李杰　周喜

摘 要：煤礦開采、隧道開鑿等施工活動中的各個(gè)環(huán)節(jié)都會向井下空氣中排放大量粉塵。這些粉塵漂浮在空氣中，影響著巷道內(nèi)電磁波的傳播。文章從電磁波的發(fā)射頻率、粉塵濃度、退極化現(xiàn)象以及霧滴的形成等幾方面入手，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)中的公式，運(yùn)用軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，電磁波的傳輸衰減隨著頻率的升高而增大；而粉塵濃度、霧滴含水量的增大使得電磁波的衰減增加。進(jìn)而得出這些因素對電磁波的傳播都將起到削弱作用的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：UHF頻段；粉塵；電磁波；濃度；溫度；霧滴

中圖分類號：TN929.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）04-00-02

0 引 言

在工程領(lǐng)域，如煤礦、公路等面臨著大量隧道的開鑿。尤其是我國的煤炭開采，主要以井下為主，煤礦井下工作環(huán)境特殊，人員流動性大，設(shè)備復(fù)雜，因此，靈活可靠的井下移動通信是提高生產(chǎn)效率和確保礦工生命安全的重要措施之一。煤礦在生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸以及巷道掘進(jìn)等各個(gè)環(huán)節(jié)都會向井下空氣中排放大量粉塵。尤其是風(fēng)速較大的作業(yè)場所，粉塵排放量更大。當(dāng)電磁波處于UHF頻段時(shí)，其波長較小，一般小于礦井巷道、公路和鐵路隧道的截面尺寸，因此井下移動通信選擇特高頻段。礦井巷道中復(fù)雜的環(huán)境必定對電磁波傳播存在影響，粉塵是巷道中無處不在的微小顆粒，對電磁波的傳播也存在著一定影響，本文通過軟件進(jìn)行仿真，從各方面印證粉塵對電磁波傳播的影響。

1 粉塵對電磁波傳播的影響

1.1 電磁波發(fā)射頻率

以圓形巷道為例，將懸浮的粉塵等效為小球體，假設(shè)這些尺寸大小相等的小球體均勻的分布在巷道內(nèi)，圖1所示為巷道截面示意圖[1]。

由于粉塵的存在，當(dāng)電磁波入射到粉塵顆粒上時(shí)，顆粒內(nèi)部將感應(yīng)出電偶極子，并按入射平面波頻率振蕩，相當(dāng)于一個(gè)偶極子天線向空間各方向輻射電磁能量，產(chǎn)生散射場[2]。根據(jù)瑞利散射近似公式，文獻(xiàn)[3]中得出粉塵引起的總衰減率，見式（1）。

可見在相同的粉塵濃度下，不同電磁波發(fā)射頻率造成的衰減不相同，隨著發(fā)射頻率的增加，電磁波的傳播衰減增大。

1.2 粉塵濃度

在煤礦安全規(guī)程中規(guī)定，作業(yè)場所空氣中的粉塵濃度[5]標(biāo)準(zhǔn)如表1所列。

現(xiàn)分別對粉塵濃度為0.5 mg/m3、2.0 mg/m3、3.5 mg/m3、10 mg/m3和1 000 mg/m3進(jìn)行仿真，得到如圖3所示的曲線。

井下粉塵分布不均勻，一般炮采工作面的粉塵濃度為300～600 mg/m3，機(jī)采工作面作業(yè)地點(diǎn)的粉塵濃度達(dá)1 000～3 000 mg/m3，而綜采割煤時(shí)粉塵濃度則高達(dá)4000～8 000 mg/m3[6]，當(dāng)粉塵濃度為8 000 mg/m3，電磁波頻率為1 GHz時(shí)，衰減約為1 dB/km。

可見，在相同電磁波發(fā)射頻率下，電磁波傳輸功率的衰減隨著濃度的增加而增大，濃度越高，衰減越大。在允許濃度范圍內(nèi)，粉塵對電磁波的衰減很小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)發(fā)生爆炸時(shí)，粉塵濃度很高，電磁波衰減很大，可達(dá)到1 dB/km，此時(shí)粉塵的影響不容忽視。

1.3 粉塵吸收水分子

煤礦井下采煤工作面是連續(xù)產(chǎn)塵強(qiáng)度較大的工作場所，預(yù)濕煤體、濕式除塵是國內(nèi)外煤礦廣泛采用的積極有效的防塵措施。這樣就增加了巷道中的濕度，相對濕度可達(dá)到95%，甚至是飽和濕度。當(dāng)空氣中存在大量的半徑在0.001～10.000μm之間的微粒作為凝結(jié)核時(shí)，相對濕度即使未飽和也會有霧滴形成。霧滴對電磁波同樣會產(chǎn)生散射和吸收的影響。電磁波通過霧滴后其極化方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生退極化（交叉極化） 和噪聲，對電磁波起衰減作用。

由圖中可以看出，在相同霧滴含水量的情況下，隨著電磁波發(fā)射頻率的增加，衰減也隨之增大。同一頻率下，霧滴的含水量越大，電磁波的衰減也越大。

1.4 溫度

受深度開采產(chǎn)生的地溫、高溫地下水源、地面空氣熱交換以及電氣設(shè)備散熱等因素的影響，煤礦井下溫度變化范圍較大。其中，地溫對井下空氣的溫度影響最大，在恒溫帶以下，隨著深度的增加，地溫逐漸升高，不同地點(diǎn)的地溫梯度值不同，其平均值是3 ℃/100 m，有的煤礦井下溫度甚至高達(dá)44 ℃[9]。在這種情況下，由公式（3）可以看出，溫度對由霧滴造成的衰減也存在一定影響。事實(shí)上，不同溫度下，霧滴對電磁波傳播特性的影響如圖5所示。

在相同發(fā)射頻率和霧滴含水量下，觀察在不同溫度下霧滴對電磁波傳播的影響。由此可見，隨著井下溫度的升高，霧滴對電磁波傳播的衰減會稍微減小。

2 結(jié) 語

在煤礦開采、生產(chǎn)的過程中，由于巷道中存在大量的粉塵，粉塵從各方面影響著電磁波的傳播，而電磁波的頻率、粉塵的濃度、退極化現(xiàn)象以及霧滴的形成都是影響電磁波傳播的因素，文中從這些方面入手，分別仿真出相應(yīng)結(jié)果?？傮w來說，這些因素對電磁波的傳播都起的是削弱作用。但是粉塵濃度、霧滴含水量對電磁波傳播的影響相對較大，其中，霧滴的含水量每增加一個(gè)數(shù)量級，電磁波的衰減也同樣增加一個(gè)數(shù)量級。文中的結(jié)論大都是假設(shè)巷道中的粉塵為均勻分布的小球體，實(shí)際上，巷道中的情況并非如此理想，如果能夠建立非均勻模型，那么結(jié)論會更加明顯。另外，巷道的塵源位置、風(fēng)向、粉塵擴(kuò)散情況以及電磁波傳播方向等因素也應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)去。

參考文獻(xiàn)

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[3]張妍瑋，張記龍.巷道內(nèi)粉塵對特高頻電磁波傳播特性的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（11）：1554-1557.

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