高河礦井回風(fēng)巷道通信射頻傳輸特性及最優(yōu)頻率分析

王燕妮

(山西高河能源有限公司)

信息化建設(shè)在現(xiàn)代化煤礦安全生產(chǎn)中的作用日益突出[1-2]。回風(fēng)巷道無(wú)線通信技術(shù)在井下回風(fēng)巷道搶險(xiǎn)救災(zāi)、最大限度保障井下作業(yè)人員生命安全方面尤為重要。近年來(lái)，礦井無(wú)線射頻技術(shù)在礦山安全領(lǐng)域的相關(guān)研究及應(yīng)用越來(lái)越多[3-5]。

高河礦井回風(fēng)巷道存在通信盲區(qū)，回風(fēng)巷道內(nèi)禁止安裝電設(shè)備，缺乏行之有效的調(diào)度通信系統(tǒng)，屬于調(diào)度通信管理盲區(qū)。在回風(fēng)巷道突發(fā)災(zāi)害事故，需要及時(shí)準(zhǔn)確向回風(fēng)巷道作業(yè)人員下達(dá)安全撤離調(diào)度指令，回風(fēng)巷道通信系統(tǒng)對(duì)于保障生命安全至關(guān)重要。據(jù)此開(kāi)展射頻技術(shù)在高河礦井回風(fēng)巷道中的應(yīng)用研究。

1 礦井及回風(fēng)巷道概況

山西高河能源有限公司高河礦井建設(shè)項(xiàng)目包括設(shè)計(jì)能力6 Mt/a礦井、選煤廠及配套的鐵路專(zhuān)用線工程。井田位于沁水煤田東部中段，地處太行山脈中段西側(cè)、山西省上黨盆地西部，距長(zhǎng)治市4 km。

W1313工作面兩側(cè)為未采區(qū)域，東面為+450 m水平南翼大巷組(已掘)，西面為井田邊界，上方地面為耕地，無(wú)影響。W1313回風(fēng)巷與W1310回風(fēng)巷連通，經(jīng)過(guò)W1311、W1312未采工作面區(qū)域，處于井田邊界處，后續(xù)布置的W1311、W1312工作面切眼距離回風(fēng)巷的安全距離大于50 m，對(duì)W1313回風(fēng)巷基本沒(méi)有采動(dòng)影響。地表標(biāo)高約+915 m，回風(fēng)巷底板標(biāo)高為+445～+495 m，埋深為420～470 m。回風(fēng)巷沿3#煤層底板掘進(jìn)。巷道平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 W1313回風(fēng)巷平面布置示意

W1313回風(fēng)巷為W1313工作面的專(zhuān)用回風(fēng)巷道，斷面形狀為矩形，規(guī)格為5 100 mm×4 550 mm(寬×高)，凈寬5 000 mm，凈高3 500 mm，長(zhǎng)820 m，巷道斷面見(jiàn)圖2。

圖2 W1313回風(fēng)巷斷面

2 回風(fēng)巷道射頻傳輸特性分析

井下回風(fēng)巷道是無(wú)線通信射頻傳輸特殊應(yīng)用環(huán)境，射頻信號(hào)選擇433 MHz、915 MHz、2.4 GHz，研究射頻波信號(hào)的截止頻率特性、傳輸衰減特性、巷道空氣傳輸損耗等重要傳輸特性，并進(jìn)行通信數(shù)據(jù)測(cè)試。

2.1 巷道截止頻率研究

射頻頻段電磁波在礦井回風(fēng)巷道中通信傳輸時(shí)，發(fā)現(xiàn)射頻波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于回風(fēng)巷道尺寸。首先將回風(fēng)巷道設(shè)計(jì)為有損介質(zhì)波導(dǎo)，射頻研究發(fā)現(xiàn)，電磁波頻率大于波導(dǎo)截止頻率時(shí)，信號(hào)可在波導(dǎo)中進(jìn)行正常傳輸。截止頻率為

(1)

式中,f為截止頻率，MHz；a為回風(fēng)巷道橫截面寬度，m；b為回風(fēng)巷道橫截面高度，m；μ為回風(fēng)巷道壁導(dǎo)磁率，H/m;ε為電容率，F(xiàn)/m；m和n為射頻波模階次，射頻信號(hào)在回風(fēng)巷道中為多模傳輸模式，傳輸損耗與階數(shù)平方成正比。

計(jì)算得出井下回風(fēng)巷道主模兩階截止頻率為65.43,43.97 MHz，選擇的433 MHz、915 MHz、2.4 GHz 頻率均大于巷道截止頻率，表明在巷道截止頻率特性中，3種射頻都滿(mǎn)足回風(fēng)巷道通信需求。

2.2 巷道射頻信號(hào)衰減

在回風(fēng)巷道中，水平極化波主模Erec_h射頻傳播衰減常數(shù)為

(2)

垂直極化波主模Erec_v射頻傳播衰減常數(shù)為

(3)

式中，λ為波長(zhǎng)，m；εr為回風(fēng)巷道壁相對(duì)介電常數(shù)，回風(fēng)巷道壁主要由沙漿、混凝土構(gòu)成，相對(duì)介電常數(shù)為4.5 F/m；其他符號(hào)意義同上。

計(jì)算得出波模Erec_h和Erec_v的巷道衰減常數(shù),見(jiàn)圖3。

從衰減常數(shù)公式看出，礦井回風(fēng)巷道射頻衰減常數(shù)與射頻電波頻率平方成反比，與回風(fēng)巷道寬、高三次方成反比。2.4 GHz頻率最高，則波長(zhǎng)最小，回風(fēng)巷道截面尺寸相對(duì)于波長(zhǎng)最大，回風(fēng)巷道對(duì)2.4 GHz 電磁波傳播衰減最小。

圖3 回風(fēng)巷道射頻電波傳播衰減曲線

2.3 回風(fēng)巷道傳輸損耗

計(jì)算回風(fēng)巷道射頻信號(hào)在空氣中傳輸損耗，即

Los=32.44+20lgd+20lgf，

(4)

式中，Los為回風(fēng)巷道射頻傳輸損耗，dB；d為射頻傳輸距離，km；f為頻率，MHz。

計(jì)算得出射頻信號(hào)傳輸損耗與頻率成正比，3種頻率信號(hào)中2.4 GHz頻率最高，傳輸損耗最大，但傳輸距離最長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)射頻無(wú)線信號(hào)在礦井回風(fēng)巷道傳輸截止頻率特性、傳輸衰減特性、巷道空氣傳輸損耗綜合分析表明，采用2.4 GHz符合礦井回風(fēng)巷道通信技術(shù)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在礦井回風(fēng)巷通對(duì)2.4 GHz通信設(shè)備進(jìn)行了傳輸性能測(cè)試，并為回風(fēng)巷道通信系統(tǒng)研發(fā)提供數(shù)據(jù)保障，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1?？梢缘贸觯?.4 GHz射頻能滿(mǎn)足高河礦井回風(fēng)巷道通信傳輸需求。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)3種不同射頻信號(hào)在W1313回風(fēng)巷道中的截止頻率、信號(hào)衰減、傳輸損耗重要傳輸參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)2.4 GHz通信系統(tǒng)進(jìn)行井下回風(fēng)巷道通信測(cè)試，證明該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足高河礦井回風(fēng)巷道調(diào)度通信需求；尤其是在回風(fēng)巷道作業(yè)人員報(bào)警和呼救時(shí)，調(diào)度應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間大大縮短，從而最大限度地保障作業(yè)人員安全，提高公司安全生產(chǎn)管理水平，具有重大安全效益。