煤岩电性参数对电磁场传播的影响
Maxwell方程是讨论有关电磁场问题的基础和出发点,在此方程中,介质的介电常数和磁导率是两个重要的参数,在讨论一切实际介质的电磁波的传播速度、反射、发射、辐射、相移常数、衰减常数、穿透深度等许多问题时,都必须知道介质的介电常数和磁导率。对自然界广泛分布的岩石、土壤、矿物、植物而言,除了少量铁矿石外,均可以认为是非磁性的,即磁导率为1。然而,它们的电学性质却变化很大,同时矿物的电学性质又是岩石土壤电学性质的基础。因此,讨论一切与地学有关的电磁波传播问题都离不开介质的介电常数、电导率等参数。
地下介质中电磁波的传播特性远远较自由空间条件下传播经典理论复杂;由于介质物性、岩层、煤层产状不同,使得电磁波在地下传播的研究非常困难。对于电磁辐射源的方向、位置、幅值和频率均在不断变化的情况则更是复杂,本文研究的煤岩变形破裂过程产生的电磁辐射在其中的传播就属于此类。煤岩的电性参数不同,引起电磁波场在煤岩空间状态的变化,因此,研究不同变质程度煤的电性参数对分析煤岩变形破裂产生的电磁波传播机理同样具有重要的意义。
(1)煤岩电阻率(电导率)的影响因素
煤岩电阻率(即电导率的倒数)影响因素很多,包括煤岩变质程度、温度、湿度、测试频率等。煤化程度很低的褐煤,常含有较高的水分和溶于水的腐殖酸离子,固其电阻率低,一般为数十到数百欧·米。烟煤电阻率的变化范围为数十到数千欧·米,而无烟煤常常具有良好的导电性,因而其电阻率很低,一般在1 Ω·m以下。但是煤中矿物杂质的电阻率通常低于褐煤或烟煤中有机质的电阻率,而高于无烟煤中有机质的电阻率,因此,褐煤或烟煤的电阻率随着矿物杂质含量的增高而降低,而无烟煤的电阻率则随着矿物杂质含量的增高而增大。煤岩层的顶、底板岩层多为泥岩、砂岩、页岩等,它们的电阻率一般为[146]泥岩:100~104 Ω·m;砂岩:5×101~1×103 Ω·m;页岩:1×101~5×102 Ω·m;软页岩:0.5×100~1×101 Ω·m。
煤的变质程度与电阻率的关系
温度和压力对矿物电阻率均有影响。矿物电阻率随温度的变化服从指数规律[147]:
煤岩动力灾害力电耦合
式中:ρ0——各种氧化物的单位电阻率,Ω·m;T——热力学温度,K;ΔE——活化能,J。
随着矿物中低电阻氧化物组分相对于高电阻氧化物的逐步增加,矿物的电阻率下降,导电率增加。煤的变质程度与电阻率的关系如表4.2和图4.2所示[148]。从图中可以看出,电阻率随着煤岩变质程度的增高而减小,但是对于肥煤来说,其电阻率较大。
表4.2 煤岩电阻率、介电常数与变质程度的关系
图4.2 煤岩变质程度与电阻率的关系
(2)煤岩介电特性的影响因素
影响矿物介电特性的因素很多,有频率、成分、结构、水分含量、温度、压力、孔隙率、地质产状和变质程度等。温度和介电常数的理想关系式为[147]:
煤岩动力灾害力电耦合
式中:ε∞——常温下的介电常数;T——热力学温度,K;ω——测试频率,Hz;A,B,C——实验常数。
由式(4.19)中可见,随着温度的升高煤岩的介电常数是逐渐减少的;煤岩介电常数与测试品频率也有关系,随着频率的升高而减小。实验结果也表明了这样一个规律。
(3)煤岩电性参数对电磁波衰减的影响分析
由于在监测过程中监测到的是煤岩内部各处破裂地带产生的电磁辐射传播到接收天线处的整体效应,是电磁场量的矢量叠加,不能良好反映应力集中带即主破裂处的具体位置,因此,研究影响电磁辐射的因素,对于完善煤岩变形破裂电磁辐射监测和检测理论,为现场应用电磁辐射方法和技术准确预测预报动力灾害现象提供可靠的理论基础,对促进相关学科发展亦具有重要的理论和现实意义。
