分别研究了测试

频率对 ３ 种不同体积分数煤样的介电特性影响通过数据拟合分别得到不同体积分数下煤炭的介电

常数的二次方程εprimeｒ ＝ Ａ ＋ Ｂρｂ ＋ Ｃρ２

ｂ （６）　 　 其中ρｂ 为煤样的体密度ｋｇ ｍ３ Ａ Ｂ Ｃ 为

经验参数 在测试频率为 １５０ ＭＨｚ１２ ＧＨｚ 时８ 种

煤样均表现出介电常数随体密度增加而增大的趋

势 因此此经验公式只考虑了体密度对介电常数

的影响王云刚等［１８］ 研究了煤的灰分 ｘ１水分 ｘ２挥发

分 ｘ３孔隙率 ｘ４ 和视密度 ｘ５ 对介电特性的影响在Ｅｖｉｅｗ 统计软件数据分析的基础上建立了回归

方程

ε ＝ ｅ７1049008 ０ｘ１1049008 ２２１ ｘ －０1049008 ３９

２ ｘ －１1049008 ２２３ ｘ０1049008 ６７

４ ｘ －８1049008 ６１５ （７）

从回归方程可知水分灰分和视密度是影响介

电常数的主要因素孔隙率和挥发分对介电常数影

响较小

２　 煤介电测量技术

针对不同外形尺寸电气参数力学物理状态和

使用频段的煤炭介质材料需要有对应的测量技术包括测量方法测量夹具和分析计算方法 对于煤

炭这种固体混合物介质通常采用的测量方法包括

数字电桥法谐振电路法传输线法和微波法等２1049008 １　 集总电路法测量技术

１）数字电桥法 使用数字电桥法进行介电常

数测量通常是将待测煤样作为介质插入两平行电

极之间电极的两端分别连接到数字电桥整个电极

电路根据求解需求可等效为电阻 Ｒ 和电容 Ｃ 的串

联或并联模型［１９］其等效电路模型如图 ２ 所示 数

字电桥法适合于低频段（０1049008 １times１０－７ ～ １５０ ＭＨｚ）的介

电测量输入电压可根据试验需求进行设定根据数

字电桥型号的不同可分别作定点频率或连续频率

点的测量

图 ２　 电极等效电路模型

Ｆｉｇ1049008 ２　 Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ

由于数字电桥法的电极尺寸形状可根据被测

物的需求而制作同时测量精度较高被广泛应用于

与煤岩物理状态相关的介电特性研究 聂百胜［２０］

建立了含瓦斯煤岩体电性参数测量试验系统可测

量煤岩体在受载情况下的介电常数和电阻率参数该试验系统由 ＬＣＲ 介电测试仪加载系统和屏蔽系

统组成电极采用平行板铜制电极煤样尺寸加工为

５０ ｍｍtimes１００ ｍｍ 的圆柱形样品试验结果表明煤岩

体在受载前后电性参数变化较大介电常数随应力

增大而迅速增大直至煤岩破坏变形后达到最大值王云刚［２１］建立了一套由轴压加载系统围压控制系

统平行板电极与 ＬＣＲ 表组成的电学系统和屏蔽系

统 ４ 部分组成的电性测试系统可测试原生结构煤

样或型煤煤样在 ０1049008 １～ １０ ｋＨｚ 频率内渗透率与介电

常数间的变化规律所得到的试验结果表明无论是

型煤还是原生结构煤在变形破裂过程中的介电常

数随渗透率的增大而增大最终值较初始值要大一

８

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

个数量级２）谐振电路法 谐振电路法适合高频段的介电

常数测量可以测量从工频至几百兆赫兹的频段测量范围较宽 其测量装置如图 ３ 所示包括信号发生

装置测量仪表调谐电路和电极系统组成 测量原

理是通过测定加入电介质前后的电量变化以及对应

的谐振电容 Ｃ１Ｃ２并按照公式（８）计算 εｒεｒ ＝ １４1049008 ４ｈ（Ｃ１ － Ｃ２） Ｄ２ （８）

式中 ｈ 为试样厚度ｃｍ Ｄ 为电极直径ｃｍ

图 ３　 谐振电路测量示意

Ｆｉｇ1049008 ３　 Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

调谐电路因其测量电路结构简单对于杂散电容

和电感可以有效抑制因此被早期国内外研究人员广

泛使用 １９７２ 年前苏联学者 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ［２２］为研究褐

煤水分与介电常数的关系通过自制的平行板电极结

合高频 Ｑ 表测试装置在 ０1049008 ５～１０ ＭＨｚ 频率范围内对

１０～１８含水率的煤样进行了测试结果表明煤水

分与介电常数呈线性关系 为掌握高频无线电物探

仪器所需的煤岩基本电性参数我国学者万琼芝［２３］

进行了大量的煤介电特性试验研究采用并联谐振法

在常温下对不同煤阶的干燥煤样进行介电常数的测

量测试频率选取了 ０1049008 ５ ～ １６０ ＭＨｚ 内有代表性的 ７个测试频点试验结果表明煤样的介电常数在低频段

出现频散现象并随着频率的升高大多数的煤样介电

常数随之减小在高频段趋于稳定随着变质程度的

增加介电常数先减小后增大无烟煤的介电常数比

烟煤高出一个数量级此外试验研究还表明介电常

数与煤样的温度湿度有密切关系 为研究电磁波在

瓦斯突出煤层中的传播规律针对构造煤的机械强度

较低孔隙裂隙较多易产生褶皱和破碎的特点吕绍

林等［２４］设计加工了一套可在 ５times１０－２ ～５０ ＭＨｚ 频率范

围内测量构造煤节电特性的系统该系统基于调谐原

理由高频 Ｑ 表和专用的并联样品夹具组成测量厚

度 １～１０ ｍｍ直径大于或等于 ４２ ｍｍ 的煤样研究结

果表明具有瓦斯突出特征的构造煤其介电常数与

同一矿区的非突出煤的介电常数存在显著差异构造

煤体的温度较湿度和测试频率对介电常数的影响

较小

２1049008 ２　 分布电路法测量技术

１）传输线法 传输线法适合 １００ ～ １ ０００ ＭＨｚ频率范围内有较大介电损耗特征材料的介电测量而且能够有效减少测试过程中的辐射效应和趋肤效

应 根据电极所用的测试夹具不同传输线法可采

用同轴传输线法和波导 ２ 种测试类型波导法测量方法依据的是传输 反射法其测量

介电常数的原理是首先在特定的矩形波导中填充

特制成型的待测试样然后用矢量网络分析仪测得

被测样品两端的散射参数 Ｓ通过与未填充样品时

的 Ｓ 参数进行散射方程反演计算得到填充试样的

复介电常数 波导法适宜在微波频率下测量并且

每一种波导只能在平均波长两侧特定范围内传输电

磁波频率覆盖面较窄此外对于样品的尺寸精度要

求较高同轴传输线法较波导法的测试频率较宽广可

测量的频率范围达到 １００ ～ ６ ０００ ＭＨｚ而且不需要

对测试材料进行精密加工及尺寸大小的特殊要求同轴线测量系统包括矢量网络分析仪同轴传输线

和装载样品的夹具组成 其测量原理同样基于传

输 反射的基本理论根据微波在同轴线经过待测样

品前后的传输系数 Ｔ散射参数（ Ｓ１１（ω） Ｓ２１（ω）Ｓ１２（ω）Ｓ２２（ω） 和反射系数 Γ 所满足的相关公式反

演推导求出介电常数同轴线测量如图 ４ 所示

图 ４　 同轴线测量示意

Ｆｉｇ1049008 ４　 Ｃｏａｘｉａｌ ｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ

Ｘｕ Ｌ 等［２５］采用同轴传输线测试技术研究了在

２1049008 ０～１５1049008 ４ ＧＨｚ 测试频率范围内不同煤种不同制

焦温度下的煤焦介电性能并分析了介电常数随频

率制焦温度变化的原因 研究结果表明不同变质

程度煤所对应煤焦的介电性能存在显著差异不同

温度下生成的煤焦结构不同高温生成煤焦的介电

常数大于低温煤焦 蔡川川等［１３］ 基于传输反射法

原理制作了适宜测量高硫炼焦煤粉介电特性的同

轴线夹具可测量外径 ７ ｍｍ内径 ３1049008 ０４ ｍｍ厚度 ２ｍｍ 的同轴圆环煤样在 ０1049008 ２ ～ １８1049008 ０ ＧＨｚ温度 ２９３ Ｋ下的介电常数 研究结果表明高硫炼焦煤的介电

