关于短距离井下受限空间模拟分析验证井下无线传输特性的研究

【摘要】2.1 理论依据 2.2.1 自由空间中电波在空中的路径损耗 在某一点上，功率密度可表示为：Pd = Pt * Gt / 4πr2，在远场中，电场和磁场是通过波阻抗联系起来的。 Pd表示功率密度，单位为...

【摘 要】矿井内部结构复杂，为了保障工人的生命安全和社会财富，在矿井内建立可靠高效的通信系统显得尤为必要。本文作者结合自己多年的工作经验和所学知识，结合我国矿井通信现状，重点介绍了电磁波传送理论、无线传输的分析，并对矿井复杂因素对电磁波传输特性的影响进行了说明。以供读者参考。

【关键词】矿井；电磁波；无线传输；特性分析；影响因素

1 国内矿井通信研究现状

我国是产煤大国，在我国经济发展建设中，煤为我国发展做出了不可替代的贡献。而煤矿是煤的重要来源，实际生产中，矿井内部结构复杂、里面道路延伸很长，设备繁多，电磁波在矿井中的传输受到多种因素的影响。且我国煤矿事故经常发生，很大因素是里面通信能力差，发生危险时，工人很难接受到相关危险的通知。因此，为了保障矿井下工人的安全生产，建立可靠高效的无线通信系统是非常有必要的。

2 电磁波传送理论

2.1 理论依据

2.2.1 自由空间中电波在空中的路径损耗

在某一点上，功率密度可表示为：Pd = Pt * Gt / 4πr2，在远场中，电场和磁场是通过波阻抗联系起来的。

Pd表示功率密度，单位为W；Pt表示发射功率，单位为W；Gt表示发射天线增益；r表示被测场到天线的距离，单位为米

这样我们就可以根据发射功率和接收灵敏度来计算电波的传输距离：设：发射功率为PT，发射天线增益为GT，发射天线电缆损耗LT，则天线发出的功率为：PAT=PT·GT/LT到达接收天线点的功率密度为：SR=PAT/（4πd2），d为发收间的距离，进入接收机的功率为：PR=SR·AO， AO=GR·λ2/4π为天线有效接收面积。

PR=PAT·GR·λ2/（4πd）2 d为和λ的单位为米，

其中d为直线传输距离，λ为电波波长。

空中损耗：L空=PAT·GR/PR=（4πd）2/λ2

用分贝表示得：L空（dB）=10lg[（4πd）2/λ2]=20lg（4πd/λ）=21.98+20lgd-20lgλ （公式1，此式常用于实验室中）

若距离d以公里为单位，频率f以MHz为单位，则

L空=21.98+20lgd（km）×103-20lg[300/f（MHz）]=81.98-49.54 +20lgd（km）+20lgf（MHz）=32.44+20lgd（km）+20lgf（MHz） （公式2，此式常用于米波计算）

若频率f以GHz为单位，则

L空=32.44+20lgd（km）+20lg[f（GHz）×103]