煤岩的电性参数对煤岩破裂过程产生的电磁辐射传播有重要的影响,因此,必须研究其变化规律和影响因素,这有利于我们更进一步地了解电磁场在煤岩介质中的衰减规律和时空分布特性。
由于煤岩介质属于导电介质,因此,产生的电磁波在其中传播是有损耗的,且传播满足麦克斯韦(Maxwell)方程组,设定产生的电磁场为谐变电磁场,对于谐变电磁场用复数表示有=jωE,则根据波动方程:
煤岩动力灾害力电耦合
利用矢量恒等式Δ×Δ×E=ΔΔ·E-Δ2E以及Δ·E=0,可以得到:
煤岩动力灾害力电耦合
上式表示电磁波电场的幅值随着电磁波传播距离x的增加而按负指数规律衰减。α称为电磁波衰减系数,单位是[奈/米]或[分贝/米]。β称为相位常数,即单位长度上的相移量。且
煤岩动力灾害力电耦合
从(4.23)式可知,电磁波在介质中的衰减系数α与介电常数ε、磁导率μ、电导率1/ρ和电磁波的频率有关系。电导率、磁导率越大,衰减系数则越大,即电磁波在介质中的损失就越大。
介质的绝对介电常数ε=εr·ε0,真空中的介电常数ε0=8.85×10-12F/m。而对于大多数沉积岩矿物如煤、泥岩、砂岩等其相对介电常数较小,且变化范围也不大,一般在4~13 F/m之间。对于煤岩的磁导率,一般认为是不随着频率而变化的常数,即μ=μ0=4π×10-7H/m。
为了考察煤岩电性参数对衰减系数的影响程度,考虑到煤岩变形破裂过程产生的电磁辐射频率一般主要在1 kHz~1 MHz范围内,而且煤岩介质的磁导率无多大变化,取为1.0,这样为了便于分析,将式(4.23)进行计算处理,即分别取介电常数εr=4,6,8,10,12 F/m;电导率(1/ρ)=0.001,0.002,0.005,0.01,0.1,1.0 S/m;电磁辐射频率f=0.1,0.2,0.3,0.5,1.0,2.0 MHz,μ=μ0=4π×10-7H/m,代入式(4.23)中可以得到α值,计算结果如表4.3,4.4和图4.3,4.4,4.5,4.6所示。
从表和图中可以看出:
1)煤岩介质的衰减系数随着电磁辐射波频率的增加而增大,而相对介电常数对其影响不是很大,如图4.3,4.5和4.6;
2)煤岩衰减系数随着其电导率的增加也是增大的,而相对介电常数对其影响不是很大,如图4.4。
因此认为:煤岩介质的电导率和电磁辐射波的频率是电磁波在其中衰减的主要因素。对于煤岩变形破裂过程产生的电磁辐射,其产生源的数目、强度和频率均是在不断变化的,当其从内部传播到接收场点时,其衰减变化范围是很大的,为了简化计算,本文处理时是将煤岩介质看作是各向同性和均匀的介质,即取定介电常数和磁导率,根据不同变质程度的煤样改变电导率,取定某一种煤样为一典型数值,则衰减系数仅随电磁辐射的频率而变化。
表4.3 电导率为10-2 S/m时衰减系数与频率和介电常数之间的关系
表4.4 相对介电常数为4时衰减系数与频率、电导率之间的关系
图4.3 不同相对介电常数时衰减系数与电磁辐射频率的关系
图4.4 不同频率时衰减系数与电导率的关系
图4.5 不同频率时衰减系数与相对介电常数的关系
图4.6 不同电导率时衰减系数与电磁辐射频率的关系
因为上面电流分布太小无法覆盖所以电导率为有限值的两种煤质的分界面上不存在面电流分布。