常数随频率的增大而略有下降煤中矿物成分中以

高岭石对煤的介电常数贡献最大灰分高的煤样其

介电常数大于灰分低的煤样研究结果对于微波脱

９

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

硫的频率选择工作具有一定的指导意义２）微波法 微波频段的介电常数测量可使用

波导或谐振腔技术对于煤炭的微波测量由于样品

尺寸精度通常不能满足波导法规定的要求因此通

常采用谐振腔技术进行介电常数测量 谐振腔测量

基本原理是当被测介质放入谐振腔时谐振腔的谐

振频率和品质因数发生变化从而可以计算被测材

料的相对介电常数和介电损耗角正切微扰法是指

测量样品的体积比腔体小得多且损耗也不大此时

样品对谐振腔内电磁场分布扰动较小以常用的

ＴＭ０１０圆柱谐振腔为例可将样品加工成细棒状放入

腔体的中央对于粉末状的样品可装入细玻璃管后

再放入腔体谐振腔结构如图 ５ 所示其介电常数的

解算公式如下

εprimeｒ ＝ １ ＋ Ｊ２１（ｘ０１）

ｆ０ － ｆｓＲ２０

ｆ０Ｒ２１

（９）

式中 Ｊ１（ｘ０１） 为一阶贝塞尔函数 Ｒ０ 为谐振腔的半

径ｍ Ｒ１ 为样品的半径ｍ ｆ０ 和 ｆｓ 分别为未加样品

和加样品的谐振频率Ｈｚ

图 ５　 谐振腔结构示意

Ｆｉｇ1049008 ５　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ

在微波频率段对煤炭的介电性质进行研究主要应用在煤炭的微波脱硫领域 微波脱硫方法最早

开始于 １９７８ 年文献［２６］的研究人员发明的专利该方法基于煤中硫分在某一特定频率微波辐射下能

够进行选择性地加热和化学反应而煤基质可以透

过微波不参与反应生热 杨笺康等［２７］ 采用谐振腔

微扰技术建立了一套由扫频仪定向耦合器可变

衰减器谐振腔和频率计组成的介电测量设备在２1049008 ４５ ＧＨｚ２０ 下对不同种类的含硫煤样浸提剂

和两者混合物的介电性质进行了测量研究结果表

明相比碳酸钠浸提剂氢氧化钠浸提剂可以有效加

快微波脱硫的速率脱硫量显著提高 Ｍａｒｌａｎｄ等［２８］采用谐振腔技术通过自建的带有程序控制的

加热谐振腔炉体对不同变质程度的英国型煤进行

了不同温度下的介电性质研究研究结果表明在８０～ １８０ 升温过程中介电常数存在明显下降趋

势而冷却过程中介电常数基本保持恒定值在选定

的 ０1049008 ６１５１1049008 ４１３２1049008 ２１６ ＧＨｚ 频率下煤样的复介电

常数随频率变化不显著说明频率不是影响微波吸

收的主要因素通过试验数据与 Ｌａｎｄａｕ Ｌｉｆｔｓｈｉｆｚ 公

式的进一步分析表明水分和含硫黄铁矿是影响微

波频段下煤的介电特性的最主要因素

３　 不同介电测量技术比较及发展趋势

３1049008 １　 煤的介电测量技术比较

通过比较各种煤炭介电测量系统可以发现各

种介电常数测量技术都与煤炭的内在因素和外部测

试环境（温度湿度压力等）密切相关并且逐渐趋

于高频化和数字化见表 １ 综合考虑这些介电测量

技术的优缺点发现每种测量方法都局限在一定的测

试频率范围内而且采用分布回路法测量技术对于煤

样的形状尺寸会有特殊具体要求即现有的煤炭介电

测量方法还无法在较大频谱（１０－１ ～１０１２ Ｈｚ）范围内对

专一煤样进行连续稳定的测量

表 １　 不同煤介电常数测量技术比较

Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｃｏａｌ

测量技术 测量仪器 测量频率范围 优点 缺点

数字电桥法 　 ＬＲＣ 数字电桥 ０1049008 １times１０－７ ～１５０ ＭＨｚ　 测量频段广具有针对不同

频段的电桥测量模型

　 高频段有杂散电容影响测量

精确性

谐振电路法 　 高频 Ｑ 表 １０～１００ ＭＨｚ　 可减少杂散电容和电感消除边缘效应

　 测量精度不高

传输线法　 传输线（同轴线）波导微带（带状线）

１００～１ ０００ ＭＨｚ　 测量快速简便能量损失

小可达 ８０ ｄＢ 动态范围　 存在接触阻抗测量重复性差

微波测量 　 波导谐振腔 ０1049008 １～３００ ＧＨｚ 　 测量灵敏度高　 空间分辨率较差测量夹具需

单独定制

３1049008 ２　 煤介电测量技术发展趋势

１）测试频率的提高 目前国内外科研领域已

开始进行大规模的太赫兹（ＴＨｚ）相关的光谱学光电激光材料方面的研究但对于煤炭在太赫兹频

０１

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

段下的介电测量还处于初步研究阶段［２９］相应的测

量方法和煤样加工方法还未形成标准２）测量温度的提高 现有的煤炭介电测量实

验大多在室温（２０ ）下进行很少涉及煤体受热加

温状态下的介电常数测量开展这方面的试验研究

可以为使用电磁法探测煤火或采空区火灾火源位置

提供基础的煤岩电磁参数基础数据３）宽频介电应用 将等效电路法与分布电路

法测量技术相融合不仅能够扩大频谱测试范围实现宽频测试还可以有效地消除因更换煤样（样品

的形状厚度外界环境因素）所带来的随机误差以及使用单个测量仪器在测量频率重复段所引起的

系统误差

４　 结　 　 论

１）国内外现有煤介电常数测量主要分为集总

电路法与分布回路法包括数字电桥法谐振电路

法传输线法和微波测量法各个方法所使用的测量

夹具和测试频率范围均不相同而且测量技术大多

借鉴美国 ＡＳＴＭ 标准和我国 ＧＢ Ｔ 推荐标准中关于

固体绝缘材料介电测量规范缺乏专门针对煤岩电

学性质（介电常数电阻率和磁化率）测量的国家标

准和规范２）煤介电测量技术逐渐趋于数字化与自动化

但还有待进一步研究的技术难点如在较低频段

（０1049008 ０１～１０００ Ｈｚ）下的介电测量易受到煤样内部的

电偶极子极化松弛界面极化和低频传导电流的影

响易造成低频介电频散和较大的试验误差而且该

现象也出现在以往对岩石介电常数测量的试验结果

中因此未来对于煤介电常数的测量工作应突破中

高频段的测试下限采用界面极化理论结合数值模

拟方法的手段以期考察低频电场下的松弛极化和

传导电流对介电常数的实际影响程度受煤的变质

程度测试频率温度水分和所受应力等因素的影

响现有的煤炭介电模型多为经验模型和半经验模

型各个模型的适用范围与模拟精度均有差异但半

经验模型依据固体电介质理论和实测数据进行参数

拟合在适用性和准确率方面相比经验模型具有明

显的优势因此半经验模型是未来煤介电测量技术

的理论研究重点３）此外随着太赫兹科学技术在煤矿物探领域

的发展和显现出较高空间分辨率的优势研究 ０1049008 １～１０ ＴＨｚ 频率范围内的煤岩介电常数测量技术将具

有十分广阔的应用前景可为煤矿井下水害自燃高

温火源点的电磁法探测提供重要的数据参考

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

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煤炭科学技术２０１３４１（７）１１８－１２２Ｂａｉ ＸｉａｎｇｆｅｉＷａｎｇ ＹｕｅＳｔｕｄｙ ｏｎ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ Ｐｉｎｇｓｈｕｏ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１３４１（７）１１８－１２２

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２４２４Ｚｈｏｕ ＺｈｅＬｕ ＹｉｙｕＧｅ Ｚｈａｏｌｏｎｇｅｔ ａｌＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｕｎｄｅｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｗａｔｅｒ ａｎｄ ｇａｓ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１４３９（１２）２４１８－２４２４

［４］ 　 张　 慧煤孔隙的成因类型及其研究［ Ｊ］ 煤炭学报２００１２６（１）４０－４４Ｚｈａｎｇ ＨｕｉＧｅｎｅｔｉｃａｌ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｒｏｅｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２００１２６（１）４０－

４４［５］ 　 张　 欣叶　 丹顾　 璠煤颗粒内水分介电各向异性分布的研

究［Ｊ］ 工程热物理学报２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８Ｚｈａｎｇ ＸｉｎＹｅ ＤａｎＧｕ Ｐａｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８

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学（北京）２０１１［７］ 　 徐　 樑煤焦微波介电性能的研究［Ｄ］太原太原理工大学

２０１５［８］ 　 陶培培十六十七世纪之交的西方磁现象探索之研究［Ｄ］上

海上海交通大学２０１４［９］ 　 李景德电介质理论［Ｍ］北京科学出版社２００３２－１０［１０］ 　 周艳丽熊　 畅电介质极化现象的微观机制讨论［ Ｊ］ 大学物

理２０１５３４（６）９－１２Ｚｈｏｕ Ｙａｎｌｉ Ｘｉｏｎｇ Ｃｈａｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ２０１５３４（６）９－１２

［１１］ 　 聂百胜何学秋王恩元等煤岩力电耦合模型及其参数计算

［Ｊ］ 中国矿业大学学报２００７３６（４）５０５－５０８Ｎｉｅ ＢａｉｓｈｅｎｇＨｅ ＸｕｅｑｉｕＷａｎｇ Ｅｎｙｕａｎｅｔ ａｌＣｏｕｐｌｅｄ ｓｔｒｅｓｓ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏａｌ ｏｒｒｏｃｋ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００７３６（４）５０５－５０８

［１２］ 　 王恩元李忠辉何学秋等煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术

及应用［Ｊ］ 煤炭科学技术２０１４４２（６）５３－５７９１Ｗａｎｇ Ｅｎｙｕａｎ Ｌｉ Ｚｈｏｎｇｈｕｉ Ｈｅ Ｘｕｅｑｉｕ ｅｔ ａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１４４２（６）５３－５７９１

１１

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

［１３］　 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２０１３３８（９）１６５６－１６６１Ｃａｉ ＣｈｕａｎｃｈｕａｎＺｈａｎｇ ＭｉｎｇｘｕＭｉｎ Ｆａｎｆｅｉｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｋｉｎｇ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｕｌｆｕｒ ｃｏｎｔｅｎｔ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１３３８（９）１６５６－１６６１

［１４］ 　 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ ＪＺａｎｃｈｅｔｔａ ＪＤｉａｂｙ ＳＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌｓ ｂｙ ｔｈｅｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ１９８７６６（２）１７９－１８４

［１５］ 　 Ｗａｎｇ ＱＺｈａｎｇ ＸＧｕ ＦＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８８９（６）６３３－６４１

［１６］ 　 Ｌｉｕ ＨＷａｎｇ Ｗ ＪＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏａｌｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ［ Ｃ］ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌｉｎｇ （ ｉｃｃａｓｍ）２０１０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ［Ｓｌ］［ ｓｎ］２０１０３９５－３９８

［１７］ 　 Ｎｅｌｓｏｎ ＳＦａｎｓｌｏｗ ＧＢｌｕｈｍ ＤＦｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ１９８０１５（４）８２－２７７

［１８］ 　 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２０１０３８（８）７７－８０Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＷｅｉ ＪｉａｎｐｉｎｇＬｉｕ ＭｉｎｇｊｕＡｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｏｆｔ ｓｅａｍ［Ｊ］ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１０３８（８）７７－８０

［１９］ 　 何学秋王恩元聂百胜煤岩流变电磁动力学［Ｍ］北京科学出版社２００３２０８－２０９

［２０］ 　 聂百胜含瓦斯煤岩力电效应及机理的研究［Ｄ］徐州中国

矿业大学２００１［２１］ 　 王云刚张　 莉李　 盟等受载含瓦斯煤体电性参数与渗透

率关系的试验研究［ Ｊ］ 河南理工大学学报自然科学版２０１３３２（４）３８０－３８４Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＺｈａｎｇ ＬｉＬｉ Ｍｅｎｇｅｔ ａｌＲｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｂｅｉｎｇ ｌｏａｄｅｄ ｇａｓ－ｆｉｌｌｅｄ ｃｏａｌ

［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ２０１３３２（４）３８０－３８４

［２２］ 　 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ ＯＢｕｌｙｃｈｅｖａ ＮＫｏｌｙａｓｎｉｋｏｖ ＶＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｄ Ｎａｚａｒｏｖｏ ｂｒｏｗｎ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｐｌｏｅｎｅｒｇｅｔｉｋａ）１９７２１９ （ １）１２０ －

１２２［２３］ 　 万琼芝煤的电阻率和相对介电常数［Ｊ］ 煤矿安全技术１９８２

（１）１７－２４Ｗａｎ Ｑｉｏｎｇｚｈｉ Ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ［Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８２（１）１７－２４

［２４］ 　 吕绍林何继善瓦斯突出煤体的介电性质研究［ Ｊ］ 世界地

质１９９７１６（４）４３－４６Ｌｙｕ ＳｈａｏｌｉｎＨｅ Ｊｉｓｈａｎ Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇａｓｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ［Ｊ］ Ｇｌｏｂａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ１９９７１６（４）４３－４６

［２５］ 　 Ｘｕ ＬＬｉｕ ＨＪｉｎ Ｙｅｔ ａｌＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｒｄｅｒ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ ｃｏａｌ ｃｈａｒｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２０１４１３７１６４－１７１

［２６］ 　 Ｇｏｌｄｅｎ Ｊ Ａ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌ ｏｒ ａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎＵＳ４１５２１２０Ａ［Ｐ］１９７９－０５－０１

［２７］ 　 杨笺康任皆利煤微波脱硫及其与试样介电性质的关系［ Ｊ］ 华东化工学院学报１９８８１４（６）７１３－７１８Ｙａｎｇ ＪｉａｎｋａｎｇＲｅｎ Ｊｉｅｌｉ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＥａｓｔＣｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８８１４（６）７１３－７１８

［２８］ 　 Ｍａｒｌａｎｄ ＳＭｅｒｃｈａｎｔ ＡＲｏｗｓｏｎ Ｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２００１８０（１３）１８３９－１８４９

［２９］ 　 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２０１６４５（４）１－８Ｗａｎｇ ＸｉＭｉａｏ ＳｈｕｇｕａｎｇＤｉｎｇ ＥｎｊｉｅＳｔｕｄｙ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｄｏｍａｉｎ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１６４５（４）１－８

