袁小浩 李正甲 代雙成

北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013

1 概述

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，地面上的無線通信技術(shù)已經(jīng)很成熟，但由于國內(nèi)煤炭行業(yè)受到復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境的影響，井下工作面無線通信技術(shù)還基本屬于探索階段。國內(nèi)外數(shù)家煤礦通信產(chǎn)品的公司未曾進(jìn)行煤礦井下無線通信產(chǎn)品的研究。在國內(nèi)大型礦業(yè)集團(tuán)中，無線通信系統(tǒng)也只限于地面辦公區(qū)、倉庫、機(jī)控室和井下大巷、順槽等場所，但僅具有通信功能，并不能完全實(shí)現(xiàn)井下的安全生產(chǎn)控制。綜采工作面當(dāng)發(fā)生事故和人員安全受到威脅時(shí)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)和語音通信不能立即停止工作面運(yùn)輸設(shè)備，不能確保人員和設(shè)備安全。

無線通信和閉鎖裝置是指在煤礦綜采工作面及順槽不用架設(shè)電纜線利用無線電波技術(shù)來傳輸信號(hào)達(dá)到相關(guān)控制命令的一套裝置。在納二礦研發(fā)并安裝無線通信和閉鎖裝置，在綜采工作面運(yùn)輸機(jī)緊急情況下及時(shí)閉鎖，保證操作人員在綜采工作面和主運(yùn)順槽皮帶任何時(shí)間、任何地點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)有效順暢交流，增加設(shè)備使用的安全性，避免重大機(jī)電事故及人員傷害事故，為煤礦系統(tǒng)優(yōu)化和決策快速地提供依據(jù)和參考。這對(duì)煤礦保證安全生產(chǎn)和提高工作效率等方面有著重要的意義。

2 井下無線電波傳播可行性分析

2.1 井下巷道無線電波傳輸特性

把井下巷道假設(shè)為長方體模型[1]（見圖 1），巷道高是h，寬是d，選用三位直角坐標(biāo)系，X軸延水平方向，Y軸延垂直方向，Z軸延巷道方向。無線電波在巷道傳輸過程中，碰到巷壁，一部分折射進(jìn)巷壁里，一部分反射到巷道中。折射的部分損耗了無線電波的能量，由于巷壁介質(zhì)的磁導(dǎo)率不高，所以造成的這部分損耗可以忽略。

圖1 巷道模型

假設(shè)巷道水平方向的相對(duì)介電常數(shù)是ε1，垂直方向的相對(duì)介電常數(shù)是ε2。無線電波的主要場分量為：

式中，k1、k2和k3分別代表X、Y和Z軸方向上的無線電波數(shù)；ω表示磁導(dǎo)率系數(shù)；μ表示空間的磁導(dǎo)率。

2.2 無線電波衰減與頻率、巷道光滑度及彎曲度的關(guān)系

井下巷道中無線電波的傳輸可看作帶阻型（見圖2），在極低頻段、中低頻段，無線電波的衰減隨著頻率的增加而增加；在中頻頻段，無線電波的衰減值達(dá)到頂峰；進(jìn)入高頻時(shí)，無線電波的衰減隨著頻率的增加而下降。

圖2 衰減與無線電波頻率的關(guān)系

巷壁表面大多都是很粗糙的，凹凸不平，高度起伏不一，設(shè)某平面起伏的平局值是h，無線電波與平面的入射角為，根據(jù)瑞麗準(zhǔn)則，當(dāng)時(shí)則認(rèn)為平面是粗糙的。巷壁的粗糙會(huì)使無線電波產(chǎn)生散射而消耗能量，衰減增大。假設(shè)巷壁表面凹凸的起伏高度變化符合高斯分布，均方根是H，則巷壁光滑和粗糙時(shí)無線電波的衰減表達(dá)式[2]是：

