24.3. Влияние различных факторов на электрофизические свойства ТГИ

Характерной особенностью электрофизических свойств ТГИ является их зависимость от степени метаморфизма, которая объясняется происходящими структурными изменениями с углеродной составляющей.

Установлено, что торфы, бурые угли, каменные угли средней степени углефикации по своим электрическим свойствам можно отнести к полупроводникам. Угли высшей степени углефикации и антрациты по своим свойствам приближаются к проводникам.

Значения удельного электрического сопротивления для углей различной степени углефикации представлены на графике [26], который условно можно разделить на три области (рис. 24.2.).

Для бурых углей удельное электрическое сопротивление имеет большую абсолютную величину и увеличивается с ростом химической зрелости углей. В средней части графика значение ρ экстремально и несколько снижается для углей более высокой степени углефикации. Переход от тощих углей к антрацитам сопровождается резким снижением удельного электрического сопротивления, наблюдаемым в третьей области графика.

Рисунок 24.2. Зависимость удельного электрического сопротивления ρ, Ом?м клареновых углей от степени углефикации

Природа повышенной электропроводности углей низшей и высшей степени углефикации различна. Более низкие значения удельного электрического сопротивления у бурых углей, длиннопламенных и газовых углей объясняется наличием кислородных мостиков в их органическом веществе. По мере перехода к углям средней степени углефикации кислород выделяется в виде двуокиси углерода и воды. Резкое увеличение электропроводности при переходе от каменных углей к антрацитам может быть объяснено увеличением размеров, относительного содержания углеродных сеток по сравнению с боковыми цепями.

Электрическая проводимость ТГИ возрастает с увеличением их влажности. Это объясняется тем, что удельное электрическое сопротивление углей в воздушно-сухом состоянии на несколько порядков выше электрического сопротивления чистой воды, не говоря уже о воде минерализованной. Эта закономерность характерна для ТГИ с большой естественной влажностью.

Удельное электрическое сопротивление торфов и бурых углей в большой степени зависит от влажности и содержания в воде растворенных ми­неральных соединений, обусловливающих ионную проводимость элек­тролитов. С увеличением влажности торфов их электрическое сопротивление уменьшается (от 10⁴-10⁶ для сухих торфов до 10-10² Ом?м для тор­фов с влажностью 85-95%). Электрическое сопротивление влажных бурых углей при комнатной температуре составляет 10²-10⁴ Ом?м за счёт хорошей ионной проводимости, заполняющей поры угля влаги. После высушивания бурых углей электрическое сопротивление их увеличи­вается до 10⁷-10⁹ Ом?м. Содержание гигроскопической влаги в каменных углях невелико. Поэтому она мало влияет на их электрическое сопротивление, которое состав­ляет 10⁶-10¹⁰ Ом?м.

Петрографические составляющие углей имеют различное электрическое сопротивление: витрены и кларены – более 3?10⁶ Ом?м, фюзены – 10-10² Ом?м, причём их электрическое сопротивление понижается с возра­станием степени метаморфизма углей. Прослойки витрена и фюзена (встречающиеся по напластованию в полосчатых углях) изменяют электропроводность угля на 1-3 порядка в ту или другую сторону.

Удельное электрическое сопротивление ТГИ значительно изменяется при их нагревании до разных температур.

Каменные угли антрациты и глинистые сланцы относятся к анизотропным породам. Особенности строения таких пород предполагают различия в их свойствах, определяемых в зависимости от направления измерения. А.А. Агроскин определил [24], что удельное электрическое сопротивление каменных углей и антрацитов, измеренное перпенди­кулярно к напластованию, всегда выше сопротивления, измеренного вдоль напластования.

Для количественной оценки этих различий используется коэффициент анизотропии l, который определяется по формуле:

l =(ρ_n / ρ_t)^-0,5, (24.7)

где ρ_n – удельное электрическое сопротивление в направлении, перпендикулярном напластованию, Ом?м;

ρ_t – удельное электрическое сопротивление вдоль напластования, Ом?м.

Для каменных углей коэффициент анизотропии составляет 1,73-2,55, для антрацитов – 2,00-2,55. Высокий коэффициент анизотропии объясняется строением кристаллической решётки угля, которая закономерно ориентируется по отношению к напластованию, а также динамометаморфическими изменениями, происходящими в каменных углях после их образования.

Для полосчатых углей низкой и средней степени углефикации удельное электрическое со­противление по слою и поперёк его имеет разницу на 1,5-2 порядка. Эта разница уменьшается для более однородных по макроструктуре и наиболее метаморфизованных углей.

Диэлектрическая проницаемость углей, также как и их электропроводность, зависит от степени метаморфизма (рис.

Рисунок 24.3. Зависимость диэлектрической проницаемости углей ε от содержания углерода

Значение диэлектрической проницаемости углей низкой стадии химической зрелости снижается с увеличением содержания углерода, имеет минимум для углей с содержанием углерода около 85% и далее резко возрастает, имея наибольшую величину у антрацитов.

Первоначальное уменьшение диэлектрической проницаемости в ряду метаморфизма объясняется снижением содержания кислорода (в полярных функцио­нальных группах) в структуре углей и исчезновением ориентационной поляризации. При содержании углерода в углях более 86-87% величина диэлектрической проницаемости возрас­тает, что объясняется повышением электропроводности углей.

На величину диэлектрической проницаемости ТГИ существенно влияет содержание влаги. Это объясняется различием значений диэлектрической проницаемости углей и воды, у которой благодаря преобладающему механизму диориентационной поляризации ε = 81. Из-за высокой чувствительности ε к содержанию воды эту электрофизическую характеристику иногда используют в качестве критерия влажности углей.

Диэлектрическая проницаемость также зависит от температуры. Нагревание углей до 500-550°С приводит к незначительному, а до 600-700°С к резкому увеличению диэлектри­ческой проницаемости за счёт приобретения углем электропроводимодимости, причем при температуре 700-800°С измерение диэлектри­ческих параметров становится уже невозможным.

Измерения тангенса диэлектрических потерь показали, что для углей Донбасса (содержа­ние углерода 80-90%) отмечается наличие явно выраженных макси­мумов в частотном ходе tgδ, свидетельствующее о дипольном характере диэлектрических потерь. В области низких частот электрического поля диэлектрические потери выше для углей с более высоким содержанием углерода, что объясняется относитель­ным снижением их удельного электрического сопротивления. В области высо­ких частот они составляют приблизительно 0,01, независимо от стадии метаморфизма угля.