２１

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

目前煤炭的介电模型主要有基于半经验的模型和经

验模型１）半经验模型 １９８７ 年法国学者 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ［１４］

首次将ldquo低温碳rdquo结构试验法运用到煤炭介电试验

研究中针对干燥煤粉两相ldquo固－气rdquo结构引入试验

温度测试频率相关影响因素提出了如下模型

εprime（ω） ＝ εyen＋ （εｓ － εyen）Ｋ

σprime（ω）ε０ωｓｉｎ （ ｓπ）

（３）

式中 εyen 为超高频下的介电常数εｓ 为频率趋于 ０时的介电常数 ｓ 为温度相关系数Ｋ 为两相的经验

常数σprime（ω）为煤的电导率实部国内学者顾璠等［１５］ 通过微波加热技术与煤颗

粒内水分介电各向异性分布规律结合把煤结构与

煤内水分分布形态视作同心圆柱状纤维体结构水分分布按照高斯分布函数近似处理得到如下模型

εｒｒ ＝π４εｒ０

εｒ１ ＋ ２εｒ０ ＋ ２αｕ（εｒ１ － εｒ０）εｒ１ ＋ ２εｒ０ － αｕ（εｒ１ － εｒ０）

（４）

式中εｒｒ为平行于同心圆柱轴方向的介电常数εｒ０

为主相炭的相对介电常数εｒ１为煤内在水分的相对

介电常数 α 为扩散系数 μ 为内在水分相对浓度刘禾等［１６］基于等效电路原理将煤炭的三相结

构简化为煤粉与水分两相结构利用煤含水率 Ｗ 煤体温度 Ｔ 体积系数 Ｋρ 建立了液固二相混合物通

用介电常数数学模型

Ｗ ＝３ １1049008 ３３３（εｒ － ２1049008 ５）

Ｋρ ８２1049008 ５８ － ０1049008 ３７Ｔ ＋ ６1049008 ２５８７1049008 ５８ － ０1049008 ３７Ｔ

aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

（５）２）经验模型 Ｎｅｌｓｏｎ Ｓ1049008 Ｏ1049008 ［１７］ 利用矩形波导等

系统技术测试了煤样的介电常数分别研究了测试

频率对 ３ 种不同体积分数煤样的介电特性影响通过数据拟合分别得到不同体积分数下煤炭的介电

常数的二次方程εprimeｒ ＝ Ａ ＋ Ｂρｂ ＋ Ｃρ２

ｂ （６）　 　 其中ρｂ 为煤样的体密度ｋｇ ｍ３ Ａ Ｂ Ｃ 为

经验参数 在测试频率为 １５０ ＭＨｚ１２ ＧＨｚ 时８ 种

煤样均表现出介电常数随体密度增加而增大的趋

势 因此此经验公式只考虑了体密度对介电常数

的影响王云刚等［１８］ 研究了煤的灰分 ｘ１水分 ｘ２挥发

分 ｘ３孔隙率 ｘ４ 和视密度 ｘ５ 对介电特性的影响在Ｅｖｉｅｗ 统计软件数据分析的基础上建立了回归

方程

ε ＝ ｅ７1049008 ０ｘ１1049008 ２２１ ｘ －０1049008 ３９

２ ｘ －１1049008 ２２３ ｘ０1049008 ６７

４ ｘ －８1049008 ６１５ （７）

从回归方程可知水分灰分和视密度是影响介

电常数的主要因素孔隙率和挥发分对介电常数影

响较小

２　 煤介电测量技术

针对不同外形尺寸电气参数力学物理状态和

使用频段的煤炭介质材料需要有对应的测量技术包括测量方法测量夹具和分析计算方法 对于煤

炭这种固体混合物介质通常采用的测量方法包括

数字电桥法谐振电路法传输线法和微波法等２1049008 １　 集总电路法测量技术

１）数字电桥法 使用数字电桥法进行介电常

数测量通常是将待测煤样作为介质插入两平行电

极之间电极的两端分别连接到数字电桥整个电极

电路根据求解需求可等效为电阻 Ｒ 和电容 Ｃ 的串

联或并联模型［１９］其等效电路模型如图 ２ 所示 数

字电桥法适合于低频段（０1049008 １times１０－７ ～ １５０ ＭＨｚ）的介

电测量输入电压可根据试验需求进行设定根据数

字电桥型号的不同可分别作定点频率或连续频率

点的测量

图 ２　 电极等效电路模型

Ｆｉｇ1049008 ２　 Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ

由于数字电桥法的电极尺寸形状可根据被测

物的需求而制作同时测量精度较高被广泛应用于

与煤岩物理状态相关的介电特性研究 聂百胜［２０］

建立了含瓦斯煤岩体电性参数测量试验系统可测

量煤岩体在受载情况下的介电常数和电阻率参数该试验系统由 ＬＣＲ 介电测试仪加载系统和屏蔽系

统组成电极采用平行板铜制电极煤样尺寸加工为

５０ ｍｍtimes１００ ｍｍ 的圆柱形样品试验结果表明煤岩

体在受载前后电性参数变化较大介电常数随应力

增大而迅速增大直至煤岩破坏变形后达到最大值王云刚［２１］建立了一套由轴压加载系统围压控制系

统平行板电极与 ＬＣＲ 表组成的电学系统和屏蔽系

统 ４ 部分组成的电性测试系统可测试原生结构煤

样或型煤煤样在 ０1049008 １～ １０ ｋＨｚ 频率内渗透率与介电

常数间的变化规律所得到的试验结果表明无论是

型煤还是原生结构煤在变形破裂过程中的介电常

数随渗透率的增大而增大最终值较初始值要大一

８

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

个数量级２）谐振电路法 谐振电路法适合高频段的介电

常数测量可以测量从工频至几百兆赫兹的频段测量范围较宽 其测量装置如图 ３ 所示包括信号发生

装置测量仪表调谐电路和电极系统组成 测量原

理是通过测定加入电介质前后的电量变化以及对应

的谐振电容 Ｃ１Ｃ２并按照公式（８）计算 εｒεｒ ＝ １４1049008 ４ｈ（Ｃ１ － Ｃ２） Ｄ２ （８）

式中 ｈ 为试样厚度ｃｍ Ｄ 为电极直径ｃｍ

图 ３　 谐振电路测量示意

Ｆｉｇ1049008 ３　 Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

调谐电路因其测量电路结构简单对于杂散电容

和电感可以有效抑制因此被早期国内外研究人员广

泛使用 １９７２ 年前苏联学者 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ［２２］为研究褐

煤水分与介电常数的关系通过自制的平行板电极结

合高频 Ｑ 表测试装置在 ０1049008 ５～１０ ＭＨｚ 频率范围内对

１０～１８含水率的煤样进行了测试结果表明煤水

分与介电常数呈线性关系 为掌握高频无线电物探

仪器所需的煤岩基本电性参数我国学者万琼芝［２３］

进行了大量的煤介电特性试验研究采用并联谐振法

在常温下对不同煤阶的干燥煤样进行介电常数的测

量测试频率选取了 ０1049008 ５ ～ １６０ ＭＨｚ 内有代表性的 ７个测试频点试验结果表明煤样的介电常数在低频段

出现频散现象并随着频率的升高大多数的煤样介电

常数随之减小在高频段趋于稳定随着变质程度的

增加介电常数先减小后增大无烟煤的介电常数比

烟煤高出一个数量级此外试验研究还表明介电常

数与煤样的温度湿度有密切关系 为研究电磁波在

瓦斯突出煤层中的传播规律针对构造煤的机械强度

较低孔隙裂隙较多易产生褶皱和破碎的特点吕绍

林等［２４］设计加工了一套可在 ５times１０－２ ～５０ ＭＨｚ 频率范

围内测量构造煤节电特性的系统该系统基于调谐原

理由高频 Ｑ 表和专用的并联样品夹具组成测量厚

度 １～１０ ｍｍ直径大于或等于 ４２ ｍｍ 的煤样研究结

果表明具有瓦斯突出特征的构造煤其介电常数与

同一矿区的非突出煤的介电常数存在显著差异构造

煤体的温度较湿度和测试频率对介电常数的影响

较小

２1049008 ２　 分布电路法测量技术

１）传输线法 传输线法适合 １００ ～ １ ０００ ＭＨｚ频率范围内有较大介电损耗特征材料的介电测量而且能够有效减少测试过程中的辐射效应和趋肤效

应 根据电极所用的测试夹具不同传输线法可采

用同轴传输线法和波导 ２ 种测试类型波导法测量方法依据的是传输 反射法其测量

介电常数的原理是首先在特定的矩形波导中填充

特制成型的待测试样然后用矢量网络分析仪测得

被测样品两端的散射参数 Ｓ通过与未填充样品时

的 Ｓ 参数进行散射方程反演计算得到填充试样的

复介电常数 波导法适宜在微波频率下测量并且

每一种波导只能在平均波长两侧特定范围内传输电

磁波频率覆盖面较窄此外对于样品的尺寸精度要

求较高同轴传输线法较波导法的测试频率较宽广可

测量的频率范围达到 １００ ～ ６ ０００ ＭＨｚ而且不需要

对测试材料进行精密加工及尺寸大小的特殊要求同轴线测量系统包括矢量网络分析仪同轴传输线

和装载样品的夹具组成 其测量原理同样基于传

输 反射的基本理论根据微波在同轴线经过待测样

品前后的传输系数 Ｔ散射参数（ Ｓ１１（ω） Ｓ２１（ω）Ｓ１２（ω）Ｓ２２（ω） 和反射系数 Γ 所满足的相关公式反

演推导求出介电常数同轴线测量如图 ４ 所示

图 ４　 同轴线测量示意

Ｆｉｇ1049008 ４　 Ｃｏａｘｉａｌ ｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ

Ｘｕ Ｌ 等［２５］采用同轴传输线测试技术研究了在

２1049008 ０～１５1049008 ４ ＧＨｚ 测试频率范围内不同煤种不同制

焦温度下的煤焦介电性能并分析了介电常数随频

率制焦温度变化的原因 研究结果表明不同变质

程度煤所对应煤焦的介电性能存在显著差异不同

温度下生成的煤焦结构不同高温生成煤焦的介电

常数大于低温煤焦 蔡川川等［１３］ 基于传输反射法

原理制作了适宜测量高硫炼焦煤粉介电特性的同

轴线夹具可测量外径 ７ ｍｍ内径 ３1049008 ０４ ｍｍ厚度 ２ｍｍ 的同轴圆环煤样在 ０1049008 ２ ～ １８1049008 ０ ＧＨｚ温度 ２９３ Ｋ下的介电常数 研究结果表明高硫炼焦煤的介电