电源的电动势形成了电压,继而产生了电场力,在电场力的作用下,处于电场内的电荷发生定向移动,形成了电流。每秒通过1库仑的电量称为1「安培」(A)。安培是国际单位制中所有电性的基本单位。 除了A,常用的单位有千安(kA)毫安(mA)、微安(μA)1A=1 000mA=1 000 000μA,电学上规定:正电荷定向流动的方向为电流方向。金属导体中电流微观表达式I=nesv,n为单位体积内自由电荷数,e为电子的电荷量,s为导体横截面积,v为电荷速度。
Genefai Rules for Test Methods of Fuel at Thermal Power Plants
中华人民共和国电力工业部 1995-05-03批准 1995-10-01实施
1 范围
本规定适用于火力发电厂燃料试验方法中所列的煤质、灰渣及燃油试验方法。
2 引用标准
GB483—87 煤质分析试验方法一般规定
SD322—89 燃料检验工作全面质量管理准则
3 基本要求
本规定贯穿于燃料试验的各个环节,它们都必须以保证试验结果的精密度与准 确度符合标准为前提。
4 样品
4.1 入厂煤、入炉煤、煤粉、灰渣等,都应按各试验方法中有关规定采样和缩制。 除另有说明外,它们最终都应制备成粒度小于0.2mm的分析样。
4.2 入厂油和入炉油也应按各方法中有关规定采样和缩制成分析油样。对水分含量 较大的油样,则按规定预先进行脱水处理。
4.3 煤、油分析试样应存放在带磨口塞的广口瓶或其他能防锈蚀的密封容器中。
5 测定
5.1 煤和油的全水分一般允许单次测定,但对校核试验必须进行两次测定(通常称为 重复测定);其他试验项目,均应对同一样品进行重复测定。
5.2 称取煤、油试样时,都应在充分混匀后从不同部位取样。除另有规定外,称取 10~20g试样时,一般准确到0.01g;称取1~2g试样时,一般准确到0.0002g。
5.3 温度计、热电偶、氧气压力表、分析天平、氧弹等各种压力器具均应定期进行 校验,合格者方可使用。
5.4 初次使用的干燥箱、高温炉都必须进行温度标定,以确定恒温区域;更换电炉 丝和控温元件后,应重新标定。
5.5 初次使用的瓷坩埚或灰皿,都必须予以编号并灼烧至质量恒定。
5.6 从热干燥箱中取出的坩埚等,一般在室温下冷却3~5min后放入干燥器中; 从高温炉中取出的坩埚、灰皿等,应在室温下冷却10~15min后,放入干燥器中。
5.7 试验室用水有自来水、蒸馏水、去离子水等。自来水仅供清洗器皿及作冷却介 质用;蒸馏水(一般电导率不大于2μS/cm)用于一般分析项目试剂的配制、热值测 定的吸热介质及洗涤气体等;去离子水用于特殊分析项目,它是将蒸馏水通过阴、 阳离子交换树脂而获得的纯度较高的水。
5.8 试验方法中所用试剂纯度,除另有说明外,均为分析纯或化学纯;选用试剂 时,要核对试剂标签上所列杂质含量是否符合要求的限量。
5.9 需用水分进行校正或换算的试验项目,最好和水分同时测定。若不能同时进 行,前后测定的时间差不应超过7天。
5.10 快速试验方法经与常规法对比,其结果均不超过允许误差时,方可用于例行 监督试验。对水分、灰分和灰渣可燃物含量等例行监督项目,若经连续5次以上检查 性干燥或灼烧试验,证明其结果均不超过允许误差时,则可免去检查性干燥或灼烧 试验。
6 精密度与准确度
6.1 试验方法中所列各项目测定精密度要求均以重复性和再现性来表示。
6.2 重复性是指同一试验室中,由同一操作者,用同一台仪器对同一样品,于短期 内所做的重复测定所得结果间的差值(在95%置信概率下)的临界值。
6.3 再现性是指不同试验室中,对从同一样品缩制最后阶段分取出来的具有代表性 部分所做的重复测量,所得结果平均值的差值(在95%置信概率下)的临界值。