式中，λ是波長；L是無線電波的傳輸距離。由式可知粗糙造成的衰減隨著波長的增大而增大。

巷壁傾斜和拐彎時(shí)無線電波的衰減表達(dá)式是：

由以上表達(dá)式可得圖3。圖3中的縱坐標(biāo)表示無線電波在井下巷道傳輸過程中受折射、巷壁粗糙和巷道傾斜時(shí)的損耗之和，其中Z傳輸距離是100 m。由圖3可知，巷壁光滑和巷道平直時(shí)，頻率越高，無線電波的損耗越低，衰減越??；而巷壁粗糙和巷道傾斜時(shí)，恰好相反。在無線電波的頻率比較高時(shí)，巷道出現(xiàn)垂直拐彎時(shí)的損耗非常高，接收到的信號(hào)很微弱[2-6]。

圖3 頻率與損耗的關(guān)系

因此，對(duì)于不同的作業(yè)環(huán)境、不同的傳輸距離，最合適無線電波傳輸?shù)墓ぷ黝l率是不同的。根據(jù)比較工作頻率在 500～3 000 MHz的范圍里無線電波的損耗相對(duì)較小，傳輸效果較為理想。

2.3 井下無線電波干擾因素分析

鑒于井下特殊環(huán)境，無線電波在傳輸過程中會(huì)受煤巖塵、巷壁金屬骨架、噪聲等干擾，因此，有必要研究其對(duì)無線電波影響程度。

2.3.1 井下粉塵對(duì)無線電波的影響

井下巷道中的粉塵主要包括煤塵和巖塵。煤礦在生產(chǎn)、運(yùn)輸、巷道掘進(jìn)及煤層采掘等過程中都會(huì)使井下巷道空氣中產(chǎn)生大量的粉塵，尤其采煤工作面煤機(jī)工作時(shí)空氣中粉塵含量更高。粉塵屬于有耗介質(zhì)，可以使巷道內(nèi)的無線電波在傳播過程中反射或散射，造成能量損耗[7]。

在煤礦井下巷道的空氣中，懸浮的粉塵直徑一般不超過10 mm[8-9]。井下粉塵的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無線電波的波長和間距。井下巷道中的粉塵衰減了井下無線電波的能量。無線電波的頻率或者巷道內(nèi)粉塵濃度增大時(shí)，粉塵對(duì)無線電波的衰減增大。井下巷道的粉塵濃度在《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定值以下，無線電波的傳播過程中，能量損耗不明顯，即衰減并不是很大。在煤巖塵塵濃度值特別小的巷道中，無線電波則是隨著頻率的增大，傳播過程中造成的衰減在減小。因此，井下巷道中的粉塵濃度值直接影響粉塵對(duì)無線電波的衰減程度，粉塵濃度只要小于《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定值，無線電波的傳播就基本不受粉塵的影響。

2.3.2 金屬支架對(duì)無線電波的影響

在采煤工作面中，采煤機(jī)是在金屬制的液壓支架下面進(jìn)行工作的，而且本文所采用的無線基站都是安裝在支架間和巷道內(nèi)的，所以有必要探討金屬對(duì)無線電波的影響。

天線發(fā)射出的無線電波在傳播到物質(zhì)表面時(shí)，電磁波在物質(zhì)中遇到金屬顆粒物質(zhì)會(huì)被其散射，散射之后能量非常雜亂不集中。這會(huì)造成無線電波的損耗。

2.3.3 多經(jīng)損耗

由無線電波傳播特性可知，來自周圍空間的反射會(huì)對(duì)接收到的無線電波的信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響。本課題中無線攝像儀安裝在采煤工作面，且使用全向天線，網(wǎng)橋發(fā)射的無線電波很容易受到液壓支架、頂板、煤壁、工作人員和煤機(jī)等物體的大量反射波的影響，因此接受到的總信號(hào)強(qiáng)度是來自多個(gè)路徑上的許多信號(hào)的矢量之和。在許多情況下，采煤工作面內(nèi)網(wǎng)橋之間沒有直接的視距通路。信號(hào)可能會(huì)是衍射、散射、繞射和反射相互作用的結(jié)果[10-11]。從接收的角度來看，多經(jīng)現(xiàn)象會(huì)造成信號(hào)強(qiáng)度變化、頻率失真、時(shí)延拓展、衰落等。