常数随频率的增大而略有下降煤中矿物成分中以

高岭石对煤的介电常数贡献最大灰分高的煤样其

介电常数大于灰分低的煤样研究结果对于微波脱

９

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

硫的频率选择工作具有一定的指导意义２）微波法 微波频段的介电常数测量可使用

波导或谐振腔技术对于煤炭的微波测量由于样品

尺寸精度通常不能满足波导法规定的要求因此通

常采用谐振腔技术进行介电常数测量 谐振腔测量

基本原理是当被测介质放入谐振腔时谐振腔的谐

振频率和品质因数发生变化从而可以计算被测材

料的相对介电常数和介电损耗角正切微扰法是指

测量样品的体积比腔体小得多且损耗也不大此时

样品对谐振腔内电磁场分布扰动较小以常用的

ＴＭ０１０圆柱谐振腔为例可将样品加工成细棒状放入

腔体的中央对于粉末状的样品可装入细玻璃管后

再放入腔体谐振腔结构如图 ５ 所示其介电常数的

解算公式如下

εprimeｒ ＝ １ ＋ Ｊ２１（ｘ０１）

ｆ０ － ｆｓＲ２０

ｆ０Ｒ２１

（９）

式中 Ｊ１（ｘ０１） 为一阶贝塞尔函数 Ｒ０ 为谐振腔的半

径ｍ Ｒ１ 为样品的半径ｍ ｆ０ 和 ｆｓ 分别为未加样品

和加样品的谐振频率Ｈｚ

图 ５　 谐振腔结构示意

Ｆｉｇ1049008 ５　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ

在微波频率段对煤炭的介电性质进行研究主要应用在煤炭的微波脱硫领域 微波脱硫方法最早

开始于 １９７８ 年文献［２６］的研究人员发明的专利该方法基于煤中硫分在某一特定频率微波辐射下能

够进行选择性地加热和化学反应而煤基质可以透

过微波不参与反应生热 杨笺康等［２７］ 采用谐振腔

微扰技术建立了一套由扫频仪定向耦合器可变

衰减器谐振腔和频率计组成的介电测量设备在２1049008 ４５ ＧＨｚ２０ 下对不同种类的含硫煤样浸提剂

和两者混合物的介电性质进行了测量研究结果表

明相比碳酸钠浸提剂氢氧化钠浸提剂可以有效加

快微波脱硫的速率脱硫量显著提高 Ｍａｒｌａｎｄ等［２８］采用谐振腔技术通过自建的带有程序控制的

加热谐振腔炉体对不同变质程度的英国型煤进行

了不同温度下的介电性质研究研究结果表明在８０～ １８０ 升温过程中介电常数存在明显下降趋

势而冷却过程中介电常数基本保持恒定值在选定

的 ０1049008 ６１５１1049008 ４１３２1049008 ２１６ ＧＨｚ 频率下煤样的复介电

常数随频率变化不显著说明频率不是影响微波吸

收的主要因素通过试验数据与 Ｌａｎｄａｕ Ｌｉｆｔｓｈｉｆｚ 公

式的进一步分析表明水分和含硫黄铁矿是影响微

波频段下煤的介电特性的最主要因素

３　 不同介电测量技术比较及发展趋势

３1049008 １　 煤的介电测量技术比较

通过比较各种煤炭介电测量系统可以发现各

种介电常数测量技术都与煤炭的内在因素和外部测

试环境（温度湿度压力等）密切相关并且逐渐趋

于高频化和数字化见表 １ 综合考虑这些介电测量

技术的优缺点发现每种测量方法都局限在一定的测

试频率范围内而且采用分布回路法测量技术对于煤

样的形状尺寸会有特殊具体要求即现有的煤炭介电

测量方法还无法在较大频谱（１０－１ ～１０１２ Ｈｚ）范围内对

专一煤样进行连续稳定的测量

表 １　 不同煤介电常数测量技术比较

Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｃｏａｌ

测量技术 测量仪器 测量频率范围 优点 缺点

数字电桥法 　 ＬＲＣ 数字电桥 ０1049008 １times１０－７ ～１５０ ＭＨｚ　 测量频段广具有针对不同

频段的电桥测量模型

　 高频段有杂散电容影响测量

精确性

谐振电路法 　 高频 Ｑ 表 １０～１００ ＭＨｚ　 可减少杂散电容和电感消除边缘效应

　 测量精度不高

传输线法　 传输线（同轴线）波导微带（带状线）

１００～１ ０００ ＭＨｚ　 测量快速简便能量损失

小可达 ８０ ｄＢ 动态范围　 存在接触阻抗测量重复性差

微波测量 　 波导谐振腔 ０1049008 １～３００ ＧＨｚ 　 测量灵敏度高　 空间分辨率较差测量夹具需

单独定制

３1049008 ２　 煤介电测量技术发展趋势

１）测试频率的提高 目前国内外科研领域已

开始进行大规模的太赫兹（ＴＨｚ）相关的光谱学光电激光材料方面的研究但对于煤炭在太赫兹频

０１

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

段下的介电测量还处于初步研究阶段［２９］相应的测

量方法和煤样加工方法还未形成标准２）测量温度的提高 现有的煤炭介电测量实

验大多在室温（２０ ）下进行很少涉及煤体受热加

温状态下的介电常数测量开展这方面的试验研究

可以为使用电磁法探测煤火或采空区火灾火源位置

提供基础的煤岩电磁参数基础数据３）宽频介电应用 将等效电路法与分布电路

法测量技术相融合不仅能够扩大频谱测试范围实现宽频测试还可以有效地消除因更换煤样（样品

的形状厚度外界环境因素）所带来的随机误差以及使用单个测量仪器在测量频率重复段所引起的

系统误差

４　 结　 　 论

１）国内外现有煤介电常数测量主要分为集总

电路法与分布回路法包括数字电桥法谐振电路

法传输线法和微波测量法各个方法所使用的测量

夹具和测试频率范围均不相同而且测量技术大多

借鉴美国 ＡＳＴＭ 标准和我国 ＧＢ Ｔ 推荐标准中关于

固体绝缘材料介电测量规范缺乏专门针对煤岩电

学性质（介电常数电阻率和磁化率）测量的国家标

准和规范２）煤介电测量技术逐渐趋于数字化与自动化

但还有待进一步研究的技术难点如在较低频段

（０1049008 ０１～１０００ Ｈｚ）下的介电测量易受到煤样内部的

电偶极子极化松弛界面极化和低频传导电流的影

响易造成低频介电频散和较大的试验误差而且该

现象也出现在以往对岩石介电常数测量的试验结果

中因此未来对于煤介电常数的测量工作应突破中

高频段的测试下限采用界面极化理论结合数值模

拟方法的手段以期考察低频电场下的松弛极化和

传导电流对介电常数的实际影响程度受煤的变质

程度测试频率温度水分和所受应力等因素的影

响现有的煤炭介电模型多为经验模型和半经验模

型各个模型的适用范围与模拟精度均有差异但半

经验模型依据固体电介质理论和实测数据进行参数

拟合在适用性和准确率方面相比经验模型具有明

显的优势因此半经验模型是未来煤介电测量技术

的理论研究重点３）此外随着太赫兹科学技术在煤矿物探领域

的发展和显现出较高空间分辨率的优势研究 ０1049008 １～１０ ＴＨｚ 频率范围内的煤岩介电常数测量技术将具

有十分广阔的应用前景可为煤矿井下水害自燃高

温火源点的电磁法探测提供重要的数据参考

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

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煤炭科学技术２０１３４１（７）１１８－１２２Ｂａｉ ＸｉａｎｇｆｅｉＷａｎｇ ＹｕｅＳｔｕｄｙ ｏｎ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ Ｐｉｎｇｓｈｕｏ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１３４１（７）１１８－１２２

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４４［５］ 　 张　 欣叶　 丹顾　 璠煤颗粒内水分介电各向异性分布的研

究［Ｊ］ 工程热物理学报２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８Ｚｈａｎｇ ＸｉｎＹｅ ＤａｎＧｕ Ｐａｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８

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２０１５［８］ 　 陶培培十六十七世纪之交的西方磁现象探索之研究［Ｄ］上

海上海交通大学２０１４［９］ 　 李景德电介质理论［Ｍ］北京科学出版社２００３２－１０［１０］ 　 周艳丽熊　 畅电介质极化现象的微观机制讨论［ Ｊ］ 大学物

理２０１５３４（６）９－１２Ｚｈｏｕ Ｙａｎｌｉ Ｘｉｏｎｇ Ｃｈａｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ２０１５３４（６）９－１２

［１１］ 　 聂百胜何学秋王恩元等煤岩力电耦合模型及其参数计算

［Ｊ］ 中国矿业大学学报２００７３６（４）５０５－５０８Ｎｉｅ ＢａｉｓｈｅｎｇＨｅ ＸｕｅｑｉｕＷａｎｇ Ｅｎｙｕａｎｅｔ ａｌＣｏｕｐｌｅｄ ｓｔｒｅｓｓ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏａｌ ｏｒｒｏｃｋ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００７３６（４）５０５－５０８

［１２］ 　 王恩元李忠辉何学秋等煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术

及应用［Ｊ］ 煤炭科学技术２０１４４２（６）５３－５７９１Ｗａｎｇ Ｅｎｙｕａｎ Ｌｉ Ｚｈｏｎｇｈｕｉ Ｈｅ Ｘｕｅｑｉｕ ｅｔ ａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１４４２（６）５３－５７９１

１１

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

［１３］　 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２０１３３８（９）１６５６－１６６１Ｃａｉ ＣｈｕａｎｃｈｕａｎＺｈａｎｇ ＭｉｎｇｘｕＭｉｎ Ｆａｎｆｅｉｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｋｉｎｇ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｕｌｆｕｒ ｃｏｎｔｅｎｔ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１３３８（９）１６５６－１６６１

［１４］ 　 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ ＪＺａｎｃｈｅｔｔａ ＪＤｉａｂｙ ＳＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌｓ ｂｙ ｔｈｅｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ１９８７６６（２）１７９－１８４

［１５］ 　 Ｗａｎｇ ＱＺｈａｎｇ ＸＧｕ ＦＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８８９（６）６３３－６４１

［１６］ 　 Ｌｉｕ ＨＷａｎｇ Ｗ ＪＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏａｌｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ［ Ｃ］ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌｉｎｇ （ ｉｃｃａｓｍ）２０１０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ［Ｓｌ］［ ｓｎ］２０１０３９５－３９８

［１７］ 　 Ｎｅｌｓｏｎ ＳＦａｎｓｌｏｗ ＧＢｌｕｈｍ ＤＦｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ１９８０１５（４）８２－２７７

［１８］ 　 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２０１０３８（８）７７－８０Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＷｅｉ ＪｉａｎｐｉｎｇＬｉｕ ＭｉｎｇｊｕＡｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｏｆｔ ｓｅａｍ［Ｊ］ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１０３８（８）７７－８０

［１９］ 　 何学秋王恩元聂百胜煤岩流变电磁动力学［Ｍ］北京科学出版社２００３２０８－２０９

［２０］ 　 聂百胜含瓦斯煤岩力电效应及机理的研究［Ｄ］徐州中国

矿业大学２００１［２１］ 　 王云刚张　 莉李　 盟等受载含瓦斯煤体电性参数与渗透

率关系的试验研究［ Ｊ］ 河南理工大学学报自然科学版２０１３３２（４）３８０－３８４Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＺｈａｎｇ ＬｉＬｉ Ｍｅｎｇｅｔ ａｌＲｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｂｅｉｎｇ ｌｏａｄｅｄ ｇａｓ－ｆｉｌｌｅｄ ｃｏａｌ

［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ２０１３３２（４）３８０－３８４

［２２］ 　 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ ＯＢｕｌｙｃｈｅｖａ ＮＫｏｌｙａｓｎｉｋｏｖ ＶＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｄ Ｎａｚａｒｏｖｏ ｂｒｏｗｎ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｐｌｏｅｎｅｒｇｅｔｉｋａ）１９７２１９ （ １）１２０ －

１２２［２３］ 　 万琼芝煤的电阻率和相对介电常数［Ｊ］ 煤矿安全技术１９８２

（１）１７－２４Ｗａｎ Ｑｉｏｎｇｚｈｉ Ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ［Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８２（１）１７－２４

［２４］ 　 吕绍林何继善瓦斯突出煤体的介电性质研究［ Ｊ］ 世界地

质１９９７１６（４）４３－４６Ｌｙｕ ＳｈａｏｌｉｎＨｅ Ｊｉｓｈａｎ Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇａｓｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ［Ｊ］ Ｇｌｏｂａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ１９９７１６（４）４３－４６

［２５］ 　 Ｘｕ ＬＬｉｕ ＨＪｉｎ Ｙｅｔ ａｌＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｒｄｅｒ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ ｃｏａｌ ｃｈａｒｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２０１４１３７１６４－１７１

［２６］ 　 Ｇｏｌｄｅｎ Ｊ Ａ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌ ｏｒ ａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎＵＳ４１５２１２０Ａ［Ｐ］１９７９－０５－０１

［２７］ 　 杨笺康任皆利煤微波脱硫及其与试样介电性质的关系［ Ｊ］ 华东化工学院学报１９８８１４（６）７１３－７１８Ｙａｎｇ ＪｉａｎｋａｎｇＲｅｎ Ｊｉｅｌｉ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＥａｓｔＣｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８８１４（６）７１３－７１８

［２８］ 　 Ｍａｒｌａｎｄ ＳＭｅｒｃｈａｎｔ ＡＲｏｗｓｏｎ Ｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２００１８０（１３）１８３９－１８４９

［２９］ 　 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２０１６４５（４）１－８Ｗａｎｇ ＸｉＭｉａｏ ＳｈｕｇｕａｎｇＤｉｎｇ ＥｎｊｉｅＳｔｕｄｙ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｄｏｍａｉｎ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１６４５（４）１－８

