王燕妮

(山西高河能源有限公司)

信息化建設在現(xiàn)代化煤礦安全生產(chǎn)中的作用日益突出[1-2]。回風巷道無線通信技術在井下回風巷道搶險救災、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，礦井無線射頻技術在礦山安全領域的相關研究及應用越來越多[3-5]。

高河礦井回風巷道存在通信盲區(qū)，回風巷道內(nèi)禁止安裝電設備，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)。在回風巷道突發(fā)災害事故，需要及時準確向回風巷道作業(yè)人員下達安全撤離調(diào)度指令，回風巷道通信系統(tǒng)對于保障生命安全至關重要。據(jù)此開展射頻技術在高河礦井回風巷道中的應用研究。

1 礦井及回風巷道概況

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

W1313工作面兩側為未采區(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，無影響。W1313回風巷與W1310回風巷連通，經(jīng)過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巷的安全距離大于50 m，對W1313回風巷基本沒有采動影響。地表標高約+915 m，回風巷底板標高為+445～+495 m，埋深為420～470 m?；仫L巷沿3#煤層底板掘進。巷道平面布置見圖1。

圖1 W1313回風巷平面布置示意

W1313回風巷為W1313工作面的專用回風巷道，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820 m，巷道斷面見圖2。

圖2 W1313回風巷斷面

2 回風巷道射頻傳輸特性分析

井下回風巷道是無線通信射頻傳輸特殊應用環(huán)境，射頻信號選擇433 MHz、915 MHz、2.4 GHz，研究射頻波信號的截止頻率特性、傳輸衰減特性、巷道空氣傳輸損耗等重要傳輸特性，并進行通信數(shù)據(jù)測試。

2.1 巷道截止頻率研究

射頻頻段電磁波在礦井回風巷道中通信傳輸時，發(fā)現(xiàn)射頻波長遠小于回風巷道尺寸。首先將回風巷道設計為有損介質(zhì)波導，射頻研究發(fā)現(xiàn)，電磁波頻率大于波導截止頻率時，信號可在波導中進行正常傳輸。截止頻率為

(1)

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

計算得出井下回風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種射頻都滿足回風巷道通信需求。

2.2 巷道射頻信號衰減

在回風巷道中，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，m；εr為回風巷道壁相對介電常數(shù)，回風巷道壁主要由沙漿、混凝土構成，相對介電常數(shù)為4.5 F/m；其他符號意義同上。

計算得出波模Erec_h和Erec_v的巷道衰減常數(shù),見圖3。

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

圖3 回風巷道射頻電波傳播衰減曲線

2.3 回風巷道傳輸損耗

計算回風巷道射頻信號在空氣中傳輸損耗，即

Los=32.44+20lgd+20lgf，

(4)

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

計算得出射頻信號傳輸損耗與頻率成正比，3種頻率信號中2.4 GHz頻率最高，傳輸損耗最大，但傳輸距離最長。

通過對射頻無線信號在礦井回風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符合礦井回風巷道通信技術要求。

3 現(xiàn)場測試

在礦井回風巷通對2.4 GHz通信設備進行了傳輸性能測試，并為回風巷道通信系統(tǒng)研發(fā)提供數(shù)據(jù)保障，測試數(shù)據(jù)見表1?？梢缘贸?，2.4 GHz射頻能滿足高河礦井回風巷道通信傳輸需求。

4 結 論

通過對3種不同射頻信號在W1313回風巷道中的截止頻率、信號衰減、傳輸損耗重要傳輸參數(shù)進行分析，對2.4 GHz通信系統(tǒng)進行井下回風巷道通信測試，證明該系統(tǒng)能夠滿足高河礦井回風巷道調(diào)度通信需求；尤其是在回風巷道作業(yè)人員報警和呼救時，調(diào)度應急響應時間大大縮短，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。