2.3.4 噪聲對(duì)無線電波的影響

基站接收到的信號(hào)中的各種干擾和各種電氣設(shè)備所產(chǎn)生的電噪聲，以及影響信號(hào)完好性、穩(wěn)定性和可靠性的電噪音，通常由電機(jī)、變壓器等電波輻射源設(shè)備引起[12]。盡可能使無線網(wǎng)橋遠(yuǎn)離電磁干擾源，就可以最大限度降低噪聲對(duì)本系統(tǒng)的影響[13]。

鑒于無線電波的路徑損耗和在井下的傳輸特性，研究了井下巷道對(duì)無線電波的各種干擾，得出工作頻率在500～3 000 MHz的范圍里無線電波衰減較小，結(jié)合對(duì)井下巷道各種客觀條件的分析，井下無線通信裝置系統(tǒng)的研究是可行的。

3 設(shè)計(jì)方案

無線通信和閉鎖裝置由手持機(jī)與基站利用無線媒介進(jìn)行信息傳輸相互通信的工作方式。由手持機(jī)和下位機(jī)組成，其中手持機(jī)和下位機(jī)的功能模塊包括：信號(hào)提示功能模塊、電壓檢測功能模塊、無線收發(fā)功能模塊、抗干擾單元、人工操作按鍵和設(shè)備外殼。

3.1 手持機(jī)設(shè)計(jì)方案

手持機(jī)由現(xiàn)場操作人員隨身攜帶，作為裝置的移動(dòng)部分，設(shè)置對(duì)講按鈕、閉鎖按鈕及撥號(hào)鍵盤，配合操作人員向基站發(fā)射命令及接收反饋信號(hào)，與基站實(shí)現(xiàn)無線對(duì)講及接收功能。

當(dāng)操作人員利用手持機(jī)按下閉鎖按鈕時(shí)，向基站發(fā)送閉鎖命令。當(dāng)基站接收到閉鎖命令后啟動(dòng)閉鎖電路，實(shí)現(xiàn)閉鎖，并且閉鎖按鈕設(shè)有自鎖功能；在指定的基站上安裝解鎖鍵。當(dāng)操作人員利用手持機(jī)按下對(duì)講按鈕時(shí)，向基站發(fā)送對(duì)講命令，基站接收來自手持機(jī)的語音信號(hào)，將收到的語音信號(hào)經(jīng)過處理后送擴(kuò)音電話進(jìn)行廣播。

3.2 基站設(shè)計(jì)方案

基站固定安裝于工作面及順槽，采用本安 DC18V供電。用于接收手持機(jī)發(fā)射命令，同時(shí)主動(dòng)監(jiān)聽工作面的喊話內(nèi)容，通過無線信號(hào)向手持機(jī)發(fā)送，配合手持機(jī)實(shí)現(xiàn)無線對(duì)講?；驹O(shè)置帶自鎖屏蔽按鈕一個(gè)。當(dāng)現(xiàn)場需要時(shí)，按下屏蔽按鈕，本臺(tái)基站停止工作。

基站的設(shè)計(jì)布置如圖4所示：

圖4 基站安裝布置方案圖

一般情況下，無線信號(hào)在地面空曠地區(qū)傳輸距離可超過 1 000 m，但由于受到井下工作面設(shè)備和煤巖體的屏蔽、電磁干擾，經(jīng)井下多次測試，每臺(tái)基站的無線信號(hào)傳輸距離在綜采工作面約200 m，順槽可超過600 m。以綜采工作面長度240 m為例，暫定工作面機(jī)頭、機(jī)尾各安裝一臺(tái)基站，設(shè)備列車集控臺(tái)安裝一臺(tái)基站，三臺(tái)基站的無線信號(hào)即可完全覆蓋綜采工作面。

圖5 基站及定向天線實(shí)物圖

3.3 工作原理

為避免無線基站和通信控制設(shè)備之間的電磁干擾，同時(shí)也為滿足礦用產(chǎn)品之間信號(hào)互連的安標(biāo)要求，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的音頻信號(hào)采用變壓器進(jìn)行隔離和耦合，原邊副邊耐壓大于AC 1 500 V。