２１

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

个数量级２）谐振电路法 谐振电路法适合高频段的介电

常数测量可以测量从工频至几百兆赫兹的频段测量范围较宽 其测量装置如图 ３ 所示包括信号发生

装置测量仪表调谐电路和电极系统组成 测量原

理是通过测定加入电介质前后的电量变化以及对应

的谐振电容 Ｃ１Ｃ２并按照公式（８）计算 εｒεｒ ＝ １４1049008 ４ｈ（Ｃ１ － Ｃ２） Ｄ２ （８）

式中 ｈ 为试样厚度ｃｍ Ｄ 为电极直径ｃｍ

图 ３　 谐振电路测量示意

Ｆｉｇ1049008 ３　 Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

调谐电路因其测量电路结构简单对于杂散电容

和电感可以有效抑制因此被早期国内外研究人员广

泛使用 １９７２ 年前苏联学者 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ［２２］为研究褐

煤水分与介电常数的关系通过自制的平行板电极结

合高频 Ｑ 表测试装置在 ０1049008 ５～１０ ＭＨｚ 频率范围内对

１０～１８含水率的煤样进行了测试结果表明煤水

分与介电常数呈线性关系 为掌握高频无线电物探

仪器所需的煤岩基本电性参数我国学者万琼芝［２３］

进行了大量的煤介电特性试验研究采用并联谐振法

在常温下对不同煤阶的干燥煤样进行介电常数的测

量测试频率选取了 ０1049008 ５ ～ １６０ ＭＨｚ 内有代表性的 ７个测试频点试验结果表明煤样的介电常数在低频段

出现频散现象并随着频率的升高大多数的煤样介电

常数随之减小在高频段趋于稳定随着变质程度的

增加介电常数先减小后增大无烟煤的介电常数比

烟煤高出一个数量级此外试验研究还表明介电常

数与煤样的温度湿度有密切关系 为研究电磁波在

瓦斯突出煤层中的传播规律针对构造煤的机械强度

较低孔隙裂隙较多易产生褶皱和破碎的特点吕绍

林等［２４］设计加工了一套可在 ５times１０－２ ～５０ ＭＨｚ 频率范

围内测量构造煤节电特性的系统该系统基于调谐原

理由高频 Ｑ 表和专用的并联样品夹具组成测量厚

度 １～１０ ｍｍ直径大于或等于 ４２ ｍｍ 的煤样研究结

果表明具有瓦斯突出特征的构造煤其介电常数与

同一矿区的非突出煤的介电常数存在显著差异构造

煤体的温度较湿度和测试频率对介电常数的影响

较小

２1049008 ２　 分布电路法测量技术

１）传输线法 传输线法适合 １００ ～ １ ０００ ＭＨｚ频率范围内有较大介电损耗特征材料的介电测量而且能够有效减少测试过程中的辐射效应和趋肤效

应 根据电极所用的测试夹具不同传输线法可采

用同轴传输线法和波导 ２ 种测试类型波导法测量方法依据的是传输 反射法其测量

介电常数的原理是首先在特定的矩形波导中填充

特制成型的待测试样然后用矢量网络分析仪测得

被测样品两端的散射参数 Ｓ通过与未填充样品时

的 Ｓ 参数进行散射方程反演计算得到填充试样的

复介电常数 波导法适宜在微波频率下测量并且

每一种波导只能在平均波长两侧特定范围内传输电

磁波频率覆盖面较窄此外对于样品的尺寸精度要

求较高同轴传输线法较波导法的测试频率较宽广可

测量的频率范围达到 １００ ～ ６ ０００ ＭＨｚ而且不需要

对测试材料进行精密加工及尺寸大小的特殊要求同轴线测量系统包括矢量网络分析仪同轴传输线

和装载样品的夹具组成 其测量原理同样基于传

输 反射的基本理论根据微波在同轴线经过待测样

品前后的传输系数 Ｔ散射参数（ Ｓ１１（ω） Ｓ２１（ω）Ｓ１２（ω）Ｓ２２（ω） 和反射系数 Γ 所满足的相关公式反

演推导求出介电常数同轴线测量如图 ４ 所示

图 ４　 同轴线测量示意

Ｆｉｇ1049008 ４　 Ｃｏａｘｉａｌ ｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ

Ｘｕ Ｌ 等［２５］采用同轴传输线测试技术研究了在

２1049008 ０～１５1049008 ４ ＧＨｚ 测试频率范围内不同煤种不同制

焦温度下的煤焦介电性能并分析了介电常数随频

率制焦温度变化的原因 研究结果表明不同变质

程度煤所对应煤焦的介电性能存在显著差异不同

温度下生成的煤焦结构不同高温生成煤焦的介电

常数大于低温煤焦 蔡川川等［１３］ 基于传输反射法

原理制作了适宜测量高硫炼焦煤粉介电特性的同

轴线夹具可测量外径 ７ ｍｍ内径 ３1049008 ０４ ｍｍ厚度 ２ｍｍ 的同轴圆环煤样在 ０1049008 ２ ～ １８1049008 ０ ＧＨｚ温度 ２９３ Ｋ下的介电常数 研究结果表明高硫炼焦煤的介电

常数随频率的增大而略有下降煤中矿物成分中以

高岭石对煤的介电常数贡献最大灰分高的煤样其

介电常数大于灰分低的煤样研究结果对于微波脱

９

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

硫的频率选择工作具有一定的指导意义２）微波法 微波频段的介电常数测量可使用

波导或谐振腔技术对于煤炭的微波测量由于样品

尺寸精度通常不能满足波导法规定的要求因此通

常采用谐振腔技术进行介电常数测量 谐振腔测量

基本原理是当被测介质放入谐振腔时谐振腔的谐

振频率和品质因数发生变化从而可以计算被测材

料的相对介电常数和介电损耗角正切微扰法是指

测量样品的体积比腔体小得多且损耗也不大此时

样品对谐振腔内电磁场分布扰动较小以常用的

ＴＭ０１０圆柱谐振腔为例可将样品加工成细棒状放入

腔体的中央对于粉末状的样品可装入细玻璃管后

再放入腔体谐振腔结构如图 ５ 所示其介电常数的

解算公式如下

εprimeｒ ＝ １ ＋ Ｊ２１（ｘ０１）

ｆ０ － ｆｓＲ２０

ｆ０Ｒ２１

（９）

式中 Ｊ１（ｘ０１） 为一阶贝塞尔函数 Ｒ０ 为谐振腔的半

径ｍ Ｒ１ 为样品的半径ｍ ｆ０ 和 ｆｓ 分别为未加样品

和加样品的谐振频率Ｈｚ

图 ５　 谐振腔结构示意

Ｆｉｇ1049008 ５　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ

在微波频率段对煤炭的介电性质进行研究主要应用在煤炭的微波脱硫领域 微波脱硫方法最早

开始于 １９７８ 年文献［２６］的研究人员发明的专利该方法基于煤中硫分在某一特定频率微波辐射下能

够进行选择性地加热和化学反应而煤基质可以透

过微波不参与反应生热 杨笺康等［２７］ 采用谐振腔

微扰技术建立了一套由扫频仪定向耦合器可变

衰减器谐振腔和频率计组成的介电测量设备在２1049008 ４５ ＧＨｚ２０ 下对不同种类的含硫煤样浸提剂

和两者混合物的介电性质进行了测量研究结果表

明相比碳酸钠浸提剂氢氧化钠浸提剂可以有效加

快微波脱硫的速率脱硫量显著提高 Ｍａｒｌａｎｄ等［２８］采用谐振腔技术通过自建的带有程序控制的

加热谐振腔炉体对不同变质程度的英国型煤进行

了不同温度下的介电性质研究研究结果表明在８０～ １８０ 升温过程中介电常数存在明显下降趋

势而冷却过程中介电常数基本保持恒定值在选定

的 ０1049008 ６１５１1049008 ４１３２1049008 ２１６ ＧＨｚ 频率下煤样的复介电

常数随频率变化不显著说明频率不是影响微波吸

收的主要因素通过试验数据与 Ｌａｎｄａｕ Ｌｉｆｔｓｈｉｆｚ 公

式的进一步分析表明水分和含硫黄铁矿是影响微

波频段下煤的介电特性的最主要因素

３　 不同介电测量技术比较及发展趋势

３1049008 １　 煤的介电测量技术比较

通过比较各种煤炭介电测量系统可以发现各

种介电常数测量技术都与煤炭的内在因素和外部测

试环境（温度湿度压力等）密切相关并且逐渐趋

于高频化和数字化见表 １ 综合考虑这些介电测量

技术的优缺点发现每种测量方法都局限在一定的测

试频率范围内而且采用分布回路法测量技术对于煤

样的形状尺寸会有特殊具体要求即现有的煤炭介电

测量方法还无法在较大频谱（１０－１ ～１０１２ Ｈｚ）范围内对

专一煤样进行连续稳定的测量

表 １　 不同煤介电常数测量技术比较

Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｃｏａｌ

测量技术 测量仪器 测量频率范围 优点 缺点

数字电桥法 　 ＬＲＣ 数字电桥 ０1049008 １times１０－７ ～１５０ ＭＨｚ　 测量频段广具有针对不同

频段的电桥测量模型

　 高频段有杂散电容影响测量

精确性

谐振电路法 　 高频 Ｑ 表 １０～１００ ＭＨｚ　 可减少杂散电容和电感消除边缘效应

　 测量精度不高

传输线法　 传输线（同轴线）波导微带（带状线）

１００～１ ０００ ＭＨｚ　 测量快速简便能量损失

小可达 ８０ ｄＢ 动态范围　 存在接触阻抗测量重复性差

微波测量 　 波导谐振腔 ０1049008 １～３００ ＧＨｚ 　 测量灵敏度高　 空间分辨率较差测量夹具需

单独定制

３1049008 ２　 煤介电测量技术发展趋势

１）测试频率的提高 目前国内外科研领域已

开始进行大规模的太赫兹（ＴＨｚ）相关的光谱学光电激光材料方面的研究但对于煤炭在太赫兹频

０１

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

段下的介电测量还处于初步研究阶段［２９］相应的测

量方法和煤样加工方法还未形成标准２）测量温度的提高 现有的煤炭介电测量实

验大多在室温（２０ ）下进行很少涉及煤体受热加

温状态下的介电常数测量开展这方面的试验研究

可以为使用电磁法探测煤火或采空区火灾火源位置

提供基础的煤岩电磁参数基础数据３）宽频介电应用 将等效电路法与分布电路

法测量技术相融合不仅能够扩大频谱测试范围实现宽频测试还可以有效地消除因更换煤样（样品

的形状厚度外界环境因素）所带来的随机误差以及使用单个测量仪器在测量频率重复段所引起的

系统误差

４　 结　 　 论

１）国内外现有煤介电常数测量主要分为集总

电路法与分布回路法包括数字电桥法谐振电路

法传输线法和微波测量法各个方法所使用的测量

夹具和测试频率范围均不相同而且测量技术大多

借鉴美国 ＡＳＴＭ 标准和我国 ＧＢ Ｔ 推荐标准中关于

固体绝缘材料介电测量规范缺乏专门针对煤岩电

学性质（介电常数电阻率和磁化率）测量的国家标

准和规范２）煤介电测量技术逐渐趋于数字化与自动化

但还有待进一步研究的技术难点如在较低频段

（０1049008 ０１～１０００ Ｈｚ）下的介电测量易受到煤样内部的

电偶极子极化松弛界面极化和低频传导电流的影

响易造成低频介电频散和较大的试验误差而且该

现象也出现在以往对岩石介电常数测量的试验结果

中因此未来对于煤介电常数的测量工作应突破中

高频段的测试下限采用界面极化理论结合数值模

拟方法的手段以期考察低频电场下的松弛极化和

传导电流对介电常数的实际影响程度受煤的变质

程度测试频率温度水分和所受应力等因素的影

响现有的煤炭介电模型多为经验模型和半经验模

型各个模型的适用范围与模拟精度均有差异但半

经验模型依据固体电介质理论和实测数据进行参数

拟合在适用性和准确率方面相比经验模型具有明

显的优势因此半经验模型是未来煤介电测量技术

的理论研究重点３）此外随着太赫兹科学技术在煤矿物探领域

的发展和显现出较高空间分辨率的优势研究 ０1049008 １～１０ ＴＨｚ 频率范围内的煤岩介电常数测量技术将具

有十分广阔的应用前景可为煤矿井下水害自燃高

温火源点的电磁法探测提供重要的数据参考

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

［１］　 何选明煤化学［Ｍ］２ 版北京冶金工业出版社２０１０２８７［２］ 　 白向飞王　 越平朔矿区煤中矿物分布及赋存特征研究［ Ｊ］

煤炭科学技术２０１３４１（７）１１８－１２２Ｂａｉ ＸｉａｎｇｆｅｉＷａｎｇ ＹｕｅＳｔｕｄｙ ｏｎ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ Ｐｉｎｇｓｈｕｏ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１３４１（７）１１８－１２２

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强度特性及实验研究 ［ Ｊ］ 煤炭学报２０１４３９ （ １２）２４１８ －

２４２４Ｚｈｏｕ ＺｈｅＬｕ ＹｉｙｕＧｅ Ｚｈａｏｌｏｎｇｅｔ ａｌＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｕｎｄｅｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｗａｔｅｒ ａｎｄ ｇａｓ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１４３９（１２）２４１８－２４２４

［４］ 　 张　 慧煤孔隙的成因类型及其研究［ Ｊ］ 煤炭学报２００１２６（１）４０－４４Ｚｈａｎｇ ＨｕｉＧｅｎｅｔｉｃａｌ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｒｏｅｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２００１２６（１）４０－

