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.
Кроме того, электрические свойства ТГИ зависят от влажности, петрографического состава, содержания минеральных примесей и других факторов.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.
Делокализация и увеличение подвижности электронов в системах двойных сопряженных связей углерода, являющиеся результатом молекулярно-структурных изменений на данной стадии метаморфизма, подтверждаются появлением металлического блеска и значительным увеличением отражательной способности.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.
Если не принимать во внимание незначительное увеличение электрического сопротивления торфов, бурых и высоковлажных каменных углей с повышением температуры от 50-100 до 200°С, вызываемое удалением влаги, то многочисленные исследования однозначно выявляют общую закономерность, характерную для всех видов ТГИ: их удельное электрическое сопротивление резко снижается по мере повышения температуры, достигая минимума (10-1-10-4 Ом?м) при 950-1000°С. То есть полученные из углей коксы становятся проводниками электрического тока.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 =(ρn / ρt)-0,5, (24.7)
где ρn – удельное электрическое сопротивление в направлении, перпендикулярном напластованию, Ом?м;
ρt – 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.
24.3).
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.