6.4 准确度是表达分析结果与真实值的符合程度,通常使用标准物质来检查、控制 和评价准确度。
7 结果计算与表达
7.1 同一样品两次测定值之差如不超过规定限度(重复性T),则取其算术平均值作为 测定结果,否则进行第3次测定。如3次测值的极差小于1.2T,则取3次测值的 算术平均值作为测定结果,否则进行第4次测定。如4次测值的极差小于1.3T,则 取4次测值的算术平均值作为测定结果;如极差大于1.3T而其中3个测值的极差小于 1.2T,则可取此3个测值的算术平均值作为测定结果。如上述条件均未达到,则舍 弃全部测定结果,并检查仪器和操作,然后重新进行测定。
7.2 试验方法中各项试验结果均采用下述数据修约规则:
凡末位有效数字后边的第一位数字大于5,则在其前面一位数字上加1,小于 5则弃去;
凡末位有效数字后边的第一位数字等于5,而5后面的数字并非全部为"0" 时,如5前面一位为奇数,则在5前面一位数字上加1,如5前面一位为偶数(包 括0)则将5弃去;
所拟舍弃的数字,若为两位以上时,不得进行连续多次修约,应根据所拟舍弃 数字中左边第一个数字的大小,按上述规则一次修约出结果。
7.3 各项试验的测定值与报告值按7.2条规定,修约到表1所规定的位数。
表1 测定值与报告值位数
注:1)1o E=10-6 m2/s。
8 符号
8.1 试验方法采用表2所列符号代表各分析试验项目。
8.2 试验方法中所涉及的分析项目采用的下标有下述几种:
f——外在或游离 p——硫化铁
inh——内在 s——硫酸盐
t——全部 o——有机
net,p——恒压低位 net,V——恒容低位
gr,V——恒容高位
8.3 试验方法中各项分析结果所采用的基准有:
ar——收到基
ad——空气干燥基
d——干燥基
daf——干燥无灰基
表2 符号
9 基准换算
将有关数值代入表3所列相应公式中,再乘以用已知基表示的某一分析值,即 可求得所要求换算的基表示的分析值(低位发热量除外)。
表3 不同基准换算方式
附录A有关溶液的概念
A1 单位体积溶液中所含溶质的物质的量,单位为摩尔每升(mol/L),如1mol/L的氢 氧化钠溶液,即每升溶液中含40g氢氧化钠。溶液的百分浓度用"%"表示,若溶 质是固体,则表示100mL溶剂所含溶质的质量(g);若溶质为液体,则表示100mL 溶液中所含溶质的体积(mL)。
A2 体积浓度可用M∶N表示。M指液体溶质体积份数,N指液体溶剂的体积份 数。
A3 凡以去离子水或蒸馏水为溶剂的水溶液,一般简称溶液。以其他液体为溶剂的 溶液,则称为某某溶液,如乙醇溶液。
利用煤与杂质间电导率或介电常数不同,清除有害杂质,例如用电选获得超低灰精煤(见电选)。
选煤生产中以重介质选和跳汰选或两者联合使用的应用最多。为了提高细粒级煤的分选精确性,离心力场选煤(重介旋流器、水介旋流器)和电磁风阀筛下气室末煤跳汰机选煤发展很快摇床选只适用于细粒级(6~0.15mm)高硫煤的选别和回收黄铁矿;干式选别法只适用于高寒、干旱、缺水地区;槽选法的分选效果差,一般不采用,但在简易回收矸石中或矸石堆中的煤炭时,也有应用不同结构的槽洗机的。对于煤泥(-0.5mm粒级)的选别,浮选是当前最好的分选方法,一般常用泡沫浮选法;多油浮选(油团选煤)只在把煤改变为流质燃料(可代替石油直接燃烧,现已为美、意等国采用)时或为回收极细煤粒子用其他任何分选方法都无法奏效时方采用。磁选法在重介质选煤厂中作为回收加重剂的手段而应用;作为清除杂质的方法,和电选法一样,均处在研究阶段中。