手持機(jī)觸發(fā)基站的IO信號(hào)，進(jìn)入本裝置后采用光耦隔離避免電磁干擾，用三極管增加驅(qū)動(dòng)能力，通過繼電器控制通信控制設(shè)備的急停信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉鎖。具體如圖6所示。

圖6

本裝置語音信號(hào)采用半雙工設(shè)計(jì)，選用通信控制側(cè)的語音信號(hào)作為切換開關(guān)的信號(hào)源。當(dāng)該側(cè)音頻線沒有語音信號(hào)時(shí)，輸出給基站一個(gè)高電平；當(dāng)該側(cè)音頻線有語音信號(hào)時(shí)，輸出給基站一個(gè)低電平?；就ㄟ^判斷該信號(hào)高低電平來處理是放音還是拾音。具體如圖7所示。

圖7

本裝置中手持機(jī)發(fā)出音頻信號(hào)和閉鎖信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換經(jīng)光纜傳輸至下一臺(tái)基站、音頻信號(hào)通過信號(hào)處理傳輸給沿線的擴(kuò)音電話或者其他手持機(jī)，而閉鎖信號(hào)通過信號(hào)處理傳輸給集控臺(tái)對(duì)三機(jī)進(jìn)行急停閉鎖，集控臺(tái)設(shè)有解鎖鍵。

在生產(chǎn)指揮時(shí)，主要由工作面跟班隊(duì)長、班長、集控臺(tái)電工以及采煤機(jī)司機(jī)持有手持機(jī)，具有緊急情況閉鎖工作面設(shè)備的權(quán)限，同時(shí)手持機(jī)與手持機(jī)之間也可以進(jìn)行無線通信。利用本裝置提供的無線通信平臺(tái)，操作人員可以在綜采工作面任何一個(gè)地方實(shí)現(xiàn)無障礙溝通，方便操作人員在現(xiàn)場及時(shí)有效地進(jìn)行信息交流。

圖8 工作原理示意圖

4 工程實(shí)踐及結(jié)論

4.1 工程實(shí)踐

納林廟煤礦二號(hào)井作為內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)第一家采用國產(chǎn)成套設(shè)備，一次采全高6.3 m，具備年產(chǎn)600萬噸的現(xiàn)代化礦井，是該地區(qū)綜合機(jī)械化開采的示范工程，具有優(yōu)越的地質(zhì)資源和開采技術(shù)條件。但其綜采工作面和主運(yùn)順槽的通信和閉鎖系統(tǒng)也不完善。當(dāng)操作人員在綜采工作面和主運(yùn)順槽巡視時(shí)，需采用擴(kuò)音電話同其他操作人員進(jìn)行交流，按下擴(kuò)音電話的送話按鈕進(jìn)行喊話，對(duì)方聽到后需到達(dá)擴(kuò)音電話處進(jìn)行回話，或者當(dāng)主運(yùn)順槽膠帶輸送機(jī)出現(xiàn)皮帶嚴(yán)重跑偏、斷帶事故時(shí)需要及時(shí)打閉鎖停機(jī)處理。目前井下的通信和閉鎖操作采用的是就地操作，在工作面每隔15 m、主運(yùn)順槽每隔100 m各安裝一臺(tái)擴(kuò)音電話和閉鎖按鈕。當(dāng)操作人員需要喊話或?qū)υO(shè)備進(jìn)行閉鎖停機(jī)時(shí)，必須行至擴(kuò)音電話和閉鎖按鈕處，才能進(jìn)行必要的操作。受到現(xiàn)場設(shè)備安裝位置、煤塵大和作業(yè)環(huán)境潮濕等因素制約，操作人員需要行走一段距離后才能到達(dá)擴(kuò)音電話和閉鎖按鈕，如果設(shè)備損壞，操作人員不得不轉(zhuǎn)到下一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行操作。這種通話方式和閉鎖操作效率非常低，處理時(shí)間的滯后，也必然會(huì)導(dǎo)致安全事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