４４［５］ 　 张　 欣叶　 丹顾　 璠煤颗粒内水分介电各向异性分布的研

究［Ｊ］ 工程热物理学报２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８Ｚｈａｎｇ ＸｉｎＹｅ ＤａｎＧｕ Ｐａｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８

［６］ 　 王文娟煤水介电特性及测量模型研究［Ｄ］北京华北电力大

学（北京）２０１１［７］ 　 徐　 樑煤焦微波介电性能的研究［Ｄ］太原太原理工大学

２０１５［８］ 　 陶培培十六十七世纪之交的西方磁现象探索之研究［Ｄ］上

海上海交通大学２０１４［９］ 　 李景德电介质理论［Ｍ］北京科学出版社２００３２－１０［１０］ 　 周艳丽熊　 畅电介质极化现象的微观机制讨论［ Ｊ］ 大学物

理２０１５３４（６）９－１２Ｚｈｏｕ Ｙａｎｌｉ Ｘｉｏｎｇ Ｃｈａｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ２０１５３４（６）９－１２

［１１］ 　 聂百胜何学秋王恩元等煤岩力电耦合模型及其参数计算

［Ｊ］ 中国矿业大学学报２００７３６（４）５０５－５０８Ｎｉｅ ＢａｉｓｈｅｎｇＨｅ ＸｕｅｑｉｕＷａｎｇ Ｅｎｙｕａｎｅｔ ａｌＣｏｕｐｌｅｄ ｓｔｒｅｓｓ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏａｌ ｏｒｒｏｃｋ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００７３６（４）５０５－５０８

［１２］ 　 王恩元李忠辉何学秋等煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术

及应用［Ｊ］ 煤炭科学技术２０１４４２（６）５３－５７９１Ｗａｎｇ Ｅｎｙｕａｎ Ｌｉ Ｚｈｏｎｇｈｕｉ Ｈｅ Ｘｕｅｑｉｕ ｅｔ ａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１４４２（６）５３－５７９１

１１

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

［１３］　 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２０１３３８（９）１６５６－１６６１Ｃａｉ ＣｈｕａｎｃｈｕａｎＺｈａｎｇ ＭｉｎｇｘｕＭｉｎ Ｆａｎｆｅｉｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｋｉｎｇ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｕｌｆｕｒ ｃｏｎｔｅｎｔ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１３３８（９）１６５６－１６６１

［１４］ 　 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ ＪＺａｎｃｈｅｔｔａ ＪＤｉａｂｙ ＳＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌｓ ｂｙ ｔｈｅｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ１９８７６６（２）１７９－１８４

［１５］ 　 Ｗａｎｇ ＱＺｈａｎｇ ＸＧｕ ＦＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８８９（６）６３３－６４１

［１６］ 　 Ｌｉｕ ＨＷａｎｇ Ｗ ＪＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏａｌｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ［ Ｃ］ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌｉｎｇ （ ｉｃｃａｓｍ）２０１０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ［Ｓｌ］［ ｓｎ］２０１０３９５－３９８

［１７］ 　 Ｎｅｌｓｏｎ ＳＦａｎｓｌｏｗ ＧＢｌｕｈｍ ＤＦｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ１９８０１５（４）８２－２７７

［１８］ 　 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２０１０３８（８）７７－８０Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＷｅｉ ＪｉａｎｐｉｎｇＬｉｕ ＭｉｎｇｊｕＡｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｏｆｔ ｓｅａｍ［Ｊ］ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１０３８（８）７７－８０

［１９］ 　 何学秋王恩元聂百胜煤岩流变电磁动力学［Ｍ］北京科学出版社２００３２０８－２０９

［２０］ 　 聂百胜含瓦斯煤岩力电效应及机理的研究［Ｄ］徐州中国

矿业大学２００１［２１］ 　 王云刚张　 莉李　 盟等受载含瓦斯煤体电性参数与渗透

率关系的试验研究［ Ｊ］ 河南理工大学学报自然科学版２０１３３２（４）３８０－３８４Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＺｈａｎｇ ＬｉＬｉ Ｍｅｎｇｅｔ ａｌＲｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｂｅｉｎｇ ｌｏａｄｅｄ ｇａｓ－ｆｉｌｌｅｄ ｃｏａｌ

［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ２０１３３２（４）３８０－３８４

［２２］ 　 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ ＯＢｕｌｙｃｈｅｖａ ＮＫｏｌｙａｓｎｉｋｏｖ ＶＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｄ Ｎａｚａｒｏｖｏ ｂｒｏｗｎ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｐｌｏｅｎｅｒｇｅｔｉｋａ）１９７２１９ （ １）１２０ －

１２２［２３］ 　 万琼芝煤的电阻率和相对介电常数［Ｊ］ 煤矿安全技术１９８２

（１）１７－２４Ｗａｎ Ｑｉｏｎｇｚｈｉ Ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ［Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８２（１）１７－２４

［２４］ 　 吕绍林何继善瓦斯突出煤体的介电性质研究［ Ｊ］ 世界地

质１９９７１６（４）４３－４６Ｌｙｕ ＳｈａｏｌｉｎＨｅ Ｊｉｓｈａｎ Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇａｓｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ［Ｊ］ Ｇｌｏｂａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ１９９７１６（４）４３－４６

［２５］ 　 Ｘｕ ＬＬｉｕ ＨＪｉｎ Ｙｅｔ ａｌＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｒｄｅｒ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ ｃｏａｌ ｃｈａｒｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２０１４１３７１６４－１７１

［２６］ 　 Ｇｏｌｄｅｎ Ｊ Ａ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌ ｏｒ ａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎＵＳ４１５２１２０Ａ［Ｐ］１９７９－０５－０１

［２７］ 　 杨笺康任皆利煤微波脱硫及其与试样介电性质的关系［ Ｊ］ 华东化工学院学报１９８８１４（６）７１３－７１８Ｙａｎｇ ＪｉａｎｋａｎｇＲｅｎ Ｊｉｅｌｉ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＥａｓｔＣｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８８１４（６）７１３－７１８

［２８］ 　 Ｍａｒｌａｎｄ ＳＭｅｒｃｈａｎｔ ＡＲｏｗｓｏｎ Ｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２００１８０（１３）１８３９－１８４９

［２９］ 　 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２０１６４５（４）１－８Ｗａｎｇ ＸｉＭｉａｏ ＳｈｕｇｕａｎｇＤｉｎｇ ＥｎｊｉｅＳｔｕｄｙ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｄｏｍａｉｎ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１６４５（４）１－８

