矿井电磁环境及电波传播特性的研究

陈 鹏， 刘爱军， 刘潞峰， 郭 华

（①大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026；②哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院，山东 威海 264209；③山西省长治市郊区电视台技术部，山西 长治 046011；④山西北方惠丰机电有限公司科研一所，山西 长治 046012）

0 引言

随着计算机技术与通信技术的不断进步，矿井信息化得到了进一步的推广与发展，尤其是井下通信技术。目前矿井通信以有线方式为主，有线通信在可靠性上具有一定的优势，但是也有不可避免的缺陷，例如在工作面和掘进面接拆线的过程中，电缆磨损较大，容易出现断裂与漏电现象；掘进面经常会掉下一些石头和煤块，电缆容易被砸断；电缆日常维护工作繁重，容易出现人为的疏忽等。可以看出，由于有线通信的不足，将无线通信技术应用于井下，对安全生产和提高管理效率具有重要的作用。然而井下无线通信相对于地面无线通信来说要复杂的多。主要表现在矿井结构复杂，环境恶劣，多径效应明显，电磁波损耗大，而且井下的干扰相对来说也比较强，因此在矿井中进行无线通信，难度要比地面无线通信大。

正是由于矿井情况复杂，理论研究相当困难，所以目前矿井中的无线通信主要还是以实验为基础缓慢地发展，研究和论述矿井中无线传输特性的资料和成果也都相对匮乏，与近些年来地面无线通信研究的蓬勃发展形成鲜明的对比[1-2]。参考地面无线通信的一些研究成果，进一步深入研究井下的电磁环境和电波传播特性，对将来井下无线通信和矿井信息化的深入发展具有重要的意义。

该文首先对井下影响无线通信的主要干扰源进行了分析，然后对帐篷定律、煤层及巷道支护材料电特性、收发天线在巷道中所处位置以及粉尘水汽雾滴等对电磁波的吸收散射特性进行了研究，并在此基础上结合电磁波折射理论，对不同频率，不同极化方式的电磁波在矿井中的传播特性，例如时延、衰落以及损耗等进行了进一步的讨论。

1 矿井电磁干扰的分析

1.1 电缆漏泄

矿用电缆从外形上有移动软电缆和固定敷设电缆两类，电缆形成干扰的机理是由于电缆的漏磁场引起的感应辐射造成的。虽然电缆在任一截面上、任一时刻的电流之和总是等于零，但是由于电缆芯线之间有一定距离，由各芯线建立起来的电场和磁场，并未在电缆内完全抵消，因而渗透至电缆周围空间。

1.2 设备启停

大型设备例如采煤机、电钻等通过机械开关启动停止的时候,会产生电弧,而且在电动机运行期间,绕组中会产生突变磁场和火花放电,这些干扰的频谱大致在10 Hz～1 000 MHz之间。场强为垂直极化和水平极化两种，场强与频率基本是正态分布[3]。

1.3 电火花

受电弓与滑接馈电线间、电机车直流电机的电刷与整流子之间、车轮与轨道间、在轨道的结合处以及挂钩之间都会产生大量的电火花。火花特别大的地方是在采区装车点，因为在装车点钢轨常常被煤所填平，加之车轮与钢轨之间的碾压，产生大量的煤末，而这些煤末就是形成电火花的关键因素之一。这些电火花形成的干扰与电动机电刷换向片之间产生的电火花类似，干扰频谱相当宽。

1.4 电压起伏

矿井的电力网有一个重要的特点，就是电压不稳，电压波动可达 75%～110%[4]。当电压发生变化时，高次分量的频谱极其丰富。主要部分是 1、3、5、7次谐波，然后通过电缆泄露向外辐射形成干扰。

2 矿井电磁环境的研究

2.1 巷道结构与帐篷定律

煤矿巷道断面形状有梯形，直墙拱形和矩形。在某些特性的岩层或地压情况下，才选用不规则形，闭合拱形，椭圆形或圆形[5]。

帐篷定律[6]是基于射线跟踪法[7]得出的一种矩形隧道中各次反射波说遵循的一般规律，射线经四壁反射，螺旋式前进。这样的射线理论上有无数条，但是这些射线能到达D点的条件是必须符合图1所示的帐篷定律，即D点必须在从S点出发的水平反射面和垂直反射面的交线上，这些反射面看上去就像是帐篷，因此称为帐篷定律。

图1 帐篷定律示意

2.2 煤层与支护材料电特性

煤层厚度分为薄煤层、中厚煤层和厚煤层。在矿井掘进和生产过程中，经常需要对井下巷道进行支护。支护的材料有木支架、金属支架以及混凝土支护等。为了研究井下巷道中电磁波的传播规律，必须得到井下煤层、支护材料等的电磁特性，例如电导率σ，相对介电常数εr等电参数的值。表1给出了在某煤矿对煤样在1 MHz和160 MHz频率进行测试得到的各种煤质的电阻率ρ和相对介电常数εr的值[8]。

表1 各种煤质的电参数

研究混凝土墙体对电磁脉冲的投射和反射特性对无线发射或接收设备的正常工作和前期设计是很重要的。通过相关研究发现[9]，如图2所示，混凝土墙的频域波形具有明显的周期性，存在许多谐振频率，谐振时透射率很大，相应的反射率越小。谐振频率由墙的厚度、磁导率和介电常数决定，而混凝土的电参数与原料配置有很大的关系。