WS/T 882012 méi jí tǔ rǎng zhōng zǒng fú cè dìng fāng fǎ gāo wēn rè shuǐ jiě lí zǐ xuǎn zé diàn jí fǎ
2 英文参考Method for determination of total fluoride in coal and soilPyrohydrolysision selective electrode method
《煤及土壤中总氟测定方法 高温热水解离子选择电极法》由卫生部于2012年11月28日卫通〔2012〕20号发布,自2013年5月1日起施行。自施行之日起,WS/T 881996废止。
ICS 11.020
C61
WS/T 882012
代替WS/T 881996
煤及土壤中总氟测定方法
高温热水解离子选择电极法
3 前言本标准按照GB/T 1.12009给出的规则起草。
本标准代替WS/T 881996《煤及土壤中总氟测定方 法燃烧水解一离子选择电极法》。
本标准与WS/T 88——1996 相比主要变化如下:
——将原标准名称中的“燃烧水解”改为“高温热水解”;
一一将煤样热水解温度由1000℃改为1100℃;
——明确了每日实验前热水解系统的石英燃烧管和冷凝管系统的清洗条件;
——用石英砂替代原标准的二氧化硅粉;
——对原标准的书写格式、某些符号及单位的表达方式按照国家标准的要求进行了修改。
本标准由卫生部地方病标准专业委员会提出。
本标准起草单位:中国疾病预防控制中心地方病控制中心、贵州省疾病预防控制中心、南昌大学。
本标准主要起草人:于光前、安冬、吴代赦、张念恒、王伟。
4 1 范围本标准规定了以高温热水解法处理样品,采用离子选择性电极测定煤炭样品或土壤样品中总氟含量的方法。
本标准适用于各类煤炭和土壤样品中总氟含量的测定。
5 2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB 475 商品煤样人工采取方法
GB/T 19494.1 煤炭机械化采样 第1部分:采样方法
NY/T 1121.1 土壤检测 第1部分:土壤样品的采集、处理和贮存
6 3 原理煤炭或土壤样品与石英砂混合,于1100℃在氧气一水蒸气流中燃烧、水解。样品中氟被转化成氟化氢或其他含氟的挥发性化合物,冷凝后被氢氧化钠溶液吸收,以离子选择性电极测定吸收液的氟含量。
7 4 试剂与材料7.1 4.1 试剂使用要求本标准使用的化学试剂除氟化钠需用优级纯(G.R.)外,其他试剂均用分析纯(A.R.),所用水为去离子水,25℃时电导率不大于0.10 mS/m。
7.2 4.2 氟化钠标准溶液4.2.1 氟化钠标准贮备液
准确称取预先于120℃烘干2h的氟化钠0.2210 g于烧杯中,加水溶解,用水将氟化钠溶液全部洗入100 mL容量瓶中,加水定容,摇匀,转移至聚乙烯塑料瓶中,置于冰箱内冷藏。此贮备液每毫升含氟1.000 mg。
4.2.2 氟化钠标准工作液
准确吸取1.0 mL氟化钠标准贮备液于100 mL容量瓶中。加水定容,摇匀,贮于聚乙烯塑料瓶中。此溶液每毫升含氟10.0 μg。
7.3 4.3 总离子强度调节缓冲液称取58g氯化钠, 2.94g柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O)。量取57mL冰醋酸,溶于700mL水中用10mol/L氢氧化钠溶液调节pH至5.0~5.5,加水定容至1000mL.
7.4 4.4 0.2 mol/L 氢氧化钠溶液称取8g氧氧化钠,溶于水,稀释至1000mL.