２１

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

硫的频率选择工作具有一定的指导意义２）微波法 微波频段的介电常数测量可使用

波导或谐振腔技术对于煤炭的微波测量由于样品

尺寸精度通常不能满足波导法规定的要求因此通

常采用谐振腔技术进行介电常数测量 谐振腔测量

基本原理是当被测介质放入谐振腔时谐振腔的谐

振频率和品质因数发生变化从而可以计算被测材

料的相对介电常数和介电损耗角正切微扰法是指

测量样品的体积比腔体小得多且损耗也不大此时

样品对谐振腔内电磁场分布扰动较小以常用的

ＴＭ０１０圆柱谐振腔为例可将样品加工成细棒状放入

腔体的中央对于粉末状的样品可装入细玻璃管后

再放入腔体谐振腔结构如图 ５ 所示其介电常数的

解算公式如下

εprimeｒ ＝ １ ＋ Ｊ２１（ｘ０１）

ｆ０ － ｆｓＲ２０

ｆ０Ｒ２１

（９）

式中 Ｊ１（ｘ０１） 为一阶贝塞尔函数 Ｒ０ 为谐振腔的半

径ｍ Ｒ１ 为样品的半径ｍ ｆ０ 和 ｆｓ 分别为未加样品

和加样品的谐振频率Ｈｚ

图 ５　 谐振腔结构示意

Ｆｉｇ1049008 ５　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ

在微波频率段对煤炭的介电性质进行研究主要应用在煤炭的微波脱硫领域 微波脱硫方法最早

开始于 １９７８ 年文献［２６］的研究人员发明的专利该方法基于煤中硫分在某一特定频率微波辐射下能

够进行选择性地加热和化学反应而煤基质可以透

过微波不参与反应生热 杨笺康等［２７］ 采用谐振腔

微扰技术建立了一套由扫频仪定向耦合器可变

衰减器谐振腔和频率计组成的介电测量设备在２1049008 ４５ ＧＨｚ２０ 下对不同种类的含硫煤样浸提剂

和两者混合物的介电性质进行了测量研究结果表

明相比碳酸钠浸提剂氢氧化钠浸提剂可以有效加

快微波脱硫的速率脱硫量显著提高 Ｍａｒｌａｎｄ等［２８］采用谐振腔技术通过自建的带有程序控制的

加热谐振腔炉体对不同变质程度的英国型煤进行

了不同温度下的介电性质研究研究结果表明在８０～ １８０ 升温过程中介电常数存在明显下降趋

势而冷却过程中介电常数基本保持恒定值在选定

的 ０1049008 ６１５１1049008 ４１３２1049008 ２１６ ＧＨｚ 频率下煤样的复介电

常数随频率变化不显著说明频率不是影响微波吸

收的主要因素通过试验数据与 Ｌａｎｄａｕ Ｌｉｆｔｓｈｉｆｚ 公

式的进一步分析表明水分和含硫黄铁矿是影响微

波频段下煤的介电特性的最主要因素

３　 不同介电测量技术比较及发展趋势

３1049008 １　 煤的介电测量技术比较

通过比较各种煤炭介电测量系统可以发现各

种介电常数测量技术都与煤炭的内在因素和外部测

试环境（温度湿度压力等）密切相关并且逐渐趋

于高频化和数字化见表 １ 综合考虑这些介电测量

技术的优缺点发现每种测量方法都局限在一定的测

试频率范围内而且采用分布回路法测量技术对于煤

样的形状尺寸会有特殊具体要求即现有的煤炭介电

测量方法还无法在较大频谱（１０－１ ～１０１２ Ｈｚ）范围内对

专一煤样进行连续稳定的测量

表 １　 不同煤介电常数测量技术比较

Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｃｏａｌ

测量技术 测量仪器 测量频率范围 优点 缺点

数字电桥法 　 ＬＲＣ 数字电桥 ０1049008 １times１０－７ ～１５０ ＭＨｚ　 测量频段广具有针对不同

频段的电桥测量模型

　 高频段有杂散电容影响测量

精确性

谐振电路法 　 高频 Ｑ 表 １０～１００ ＭＨｚ　 可减少杂散电容和电感消除边缘效应

　 测量精度不高

传输线法　 传输线（同轴线）波导微带（带状线）

１００～１ ０００ ＭＨｚ　 测量快速简便能量损失

小可达 ８０ ｄＢ 动态范围　 存在接触阻抗测量重复性差

微波测量 　 波导谐振腔 ０1049008 １～３００ ＧＨｚ 　 测量灵敏度高　 空间分辨率较差测量夹具需

单独定制

３1049008 ２　 煤介电测量技术发展趋势

１）测试频率的提高 目前国内外科研领域已

开始进行大规模的太赫兹（ＴＨｚ）相关的光谱学光电激光材料方面的研究但对于煤炭在太赫兹频

０１

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

段下的介电测量还处于初步研究阶段［２９］相应的测

量方法和煤样加工方法还未形成标准２）测量温度的提高 现有的煤炭介电测量实

验大多在室温（２０ ）下进行很少涉及煤体受热加

温状态下的介电常数测量开展这方面的试验研究

可以为使用电磁法探测煤火或采空区火灾火源位置

提供基础的煤岩电磁参数基础数据３）宽频介电应用 将等效电路法与分布电路

法测量技术相融合不仅能够扩大频谱测试范围实现宽频测试还可以有效地消除因更换煤样（样品

的形状厚度外界环境因素）所带来的随机误差以及使用单个测量仪器在测量频率重复段所引起的

系统误差

４　 结　 　 论

１）国内外现有煤介电常数测量主要分为集总

电路法与分布回路法包括数字电桥法谐振电路

法传输线法和微波测量法各个方法所使用的测量

夹具和测试频率范围均不相同而且测量技术大多

借鉴美国 ＡＳＴＭ 标准和我国 ＧＢ Ｔ 推荐标准中关于

固体绝缘材料介电测量规范缺乏专门针对煤岩电

学性质（介电常数电阻率和磁化率）测量的国家标

准和规范２）煤介电测量技术逐渐趋于数字化与自动化

但还有待进一步研究的技术难点如在较低频段

（０1049008 ０１～１０００ Ｈｚ）下的介电测量易受到煤样内部的

电偶极子极化松弛界面极化和低频传导电流的影

响易造成低频介电频散和较大的试验误差而且该

现象也出现在以往对岩石介电常数测量的试验结果

中因此未来对于煤介电常数的测量工作应突破中

高频段的测试下限采用界面极化理论结合数值模

拟方法的手段以期考察低频电场下的松弛极化和

传导电流对介电常数的实际影响程度受煤的变质

程度测试频率温度水分和所受应力等因素的影

响现有的煤炭介电模型多为经验模型和半经验模

型各个模型的适用范围与模拟精度均有差异但半

经验模型依据固体电介质理论和实测数据进行参数

拟合在适用性和准确率方面相比经验模型具有明

显的优势因此半经验模型是未来煤介电测量技术

的理论研究重点３）此外随着太赫兹科学技术在煤矿物探领域

的发展和显现出较高空间分辨率的优势研究 ０1049008 １～１０ ＴＨｚ 频率范围内的煤岩介电常数测量技术将具

有十分广阔的应用前景可为煤矿井下水害自燃高

温火源点的电磁法探测提供重要的数据参考

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

［１］　 何选明煤化学［Ｍ］２ 版北京冶金工业出版社２０１０２８７［２］ 　 白向飞王　 越平朔矿区煤中矿物分布及赋存特征研究［ Ｊ］

煤炭科学技术２０１３４１（７）１１８－１２２Ｂａｉ ＸｉａｎｇｆｅｉＷａｎｇ ＹｕｅＳｔｕｄｙ ｏｎ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ Ｐｉｎｇｓｈｕｏ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１３４１（７）１１８－１２２

［３］ 　 周　 哲卢义玉葛兆龙等水－瓦斯－煤三相耦合作用下煤岩

强度特性及实验研究 ［ Ｊ］ 煤炭学报２０１４３９ （ １２）２４１８ －

２４２４Ｚｈｏｕ ＺｈｅＬｕ ＹｉｙｕＧｅ Ｚｈａｏｌｏｎｇｅｔ ａｌＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｕｎｄｅｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｗａｔｅｒ ａｎｄ ｇａｓ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１４３９（１２）２４１８－２４２４

［４］ 　 张　 慧煤孔隙的成因类型及其研究［ Ｊ］ 煤炭学报２００１２６（１）４０－４４Ｚｈａｎｇ ＨｕｉＧｅｎｅｔｉｃａｌ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｒｏｅｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２００１２６（１）４０－

４４［５］ 　 张　 欣叶　 丹顾　 璠煤颗粒内水分介电各向异性分布的研

究［Ｊ］ 工程热物理学报２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８Ｚｈａｎｇ ＸｉｎＹｅ ＤａｎＧｕ Ｐａｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８

［６］ 　 王文娟煤水介电特性及测量模型研究［Ｄ］北京华北电力大

学（北京）２０１１［７］ 　 徐　 樑煤焦微波介电性能的研究［Ｄ］太原太原理工大学

２０１５［８］ 　 陶培培十六十七世纪之交的西方磁现象探索之研究［Ｄ］上

海上海交通大学２０１４［９］ 　 李景德电介质理论［Ｍ］北京科学出版社２００３２－１０［１０］ 　 周艳丽熊　 畅电介质极化现象的微观机制讨论［ Ｊ］ 大学物

理２０１５３４（６）９－１２Ｚｈｏｕ Ｙａｎｌｉ Ｘｉｏｎｇ Ｃｈａｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ２０１５３４（６）９－１２

［１１］ 　 聂百胜何学秋王恩元等煤岩力电耦合模型及其参数计算

［Ｊ］ 中国矿业大学学报２００７３６（４）５０５－５０８Ｎｉｅ ＢａｉｓｈｅｎｇＨｅ ＸｕｅｑｉｕＷａｎｇ Ｅｎｙｕａｎｅｔ ａｌＣｏｕｐｌｅｄ ｓｔｒｅｓｓ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏａｌ ｏｒｒｏｃｋ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００７３６（４）５０５－５０８

［１２］ 　 王恩元李忠辉何学秋等煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术

及应用［Ｊ］ 煤炭科学技术２０１４４２（６）５３－５７９１Ｗａｎｇ Ｅｎｙｕａｎ Ｌｉ Ｚｈｏｎｇｈｕｉ Ｈｅ Ｘｕｅｑｉｕ ｅｔ ａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１４４２（６）５３－５７９１

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２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

［１３］　 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２０１３３８（９）１６５６－１６６１Ｃａｉ ＣｈｕａｎｃｈｕａｎＺｈａｎｇ ＭｉｎｇｘｕＭｉｎ Ｆａｎｆｅｉｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｋｉｎｇ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｕｌｆｕｒ ｃｏｎｔｅｎｔ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１３３８（９）１６５６－１６６１

［１４］ 　 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ ＪＺａｎｃｈｅｔｔａ ＪＤｉａｂｙ ＳＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌｓ ｂｙ ｔｈｅｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ１９８７６６（２）１７９－１８４

［１５］ 　 Ｗａｎｇ ＱＺｈａｎｇ ＸＧｕ ＦＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８８９（６）６３３－６４１

［１６］ 　 Ｌｉｕ ＨＷａｎｇ Ｗ ＪＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏａｌｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ［ Ｃ］ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌｉｎｇ （ ｉｃｃａｓｍ）２０１０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ［Ｓｌ］［ ｓｎ］２０１０３９５－３９８

［１７］ 　 Ｎｅｌｓｏｎ ＳＦａｎｓｌｏｗ ＧＢｌｕｈｍ ＤＦｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ１９８０１５（４）８２－２７７

［１８］ 　 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２０１０３８（８）７７－８０Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＷｅｉ ＪｉａｎｐｉｎｇＬｉｕ ＭｉｎｇｊｕＡｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｏｆｔ ｓｅａｍ［Ｊ］ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１０３８（８）７７－８０

［１９］ 　 何学秋王恩元聂百胜煤岩流变电磁动力学［Ｍ］北京科学出版社２００３２０８－２０９

［２０］ 　 聂百胜含瓦斯煤岩力电效应及机理的研究［Ｄ］徐州中国

矿业大学２００１［２１］ 　 王云刚张　 莉李　 盟等受载含瓦斯煤体电性参数与渗透

率关系的试验研究［ Ｊ］ 河南理工大学学报自然科学版２０１３３２（４）３８０－３８４Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＺｈａｎｇ ＬｉＬｉ Ｍｅｎｇｅｔ ａｌＲｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｂｅｉｎｇ ｌｏａｄｅｄ ｇａｓ－ｆｉｌｌｅｄ ｃｏａｌ

［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ２０１３３２（４）３８０－３８４

［２２］ 　 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ ＯＢｕｌｙｃｈｅｖａ ＮＫｏｌｙａｓｎｉｋｏｖ ＶＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｄ Ｎａｚａｒｏｖｏ ｂｒｏｗｎ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｐｌｏｅｎｅｒｇｅｔｉｋａ）１９７２１９ （ １）１２０ －

１２２［２３］ 　 万琼芝煤的电阻率和相对介电常数［Ｊ］ 煤矿安全技术１９８２

（１）１７－２４Ｗａｎ Ｑｉｏｎｇｚｈｉ Ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ［Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８２（１）１７－２４

［２４］ 　 吕绍林何继善瓦斯突出煤体的介电性质研究［ Ｊ］ 世界地

质１９９７１６（４）４３－４６Ｌｙｕ ＳｈａｏｌｉｎＨｅ Ｊｉｓｈａｎ Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇａｓｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ［Ｊ］ Ｇｌｏｂａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ１９９７１６（４）４３－４６

［２５］ 　 Ｘｕ ＬＬｉｕ ＨＪｉｎ Ｙｅｔ ａｌＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｒｄｅｒ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ ｃｏａｌ ｃｈａｒｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２０１４１３７１６４－１７１

［２６］ 　 Ｇｏｌｄｅｎ Ｊ Ａ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌ ｏｒ ａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎＵＳ４１５２１２０Ａ［Ｐ］１９７９－０５－０１

［２７］ 　 杨笺康任皆利煤微波脱硫及其与试样介电性质的关系［ Ｊ］ 华东化工学院学报１９８８１４（６）７１３－７１８Ｙａｎｇ ＪｉａｎｋａｎｇＲｅｎ Ｊｉｅｌｉ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＥａｓｔＣｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８８１４（６）７１３－７１８

［２８］ 　 Ｍａｒｌａｎｄ ＳＭｅｒｃｈａｎｔ ＡＲｏｗｓｏｎ Ｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２００１８０（１３）１８３９－１８４９

［２９］ 　 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２０１６４５（４）１－８Ｗａｎｇ ＸｉＭｉａｏ ＳｈｕｇｕａｎｇＤｉｎｇ ＥｎｊｉｅＳｔｕｄｙ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｄｏｍａｉｎ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１６４５（４）１－８

２１

朱红青等煤介电常数测量技术研究进展 ２０１６ 年第 ９ 期

段下的介电测量还处于初步研究阶段［２９］相应的测

量方法和煤样加工方法还未形成标准２）测量温度的提高 现有的煤炭介电测量实

验大多在室温（２０ ）下进行很少涉及煤体受热加

温状态下的介电常数测量开展这方面的试验研究

可以为使用电磁法探测煤火或采空区火灾火源位置

提供基础的煤岩电磁参数基础数据３）宽频介电应用 将等效电路法与分布电路

法测量技术相融合不仅能够扩大频谱测试范围实现宽频测试还可以有效地消除因更换煤样（样品

的形状厚度外界环境因素）所带来的随机误差以及使用单个测量仪器在测量频率重复段所引起的

系统误差

４　 结　 　 论

１）国内外现有煤介电常数测量主要分为集总

电路法与分布回路法包括数字电桥法谐振电路

法传输线法和微波测量法各个方法所使用的测量

夹具和测试频率范围均不相同而且测量技术大多

借鉴美国 ＡＳＴＭ 标准和我国 ＧＢ Ｔ 推荐标准中关于

固体绝缘材料介电测量规范缺乏专门针对煤岩电

学性质（介电常数电阻率和磁化率）测量的国家标

准和规范２）煤介电测量技术逐渐趋于数字化与自动化

但还有待进一步研究的技术难点如在较低频段

（０1049008 ０１～１０００ Ｈｚ）下的介电测量易受到煤样内部的

电偶极子极化松弛界面极化和低频传导电流的影

响易造成低频介电频散和较大的试验误差而且该

现象也出现在以往对岩石介电常数测量的试验结果

中因此未来对于煤介电常数的测量工作应突破中

高频段的测试下限采用界面极化理论结合数值模

拟方法的手段以期考察低频电场下的松弛极化和

传导电流对介电常数的实际影响程度受煤的变质

程度测试频率温度水分和所受应力等因素的影

响现有的煤炭介电模型多为经验模型和半经验模

型各个模型的适用范围与模拟精度均有差异但半

经验模型依据固体电介质理论和实测数据进行参数

拟合在适用性和准确率方面相比经验模型具有明

显的优势因此半经验模型是未来煤介电测量技术

的理论研究重点３）此外随着太赫兹科学技术在煤矿物探领域

的发展和显现出较高空间分辨率的优势研究 ０1049008 １～１０ ＴＨｚ 频率范围内的煤岩介电常数测量技术将具

有十分广阔的应用前景可为煤矿井下水害自燃高

温火源点的电磁法探测提供重要的数据参考

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

［１］　 何选明煤化学［Ｍ］２ 版北京冶金工业出版社２０１０２８７［２］ 　 白向飞王　 越平朔矿区煤中矿物分布及赋存特征研究［ Ｊ］

煤炭科学技术２０１３４１（７）１１８－１２２Ｂａｉ ＸｉａｎｇｆｅｉＷａｎｇ ＹｕｅＳｔｕｄｙ ｏｎ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ Ｐｉｎｇｓｈｕｏ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１３４１（７）１１８－１２２