=92.44+20lgd（km）+20lgf（GHz） （公式3，此式常用于微波计算）

其中L空为电波空中损耗值 在分贝中既发射功率减去接收灵敏度的值。

2.1.2 电波在井下非自由巷道内的传输衰耗

（1）井下矩形巷道的示意图如上，矩形巷道内布置设备时，利用率高，矩形巷道是最基本的矿井巷道截面形状，矩形巷道内水平极化和垂直极化的电磁波传输衰减公式为：

其中，L为矩形巷道的宽度，H为矩形巷道的高度，ε1、ε2为介电常数，z为传输距离。

（2）粗糙的巷道壁，会引起漫反射，进而导致传输衰耗的增大，总的来说，衰减值与粗糙度成正比，具体公式如下：

其中d1为巷道长，d2为巷道宽。

（3）巷道的倾斜也将导致传输衰耗的增大，随着频率的增大和倾斜角的增加，衰减值也随之增加，但巷道的倾斜可通过调节天线的仰角来实现，具体公式如下：

（4）巷道的转弯对无线信号的衰减影响特别大，在直角转弯的时候甚至可衰耗掉绝大部分无线信号，因此此处应实测分析。

综上所述，给出巷道中电波传输的衰减特性如下：

3 矿用无线传输分析

（1）根据GB3836要求，矿用产品无线阀功率为6W。也就是说，仅有6W以下的无线功率是可以在煤矿安全使用的，换算成分贝就是约37.8dBm。

（2）受技术水平限制，目前无线传输接收设备的可靠接收灵敏度一般都在-100dBm以内，特别优秀，代价很高的高精尖接收设备一般也很难达到-120dBm。

（3）目前地面无线电波背景噪声一般在-90dBm～-100dBm左右，低于此值的无线电波一般会被背景噪声所淹没。矿山井下由于设备辐射干扰等背景噪声一般也不会比地面优秀很多。

（4）由于技术发展，目前井下无线传输距离已由过去的几十米发展到的几百米，无线传输距离主要由发射功率、传输效率和天线增益三部分来决定。

（5）巷道中无线传输近场区以电场为主，远场区以电磁波为主，并是电磁波传输和巷道壁折射、反射、散射以及高次幂的复杂组合。可以考虑用固定比例的功率衰减和天线增益衰减加最后100米左右小信号末端非线性传输实际验证的方式来模拟分析。以低频10MHz、应用最广的中频2.4GHz、高频30GHz为例。

假设接收机灵敏度为最佳的-120dBm，用匹配频率的可调功率衰减器和成比例降低增益的天线根据需要将空间中的无线发射功率值调节在大于-90 dBm的背景噪声以上。10MHz仅需约80m验证距离即可，2.4GHz、30GHz则所需更短。

（6）对实际无线传输来说，应留一定空间以便分析验证实际传输的稳定可靠性，并考虑巷道转弯、交叉、导体所带来的影响，故建议修建最大直线长度100m左右，带转角、交叉口和纵向导体的模拟巷道既能满足要求。对倾斜情况可通过调节天线的仰角来实现。

4 矿井复杂因素对电磁波传输特性的影响

4.1 矿井岩层对电磁波传输的影响

我国的矿井岩层结构复杂，煤矿种类繁多，在矿井巷道的岩层结构中，不仅仅有煤层还有沙石，花岗岩、水层等不同层系的存在，同时，在矿井巷道中还存在为了保护支撑巷道结构的金属支护。仅仅对煤层结构来分析，又有不同的煤矿在不同湿度、不同频率下的岩层电参数也各不相同，各个不同煤层结构构成不同矿井巷道特有的煤质电参数结构，对电磁波在矿井巷道中的传输也会产生不同的影响。

我国巷道岩层电参数相对介电常数的取值范围是 1～30，电导率的取值范围是 10-4～102S/m。电磁波的衰减会随着巷道电参数的变化而随之改变，当巷道的电导率达到一定的值之后，电磁波的衰减会迅速等上升。水平极化波的衰减率受到巷道两侧壁的相对介电常数的影响较大，垂直极化波的衰减率受到巷道顶底板的相对介电常数的影响较大。

4.2 异型矿井巷道电磁波传输特性

实际的矿井巷道环境中，巷道形状受到开采环境和矿产分布的制约，往往不可能呈现单一的矩形形状，也存在圆形、拱形巷道等。而不同的形状的矿井巷道结构对电磁波在矿井巷道的传输特性的影响也是不同的。一般情况下圆形巷道的巷道半径越大，电磁波衰减越小。在空拱形的巷道环境中，频率越高，电磁波的衰减率越小。

5 总结

由于矿井它的结构复杂性、安全度低、容易产生事故等特点，这就要求企业在通信系统方面采取必要措施。保证工人的生命安全和企业财产。高效可靠的无线通信系统的建立，不仅大大降低了矿井下故事的频率，也为企业管理带来了方便。

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