7.5 4.5 10 mol/L氢氧化钠溶液称取40 g氢氧化钠,溶于水,稀释至100 mL。
7.6 4.6 2 mol/L硝酸溶液浓硝酸与水的体积比为1:6.25混合而成。
7.7 4.7 0.5%酚酞指示剂溶液称取0.5 g酚酞,溶解于100 mL90%乙醇溶液中。
7.8 4.8 石英砂分析纯,粒度0.5 mm~1 mm,含氟量≤10 mg/kg。
7.9 4.9 瓷舟长度75 mm或95 mm。
7.10 4.10 氧气纯度99%以上。
8 5 仪器8.1 5.1 高温热水解装置5.1.1 管式高温炉:有80 mm长的恒温区(1100℃±10℃)。用自动温度控制器调节温度。
5.1.2 燃烧管:透明石英管,耐温1300℃。
5.1.3 电热套:可调温。
5.1.4 示意图:见图1。
1吸收管;
2冷凝管;
3石英管;
4管式高温炉;
5瓷舟(石英舟);
6热电偶;
7防溅球;
8烧瓶;
9电热套;
10放水口;
11进样推棒;
12温度控制器;
13氧气钢瓶。
图1 高温热水解装置示意图
8.2 5.2 分析仪器5.2.1 离子计或精密酸度计:精度0.1 mV。
5.2.2 氟离子选择性电极。
5.2.3 饱和甘汞电极。
5.2.4 磁力搅拌器。
9 6 样品处理9.1 6.1 准备工作按图1所示,将高温热水解装置装配妥当,连接好气路、水路,检查气密性,冷凝管通入冷却水,将石英管加热到950℃,通入水蒸气及氧气(290 mL/min).塞紧进样口橡皮塞,逐渐升温至1100℃后空烧15 min,使冲洗出的冷凝液达到70 mL~ 80 mL。
9.2 6.2 高温热水解称取0.2 g(准确到0.0002 g)经粉碎研磨过0.074 mm孔径筛的样品,与0.1 g石英砂于瓷舟中混合,再取少量石英砂铺盖于样品上,以基本覆盖样品表面为宜。用事先装有15.0 mL浓度为0.2 mol/L氢氧化钠溶液的吸收管接收冷凝液。把瓷舟放入石英燃烧管中,插入进样推棒,通入水蒸气和氧气(290 mL/min),在5mim内分两步,逐渐将瓷舟从低温区(600℃~700℃)推到高温区(1100℃),并将瓷舟在1100℃恒温区继续保持10 min,取出进样推棒以免熔化。在整个过程中.调节电热套温度,控制烧瓶内的水蒸气流量,使收集的冷凝液体积总量控制在45 mL以内。高温水解完成后,将冷凝液全部转移到50mL容量瓶中,加一滴酚酞指示剂,用2mol/L硝酸溶液中和至红色消失,加水至刻度摇匀待测,
10 7 测定步骤10.1 7.1 工作曲线的制备取5个25mL小烧杯分别加入0.10mL、0.50mL、1.00mL、2.50mL、5.00mL氟化钠标准工作液和5.0mL总离子强度缓冲液,再各加去离子水至总体积10.0mL,此标准系列溶液含氟量分别为1.0μg、5.0μg、10.0μg、25.0μg、50.0μg。放入磁芯搅拌棒,置于电磁力搅拌器上,插入氟电极和甘汞电极,搅拌,当电位值变化≤0.1mV/min时读取平衡电位。由低浓度到高浓度依次测定各溶液的电位值。用计算器或计算机求得回归方程Ea+blogC的截距(a)和斜率(b),得到标准溶液的工作曲线,同时计算相关系数(r),要求相关系数大于0.999。方程式中E为测得的电极电位值(mV),c为溶液含氟量(μg)。
10.2 7.2 样品测定取5 mL样品溶液于25 mL小烧杯中,加入5.0 mL总离子强度缓冲液,按7.1步骤测得平衡电位值。用工作曲线求得样品溶液氟含量。每测定一个样品时,都要将电极洗到要求的空白电位值后,进行测定。
10.3 7.3 空白值测定在高温热水解装置中不加入样品,按样品处理的操作步骤,对瓷舟和石英砂进行高温热水解处理,用电极法测定氟含量,求得空白值。若空白值过高,在结果计算时应扣除,并检查空白值过高原因,加以消除。
11 8 结果计算结果计算见式(1)。
式中:
c煤或土壤中总氟含量,单位为毫克每千克( mg/kg):
mx——样品溶液中含氟量(由工作曲线求得),单位为微克(μg);
V0——吸收液总体积,单位为毫升(mL);
V1一一测定时吸取被测液体积,单位为毫升(mL);
m——称取样品重量,单位为克(g)。
本法中V050 mL,V15 mL,则
12 9 说明12.1 9.1 准确度与精密度
同一实验室对含氟煤标样(标准物质产品编号:GBW11121,含氟248 mg/kg±12 mg/kg)13次测定的平均值为246.15 mg/kg,相对标准偏差为1.6%。
同一实验室对含氟土壤标样(标准物质产品编号:GBW07405,含氟603 mg/kg±28 mg/kg)13次测定的平均值为607.8 mg/kg,相对标准偏差为3.6%。
12.2 9.2 检测下限样品溶液的检测下限为0.5μg,当取样量为0.2000g,吸收液定容到50 mL时,样品检测下限为25.0 mg/kg。
12.3 9.3 样品采集方法煤炭样品采集可参考GB 475和GB/T 19494.1。
3.3.1 天线接收的物理过程[135]
当电荷、电流随时间变化时,会在其周围激励起电磁波;在电磁波向外传播的过程中会有电磁能输送出去,能量以电磁波的形式通过空间传播的现象称为电磁辐射。(其中频率低于3 MHz的为中低频电磁波,3~30 MHz为高频电磁波,300 MHz~300 GHz为微波。)电磁辐射就是变化的电磁场由近到远的传播,其产生源是多种多样的:电偶极子(偶电层)的振荡与瞬变、电荷的变速运动和分离电荷的弛豫等,是上述几种源产生的交变电磁场综合叠加的结果。电磁波频谱范围广,如表3.1所示划分。其中无线电波是频率从几十赫兹到300 G赫兹左右频谱范围内的电磁波,其划分如表3.2所示。
表3.1 电磁波频谱的划分
表3.2 无线电频段和波段划分
同样,在煤岩变形破裂过程中有电磁辐射产生,煤岩电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象,与煤岩体的变形破裂过程密切相关。电磁辐射信息综合反映了冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象的主要影响因素,电磁辐射强度主要反映了煤岩体的受载程度及变形破裂程度,而脉冲数目则主要反映了煤岩体变形及微破裂的频次。根据实验研究的结果,煤岩破裂产生的电磁辐射属于宽频带辐射,其频率主要在1 kHz~1 MHz,也有7.9 MHz的信号出现[96]。因此,要对有效反映灾害动力现象危险前兆的电磁辐射信号进行监测和接收,也同样必须了解其在煤岩介质中的传播规律以及煤岩电性参数变化对电波传播的影响。
3.3.2 井下煤岩变形破裂过程中电磁波传播特性的分析[139~140]
(1)煤岩变形破裂电磁波的传播特性
利用非接触电磁辐射预测方法连续动态监测煤与瓦斯突出、冲击矿压、岩爆等灾害动力现象,必须了解电磁辐射信号在介质中的传播特征。在采动影响下煤层内出现应力集中带,且随着采掘的进行而不断前移,煤岩体会发生变形破裂,发生能量的释放,从而产生声发射和电磁辐射现象。由于煤岩介质属于导电介质,因此,产生的电磁波在其中传播是有损耗的,且传播满足麦克斯韦(Maxwell)方程组,即(3.3)、(3.5)、(3.8)~(3.13)式。
假定将煤岩看作是各向同性、非铁磁性的介质,则其结构物性方程为
煤岩动力灾害力电耦合
式中:ε——介电常数,F/m;μ——磁导率,H/m;σ——电导率,S/m。
由上述麦克斯韦(Maxwell)方程组和状态方程可以推导得到煤岩破裂过程中产生的电场和磁场满足以下的波动方程:
煤岩动力灾害力电耦合
设产生的电磁场为谐变电磁场,用复数表示时有iωE,则(3.9)式可化为
煤岩动力灾害力电耦合
可以简写为
煤岩动力灾害力电耦合
式中εc为煤岩介质的复介电常数。然后将上式两边对时间微分,可得