［３］ 　 周　 哲卢义玉葛兆龙等水－瓦斯－煤三相耦合作用下煤岩

强度特性及实验研究 ［ Ｊ］ 煤炭学报２０１４３９ （ １２）２４１８ －

２４２４Ｚｈｏｕ ＺｈｅＬｕ ＹｉｙｕＧｅ Ｚｈａｏｌｏｎｇｅｔ ａｌＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｕｎｄｅｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｗａｔｅｒ ａｎｄ ｇａｓ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１４３９（１２）２４１８－２４２４

［４］ 　 张　 慧煤孔隙的成因类型及其研究［ Ｊ］ 煤炭学报２００１２６（１）４０－４４Ｚｈａｎｇ ＨｕｉＧｅｎｅｔｉｃａｌ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｒｏｅｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２００１２６（１）４０－

４４［５］ 　 张　 欣叶　 丹顾　 璠煤颗粒内水分介电各向异性分布的研

究［Ｊ］ 工程热物理学报２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８Ｚｈａｎｇ ＸｉｎＹｅ ＤａｎＧｕ Ｐａｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ２００４２５（Ｓ１）１８５－１８８

［６］ 　 王文娟煤水介电特性及测量模型研究［Ｄ］北京华北电力大

学（北京）２０１１［７］ 　 徐　 樑煤焦微波介电性能的研究［Ｄ］太原太原理工大学

２０１５［８］ 　 陶培培十六十七世纪之交的西方磁现象探索之研究［Ｄ］上

海上海交通大学２０１４［９］ 　 李景德电介质理论［Ｍ］北京科学出版社２００３２－１０［１０］ 　 周艳丽熊　 畅电介质极化现象的微观机制讨论［ Ｊ］ 大学物

理２０１５３４（６）９－１２Ｚｈｏｕ Ｙａｎｌｉ Ｘｉｏｎｇ Ｃｈａｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ２０１５３４（６）９－１２

［１１］ 　 聂百胜何学秋王恩元等煤岩力电耦合模型及其参数计算

［Ｊ］ 中国矿业大学学报２００７３６（４）５０５－５０８Ｎｉｅ ＢａｉｓｈｅｎｇＨｅ ＸｕｅｑｉｕＷａｎｇ Ｅｎｙｕａｎｅｔ ａｌＣｏｕｐｌｅｄ ｓｔｒｅｓｓ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏａｌ ｏｒｒｏｃｋ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００７３６（４）５０５－５０８

［１２］ 　 王恩元李忠辉何学秋等煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术

及应用［Ｊ］ 煤炭科学技术２０１４４２（６）５３－５７９１Ｗａｎｇ Ｅｎｙｕａｎ Ｌｉ Ｚｈｏｎｇｈｕｉ Ｈｅ Ｘｕｅｑｉｕ ｅｔ ａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ［ Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１４４２（６）５３－５７９１

１１

２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

［１３］　 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２０１３３８（９）１６５６－１６６１Ｃａｉ ＣｈｕａｎｃｈｕａｎＺｈａｎｇ ＭｉｎｇｘｕＭｉｎ Ｆａｎｆｅｉｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｋｉｎｇ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｕｌｆｕｒ ｃｏｎｔｅｎｔ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１３３８（９）１６５６－１６６１

［１４］ 　 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ ＪＺａｎｃｈｅｔｔａ ＪＤｉａｂｙ ＳＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌｓ ｂｙ ｔｈｅｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ１９８７６６（２）１７９－１８４

［１５］ 　 Ｗａｎｇ ＱＺｈａｎｇ ＸＧｕ ＦＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８８９（６）６３３－６４１

［１６］ 　 Ｌｉｕ ＨＷａｎｇ Ｗ ＪＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏａｌｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ［ Ｃ］ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌｉｎｇ （ ｉｃｃａｓｍ）２０１０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ［Ｓｌ］［ ｓｎ］２０１０３９５－３９８

［１７］ 　 Ｎｅｌｓｏｎ ＳＦａｎｓｌｏｗ ＧＢｌｕｈｍ ＤＦｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ１９８０１５（４）８２－２７７

［１８］ 　 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２０１０３８（８）７７－８０Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＷｅｉ ＪｉａｎｐｉｎｇＬｉｕ ＭｉｎｇｊｕＡｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｏｆｔ ｓｅａｍ［Ｊ］ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１０３８（８）７７－８０

［１９］ 　 何学秋王恩元聂百胜煤岩流变电磁动力学［Ｍ］北京科学出版社２００３２０８－２０９

［２０］ 　 聂百胜含瓦斯煤岩力电效应及机理的研究［Ｄ］徐州中国

矿业大学２００１［２１］ 　 王云刚张　 莉李　 盟等受载含瓦斯煤体电性参数与渗透

率关系的试验研究［ Ｊ］ 河南理工大学学报自然科学版２０１３３２（４）３８０－３８４Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＺｈａｎｇ ＬｉＬｉ Ｍｅｎｇｅｔ ａｌＲｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｂｅｉｎｇ ｌｏａｄｅｄ ｇａｓ－ｆｉｌｌｅｄ ｃｏａｌ

［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ２０１３３２（４）３８０－３８４

［２２］ 　 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ ＯＢｕｌｙｃｈｅｖａ ＮＫｏｌｙａｓｎｉｋｏｖ ＶＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｄ Ｎａｚａｒｏｖｏ ｂｒｏｗｎ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｐｌｏｅｎｅｒｇｅｔｉｋａ）１９７２１９ （ １）１２０ －

１２２［２３］ 　 万琼芝煤的电阻率和相对介电常数［Ｊ］ 煤矿安全技术１９８２

（１）１７－２４Ｗａｎ Ｑｉｏｎｇｚｈｉ Ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ［Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８２（１）１７－２４

［２４］ 　 吕绍林何继善瓦斯突出煤体的介电性质研究［ Ｊ］ 世界地

质１９９７１６（４）４３－４６Ｌｙｕ ＳｈａｏｌｉｎＨｅ Ｊｉｓｈａｎ Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇａｓｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ［Ｊ］ Ｇｌｏｂａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ１９９７１６（４）４３－４６

［２５］ 　 Ｘｕ ＬＬｉｕ ＨＪｉｎ Ｙｅｔ ａｌＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｒｄｅｒ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ ｃｏａｌ ｃｈａｒｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２０１４１３７１６４－１７１

［２６］ 　 Ｇｏｌｄｅｎ Ｊ Ａ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌ ｏｒ ａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎＵＳ４１５２１２０Ａ［Ｐ］１９７９－０５－０１

［２７］ 　 杨笺康任皆利煤微波脱硫及其与试样介电性质的关系［ Ｊ］ 华东化工学院学报１９８８１４（６）７１３－７１８Ｙａｎｇ ＪｉａｎｋａｎｇＲｅｎ Ｊｉｅｌｉ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＥａｓｔＣｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８８１４（６）７１３－７１８

［２８］ 　 Ｍａｒｌａｎｄ ＳＭｅｒｃｈａｎｔ ＡＲｏｗｓｏｎ Ｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２００１８０（１３）１８３９－１８４９

［２９］ 　 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２０１６４５（４）１－８Ｗａｎｇ ＸｉＭｉａｏ ＳｈｕｇｕａｎｇＤｉｎｇ ＥｎｊｉｅＳｔｕｄｙ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｄｏｍａｉｎ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１６４５（４）１－８

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２０１６ 年第 ９ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４４ 卷

［１３］　 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２０１３３８（９）１６５６－１６６１Ｃａｉ ＣｈｕａｎｃｈｕａｎＺｈａｎｇ ＭｉｎｇｘｕＭｉｎ Ｆａｎｆｅｉｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｋｉｎｇ ｃｏａｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｕｌｆｕｒ ｃｏｎｔｅｎｔ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ２０１３３８（９）１６５６－１６６１

［１４］ 　 Ｇｉｕｎｔｉｎｉ ＪＺａｎｃｈｅｔｔａ ＪＤｉａｂｙ ＳＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌｓ ｂｙ ｔｈｅｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ１９８７６６（２）１７９－１８４

［１５］ 　 Ｗａｎｇ ＱＺｈａｎｇ ＸＧｕ ＦＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｃｏａｌｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００８８９（６）６３３－６４１

［１６］ 　 Ｌｉｕ ＨＷａｎｇ Ｗ ＪＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏａｌｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ［ Ｃ］ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌｉｎｇ （ ｉｃｃａｓｍ）２０１０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ［Ｓｌ］［ ｓｎ］２０１０３９５－３９８

［１７］ 　 Ｎｅｌｓｏｎ ＳＦａｎｓｌｏｗ ＧＢｌｕｈｍ ＤＦｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ１９８０１５（４）８２－２７７

［１８］ 　 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２０１０３８（８）７７－８０Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＷｅｉ ＪｉａｎｐｉｎｇＬｉｕ ＭｉｎｇｊｕＡｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｏｆｔ ｓｅａｍ［Ｊ］ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１０３８（８）７７－８０

［１９］ 　 何学秋王恩元聂百胜煤岩流变电磁动力学［Ｍ］北京科学出版社２００３２０８－２０９

［２０］ 　 聂百胜含瓦斯煤岩力电效应及机理的研究［Ｄ］徐州中国

矿业大学２００１［２１］ 　 王云刚张　 莉李　 盟等受载含瓦斯煤体电性参数与渗透

率关系的试验研究［ Ｊ］ 河南理工大学学报自然科学版２０１３３２（４）３８０－３８４Ｗａｎｇ ＹｕｎｇａｎｇＺｈａｎｇ ＬｉＬｉ Ｍｅｎｇｅｔ ａｌＲｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｂｅｉｎｇ ｌｏａｄｅｄ ｇａｓ－ｆｉｌｌｅｄ ｃｏａｌ

［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ２０１３３２（４）３８０－３８４

［２２］ 　 Ｐｒｏｔｏｐｏｐｏｖ ＯＢｕｌｙｃｈｅｖａ ＮＫｏｌｙａｓｎｉｋｏｖ ＶＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｄ Ｎａｚａｒｏｖｏ ｂｒｏｗｎ ｃｏａｌ［ Ｊ］ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｐｌｏｅｎｅｒｇｅｔｉｋａ）１９７２１９ （ １）１２０ －

１２２［２３］ 　 万琼芝煤的电阻率和相对介电常数［Ｊ］ 煤矿安全技术１９８２

（１）１７－２４Ｗａｎ Ｑｉｏｎｇｚｈｉ Ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ［Ｊ］ Ｃｏａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８２（１）１７－２４

［２４］ 　 吕绍林何继善瓦斯突出煤体的介电性质研究［ Ｊ］ 世界地

质１９９７１６（４）４３－４６Ｌｙｕ ＳｈａｏｌｉｎＨｅ Ｊｉｓｈａｎ Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇａｓｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ［Ｊ］ Ｇｌｏｂａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ１９９７１６（４）４３－４６

［２５］ 　 Ｘｕ ＬＬｉｕ ＨＪｉｎ Ｙｅｔ ａｌＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｒｄｅｒ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ ｃｏａｌ ｃｈａｒｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２０１４１３７１６４－１７１

［２６］ 　 Ｇｏｌｄｅｎ Ｊ Ａ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌ ｏｒ ａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎＵＳ４１５２１２０Ａ［Ｐ］１９７９－０５－０１

［２７］ 　 杨笺康任皆利煤微波脱硫及其与试样介电性质的关系［ Ｊ］ 华东化工学院学报１９８８１４（６）７１３－７１８Ｙａｎｇ ＪｉａｎｋａｎｇＲｅｎ Ｊｉｅｌｉ Ｃｏａｌ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ［ Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＥａｓｔＣｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９８８１４（６）７１３－７１８

［２８］ 　 Ｍａｒｌａｎｄ ＳＭｅｒｃｈａｎｔ ＡＲｏｗｓｏｎ Ｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ２００１８０（１３）１８３９－１８４９

［２９］ 　 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２０１６４５（４）１－８Ｗａｎｇ ＸｉＭｉａｏ ＳｈｕｇｕａｎｇＤｉｎｇ ＥｎｊｉｅＳｔｕｄｙ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｄｏｍａｉｎ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２０１６４５（４）１－８

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