無線通信和閉鎖裝置于 2017年 7月在該礦井6-2109綜采工作面投入運(yùn)行，試運(yùn)行效果良好，綜采工作面轉(zhuǎn)載機(jī)處到設(shè)備列車范圍內(nèi)無線信號(hào)穩(wěn)定覆蓋，目前手持機(jī)主要由跟班隊(duì)干和集控臺(tái)電工使用。在綜采工作面正常生產(chǎn)時(shí)，跟班隊(duì)干可通過手持機(jī)給綜采工作面喊話，或者直接通過手持機(jī)打電話給集控臺(tái)電工傳達(dá)指令；當(dāng)出現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)堵大塊可用手持機(jī)第一時(shí)間急停運(yùn)輸機(jī)；當(dāng)運(yùn)輸大部件時(shí)到達(dá)地點(diǎn)時(shí)只需一人按下手持機(jī)閉鎖按鈕即可停止運(yùn)輸機(jī)，取代原來的多人操作。集控臺(tái)電工進(jìn)行泵站加液或者巡視設(shè)備列車，泵站噪聲大時(shí)，隨身攜帶手持機(jī)可準(zhǔn)確收聽到工作面擴(kuò)音電話傳出的指令。

4.2 主要結(jié)論

（1）在綜采工作面無線信號(hào)受到液壓支架和煤巖體的屏蔽、煤塵、電磁波干擾的條件下，選取足夠的、合適的通信距離和適當(dāng)?shù)臒o線電波頻率，可實(shí)現(xiàn)井下無線通信。

（2）開發(fā)一套綜采工作面無線通信和閉鎖裝置。該系統(tǒng)與現(xiàn)有有線通信裝置配合使用，實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)，提升工作面通信方式與效率，保證作業(yè)安全。同時(shí)提高了無線通信和閉鎖裝置的可靠性和易操作性，擴(kuò)大了在綜采工作面及順槽的覆蓋范圍。

（3）對(duì)目前納林廟二號(hào)井6-2109綜采工作面現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，投資小，功能齊全，效果明顯，為現(xiàn)場提供了及時(shí)有效的無線通信功能，對(duì)綜采工作面各工種之間語音交流提供了非常便利的平臺(tái)，方便了井下人員之間的信息溝通，同時(shí)也能讓井下人員及時(shí)了解現(xiàn)場狀況，采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

（4）本套裝置的設(shè)計(jì)和使用填補(bǔ)國內(nèi)空白，可申請(qǐng)專利，進(jìn)行市場推廣并投入大批量生產(chǎn)，市場前景廣闊。

[1]張志華.礦山巷道三維網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建及其路徑分析方法研究[M].西安：西安科技大學(xué)出版社，2010：60.

[2]王寶山.煤礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)模型和可視化技術(shù)與算法研究[M].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2006.

[3]胡達(dá)濤，等.實(shí)施礦山數(shù)字化技術(shù)的問題及策略[J].礦業(yè)快報(bào)，2015（3）：21-23.

[4]張作宇，等.無線網(wǎng)絡(luò)在變電站運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用[J].科技信息，2013（3）：4.

[5]周宗品.淺談綜采工作面無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)[J].安徽冶金，2011（4）：7-9.

[6]張宜明.煤炭采掘過程中粉塵污染的防治對(duì)策探討[J].中國電子商務(wù)，2013（10）：2-3.

[7]張明華.對(duì)防爆電氣設(shè)備認(rèn)識(shí)的誤區(qū)[J].電工技術(shù)，2009（9）：3.

[8]潘濤，等.煤礦巷道中粉塵對(duì)電磁波傳播特性的影響[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007（7）：5.

[9]費(fèi)國云.礦井環(huán)境粉塵實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)與裝置的研究[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2007：72-75.

[10] FNicola， PGiovanni， SGiovanni， et al.Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method[J]. IEEE Transaction Power Electronics. 2005，20（4）：963-973.

[11]劉會(huì)麗.電磁波在空心介質(zhì)波導(dǎo)中傳播特性的研究及其應(yīng)用[M].天津：河北工業(yè)大學(xué)出版社，2007：120-123.

[12]張緯球.淺談中波廣播發(fā)射對(duì)電視播出的干擾[J].電視技術(shù)，2010（58）：9.

[13]XJLiu，ACLuiz. An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays[J]. Power electronics specialists conference，Aachen， ALLEMAGNE. 2004：2005-2010.