煤岩动力灾害力电耦合
再将式(3.10)两边取旋度,得
煤岩动力灾害力电耦合
将(3.55)式代入式(3.54),得
煤岩动力灾害力电耦合
利用矢量恒等式Δ×Δ×E=ΔΔ·E-Δ2E以及Δ·E=0,上式化为
煤岩动力灾害力电耦合
令γ2=-ω2εc=-ω2μ(ε-iσ/ω),则方程(3.57)的解为
煤岩动力灾害力电耦合
上式表示电磁波电场的幅值随着电磁波传播距离r的增加而按负指数规律衰减,每前进一个单位距离,幅值衰减α[奈],或8.68[分贝]。α称为电磁波衰减系数,单位是[奈/米]或[分贝/米]。电磁波传播的相速是[米/秒]:
煤岩动力灾害力电耦合
式中:c———光速,cn———折射率,β———相位常
数,即单位长度上的相移量。
γ=α+jβ为电磁场在煤岩介质中传播的传播系数,即波数。其中:
煤岩动力灾害力电耦合
电磁波在煤岩介质中之所以会发生衰减,可以从能量的角度来进行分析。煤岩并非完全不导电介质,当煤岩变形破裂时产生的电磁波在其中传播时,介质中带电质点在电磁场作用下会产生往复振动,质点间的相互碰撞使得电磁场能量转换为热能而损耗,这样对电磁场能量的吸收就造成电磁场强度随着传播距离的增加而减小,因此,衰减系数又称为吸收系数。从(3.61)式中可知,电磁波在介质中的衰减系数与介电常数ε、磁导率μ、电导率σ和电磁波的频率有关系。
为了表示电磁波在介质中的传播损耗,常用损耗正切tan δ进行分析,其物理意义也可以表示为介质中传导电流和位移电流之比值。当频率低时,即≫1,则位移电流可以忽略;频率特别高时,1,则传导电流可以忽略。所以
1)tan δ1时,式(3.61)可以简化为
煤岩动力灾害力电耦合
2)tan δ1时,式(3.61)可以简化为
煤岩动力灾害力电耦合
3)tan δ1时,式(3.61)可以简化为
煤岩动力灾害力电耦合
介质的绝对介电常数ε=εr·ε0,真空中的介电常数ε0=8.85×10-12F/m。而对于大多数沉积岩矿物如煤、泥岩、砂岩等其相对介电常数较小,且变化范围也不大,一般在4~13 F/m之间。对于煤岩的磁导率,一般认为是不随着频率而变化的常数,即μ=μ0=4π×10-7H/m。
由此可见,在煤岩介质中电磁波的衰减系数还与电磁波的频率有关,与电磁波的频率的1/2次方成线性关系,即电磁波频率越高电磁波衰减得越快,而频率低的电磁波传播时衰减小。
(2)煤岩变形破裂电磁波的功率特性
对于煤岩中的电磁波,因存在传导电流导致衰减效应,其传输功率也是随着传播距离的增加而逐渐减少的,假设传输距离r后电磁场幅值衰减e-αr,则辐射功率应为辐射源功率的Ae-2αr,由式(3.49)得
煤岩动力灾害力电耦合
令K=A(I0l)2,而衰减系数的处理分为以下三种情况讨论:
1)tan δ1时,α=式(3.66)可以化为:
煤岩动力灾害力电耦合
从上式中可以看出,辐射功率与电磁波的频率是非线性关系,对式(3.67)进行处理,使辐射功率对频率求导数,可以得到最大功率对应的频率,即由:
煤岩动力灾害力电耦合
得到,f=1/(πμσr2)为最大功率对应的频率值,其与介质电性参数和距离r有关。
2)tan δ1时,α=ω式(3.66)为:
煤岩动力灾害力电耦合
3)tan δ=1时,α式(3.66)为:
煤岩动力灾害力电耦合
对于第二和第三种情况,辐射功率与电磁波的频率呈线性关系,与离辐射源的距离成负指数关系,说明电磁波的频率越高,辐射功率越大,距离越远,辐射功率成指数衰减。
前面已经分析过,对于煤岩变形破裂产生的电磁辐射信号属于中低频信号,因而归于第一种情况,即接收到的电磁辐射信号功率最大点的频率随与辐射源的距离变化而变化,频率f与距离r的平方成反比。如果对监测到的电磁辐射信号进行频谱分析,然后通过对各种频率对应的辐射功率的计算,可以得到最大辐射功率对应的频率,从而可以有效预测电磁辐射源的距离。这对煤岩动力灾害现象的预测预报以及定向定位具有重要的理论指导意义。