图2 混凝土的反射/透射特性

2.3 粉尘对电磁波的影响

矿井巷道中的粉尘包括煤尘和岩尘，其中处于悬浮状态而不下落的粉尘叫浮尘。当电磁波入射到小球时，由于粉尘为介质体，在小球内部就会感应出电偶极子，这个偶极子向空间各方向辐射电磁能量，产生散射场，符合瑞利散射规律。经研究发现，由于粉尘的散射特性，对电磁波造成的损耗与粉尘的密度成正比[10]。

2.4 水汽雾滴对电磁波的影响

矿井巷道中具有一定的湿度，空气中不同程度的含有水汽，主巷道中相对湿度为 70%～80%，而在采煤工作面，湿度高达95%，甚至出现过饱和湿度，又由于粉尘的存在，水汽分子不可避免会凝结成雾滴。通过相关研究发现[11]，水汽分子对电磁波的影响主要是吸收，而且随着频率的升高，电磁波因为吸收所造成的衰减越大。雾滴对电磁波造成的影响主要是散射和吸收。

3 矿井电磁波传播特性的研究

由于矿井电磁环境的特殊性与复杂性，因此建立一个能包括井下所有特性参数的数学模型比较困难，因此可以采用简化分析的方法，结合电磁波折射理论，分别研究频率，极化方式和天线位置对电磁波在矿井中传播的时延，衰落和损耗等特性的影响。

3.1 矿井中电磁波的传播特性

由于矿井巷道结构的特点，电磁波的传播遵循帐篷定律，由此产生的多径效应非常明显，信号时延较大，文献[12]给出了巷道宽、高为3.43 m和2.6 m，路径长度为50 m的时延仿真结果，如图3所示。从图中可以看出，考虑了多次反射是的仿真结果，时延扩展约为 14 ns。图中横坐标单位为0.1 ns。时延对井下无线通信的影响主要表现为码间干扰，因此为了保证井下无线通信的可靠性，降低通信速率是一个可行的办法。

图3 巷道无线传输仿真结果

通过对巷道支护材料（混凝土等）、煤层电特性、粉尘、水汽、雾滴的分析，发现电磁波能量的损耗与电磁波频率有很大的关系。因此我们在构建一个矿井无线通信系统的时候，工作频率的选择非常重要，既要考虑到矿井巷道结构的波导特性，又要考虑到支护材料与煤层对电磁波的吸收与反射特性，以及粉尘与雾滴的散射特性等。

矿井中的电磁干扰直接影响到矿井无线通信的通信质量与系统可靠性。如何进行抗干扰设计，如何进行系统级、电路级电磁兼容性设计，对于保证井下无线通信系统的正常运转至关重要。通过对矿井电磁干扰的分析，我们发现干扰的强度较大，而且时间上比较随机，因此我们可以采用多次重传、纠错编码与交织技术来进行克服。

3.2 极化方式对电波传播特性的影响

根据电磁波传播理论和斯涅尔定律，水平极化的电磁波和垂直极化的电磁波在不同介质分界面处的反射系数是不同的。在矿井无线通信中，不同的极化方式，电磁波在巷道壁上的反射率是不同的，因此为了使到达接收点的电磁能量尽量的多，电磁能量损耗尽量的小，采用水平极化的通信方式要优于垂直极化的通信方式。因为在矿井中进行无线信号的传输，要遵循帐篷定律，而且到达接收点的以螺旋式前进的那部分电波射线为主。

3.3 天线位置对电波传播特性的影响

在矿井巷道中，天线放置位置的选择也很重要，除了要考虑安装便利的因素外，还要考虑电磁波的损耗特性，因为收发天线处于不同的位置，电磁波的传播特性是不一样的。有关研究结果显示[13]，矩形巷道（隧道）电磁波的传播，是由多种模式共同作用的结果。近场区高次模起主要作用，信号波动剧烈，远场区低次模起主要作用，信号波动平缓。下页图4给出了天线位于巷道横截面中央位置和靠近巷道壁位置的场强与传播距离的关系曲线。从图中可以看出，在远场区，靠近巷道壁的信号比位于中央位置的信号产生了更大的衰减和波动。综合以上分析可以看出，在矿井中进行无线通信，收发天线的安装最好是位于巷道的中上部并与顶板保持一定的距离为最佳。

4 结语

通过对矿井中电缆漏泄，电火花，电网电压波动以及大型设备的启停等所产生的电磁干扰的分类研究，得出适合于矿井的无线通信方式，例如多次重传、纠错编码[14]、交织技术以及分集接收[15]等；通过对矿井的巷道结构以及电波在矿井中所遵循的帐篷定律，得出电磁波在巷道中传播所具有的时延特性，为了减小时延特性带来的码间干扰，适当降低通信速率，是个可行的方法；通过对煤层以及巷道支护材料电特性的研究，以及对粉尘水汽雾滴等散射特性的综合分析，得出频率越高，损耗越大；结合电磁波折射理论，对水平极化和垂直极化两种方式的电磁波在介质分界面反射率和透射率的分析得出，水平极化的电磁波损耗要小于垂直极化的电磁波损耗。通过对巷道中收发天线放置位置的研究，并且考虑到矿井安装便利的因素，得出天线最佳放置位置是巷道的中间偏上，与顶板保持一定的距离。

图4 场强-传播距离曲线

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