Импедансная спектроскопия ископаемого угля, содержащего трещины. II. Влажный образец

Abstract

С использованием модели эффективной среды теоретически исследовано влияние трещиноватости влажного угля на его комплексное сопротивление (импеданс). Показано, что трещины, содержащие объемную влагу, способствуют повышению электропроводности угля на постоянном токе. В то же время сухие (газонаполненные) трещины оказывают двоякое влияние: с одной стороны, они препятствуют прохождению постоянного тока, создавая дополнительное активное сопротивление, с другой стороны, для переменного напряжения они играют роль конденсаторов, пропуская токи смещения благодаря поляризационным эффектам. В модели хаотически ориентированных трещин найден их вклад в мнимую часть импеданса образца на переменном токе. С учетом вышесказанного получены аналитические выражения для комплексного импеданса влагонасыщенного угля и тангенса угла его потерь. Показано, что, используя диаграмму Найквиста, можно получить простое уравнение для нахождения коэффициента трещиноватости угля. Решение этого уравнения позволяет найти явное выражение для коэффициента трещиноватости через характеристики угольного образца, экспериментально измеряемые методами импедансной спектроскопии. Проведена оценка коэффициента трещиноватости углей средней стадии метаморфизма.

З використанням моделі ефективного середовища теоретично досліджено вплив тріщинуватості вологонасиченого вугілля на його комплексний опір (імпеданс). Показано, що тріщини, які вміщують об’ємну вологу, сприяють підвищенню електропровідності вугілля на постійному струмі. У той же час сухі (газонаповнені) тріщини роблять двоякий вплив: з одного боку, вони перешкоджають проходженню постійного струму, створюючи додатковий активний опір, з іншого боку, для змінної напруги вони вiдiграють роль конденсаторів, пропускаючи струми зміщення завдяки поляризаційним ефектам. У моделі хаотично орієнтованих тріщин знайдено їхній внесок до мнімої частини імпедансу зразка на змінному струмі. З урахуванням вищесказаного отримано аналітичні вирази для комплексного імпедансу вологонасиченого вугілля й тангенса кута його втрат. Показано, що, використовуючи діаграму Найквіста, можна отримати просте рівняння для знаходження коефіцієнта тріщинуватості вугілля. Рішення цього рівняння дозволяє знайти явний вираз для коефіцієнта тріщинуватості через характеристики вугільного зразка, що експериментально вимірювані методами імпедансної спектроскопії. Проведено оцінку коефіцієнта тріщинуватості вугілля середньої стадії метаморфізму.

The influence of the moist coal cracking on the complex resistance (impedance) is studied theoretically with using the model of effective medium. It is shown that the cracks with the volume moisture contained promote to increasing of the coal dc conductance. At the same time, dry (gas-filled) cracks render the influence of two kinds: on the one hand, they obstruct the passage of direct current by producing the additional active resistance; on the other hand, they play the role of ac capacitors, by passing the displacement currents due to the polarization effects. In the model of randomly oriented cracks, the contribution of the cracks to the imaginary part of the ac impedance on the sample is found. Subject to aforesaid, the analytical expressions for the complex impedance of a water-saturated coal and the tangent of loss angle are obtained. It is shown that using the Nyquist diagram, one can obtain a simple equation for finding the coefficient of coal cracking. The solving of this equation allows an evident expression for the cracking coefficient through the characteristics of coal measured by the methods of impedance spectroscopy. The evaluation of the cracking coefficient for coals of an average metamorphism stage is carried out.