THz频谱下煤自燃电磁物性特征参数动态响应规律研究

Accurate detection of coal spontaneous combustion hidden fire area(high-temperature area) is very important to coal fire effectively management and resource waste reducing. Artificial active excitation THz spectrum electromagnetic waves technology is used to investigate the interactive relationship between coal spontaneous combustion characteristic parameters( coal rock composition, coal temperature, heating rate, and pore structure etc.) and coal rock electromagnetic characteristic physical properties(dielectric constant ε, magnetic susceptibility μ, specific resistance ρ). The spontaneous combustion temperature field and electromagnetic field coupling model will be built. Response regularity of active excitation THz spectrum electromagnetic waves and the electromagnetic properties characteristic parameter of coal and rock would be studied; Interfering patterns of underground electromagnetic signal affect the active excitation THz spectrum electromagnetic waves would be investigated. Coupling mechanism of using active excitation THz spectrum electromagnetic waves to detect hidden fire area will be researched. The research achievement provides theoretical support to development detection technology of coal spontaneous combustion hidden fire area.

煤自燃阶段隐蔽火区（或称高温区域）的准确探测对提高煤自燃的治理有效性、降低资源浪费具有十分重要的作用。项目采用人工主动式激发THz 频谱电磁波，研究THz 频谱下不同煤自燃表征特征参数（煤岩成分、煤温、升温速率、孔隙结构等）与煤岩电磁物性特征参数（介电常数ε、磁化率μ、电阻率ρ等）的交互变化关系，建立煤自燃温度场、电磁场综合作用耦合模型；研究主动式THz 频谱与煤岩电磁物性特征参数的响应规律研究；研究井下环境电磁信号对主动式激发THz 频谱接收效果的影响干扰规律；研究主动式激发THz 频谱探测隐蔽火区的耦合作用机理，研究成果为煤自燃隐蔽火区探测技术的开发提供理论支撑。

煤自燃高温区域探测与圈定是提高煤自燃防治效果、实现精准防控的关键。与常规电磁波段相比，太赫兹具有波长短、带宽广和指纹谱性等优点，能提高探测空间和时间分辨率，实现精准探测对煤自燃防治。基于此，本研究首先采用主成分分析法确定了水分为影响煤太赫兹频段介电常数的主控因子，研究了工业组分和元素组分对介电常数的影响规律，建立了煤的介电常数精确表征模型。研究了升温氧化对煤介电常数的影响，根据煤低温氧化过程分段特征和温度临界值，提出了基于介电谱和机器学习方法的煤氧化程度准确识别方法，分析了介电谱类型、频率、机器学习方法对识别准确度的影响。发现氧化升温造成煤介电常数实部、虚部减小；与未氧化煤样相比，氧化煤样介电常数虚部差异比实部更明显，采用介电常数虚部识别煤氧化程度的准确率高于实部，确定了基于线性核函数的SVM方法是最适合进行煤氧化程度准确识别的方法。同时，分析了环境湿度、金属障碍物和样品粒径对煤太赫兹光谱测量结果的影响，提出了环境湿度降噪经验公式和降粒径影响方法。通过傅里叶红外实验，研究了氧化升温过程煤中官能团的变化规律。结合介电质极化理论，阐释了水和主要官能团对煤介电参数影响机制。对于低含水率煤，氧化升温导致极性较低的烃类（CmHn）断裂，同时极性较高的碳氧单键（C– O）和羰基（C=O）等含氧官能团生成，煤样的取向极化和诱导极化随之增强，进而增强了煤样的介电响应。研究成果为煤自燃隐蔽火区探测技术的开发提供理论支撑。