超短波（UWB）技术解决井下作业的安全问题

杨金玉

（内蒙古交通职业技术学院，内蒙古 赤峰 024005）

超短波传播（ultra-short wave propagation），波长为10m～1m（相应频率为30～300兆赫)的电波经电离层的传播。超短波电离层传播有散射传播和透射传播两种主要形式[2]。自1950年H.G.布克和W.E.戈登提出超短波对流层散射传播理论以后，D.K.贝利等人使用大功率发射机和高灵敏接收机进行电离层超短波散射传播，建立了超短波、超视距、低电离层散射通信电路，通信频率约为30～60兆赫。相对其他通信方式而言，超短波通信有它显著的特点超短波通信利用视距传播方式，比短波天波传播方式稳定性高，受季节和昼夜变化的影响小天线可用尺寸小、结构简单、增益较高的定向天线。这样，可用功率较小的发射机频率较高，频带较宽，能用于多路通信调制方式通常用调频，可以得到较高的信噪比。通信质量比短波好[1]。

1 我国井下作业的现状

石油资源属于不可再生资源，因此尤为珍贵，能够有效地推动我国的经济发展。由于石油存在于较为深远的地下，开采环境较为恶劣。石油资源的开采环境是不可改变的，因此只能从油田开采技术方面做出更改，以此来确保工作人员的人身安全。井下作业时的难度系数大、复杂程度高，存在着许多威胁井下工作人员生命健康的危险要素，例如：中毒、爆炸等等。使用超短波技术有利于解决井下作业时的危险因素，进而推动我国石油产业的发展。

井下作业是利用地面上和井下的设备、工具，对煤炭进行勘测、挖掘、开采、改善的技术，使用先进的井下技术能够提高矿井等资源的开采效率，减少开采过程中资源的浪费。油田井下工作的方式多种多样，例如：勘测石油资源、检查维修油井、石油开采、油层改造等等。我国的人口高达14亿，不管是国家的建设发展还是居民的日常生活，都离不开矿井地下资源，这些资源能够给我国带来巨大的经济效益。矿井资源都埋藏在地下，需要花费很大的人力物力才能将其从地底下开采出来。

我国大多数的井下作业所处环境较为恶劣偏僻，常常会出现大风或者暴雨的天气，在井下的工作人员工作条件十分艰苦。且井中的矿井下含有毒、容易燃烧和爆炸的化学物质，因此在这些资源开采的过程中存在着很大的安全问题，在外界气温过高或者防护措施不到位的情况下，这些易燃易爆的资源很容易发生爆炸，不仅会危害工作人员的身体健康，还会令矿井井不能正常开采，对我国资源的开采造成极大的损失。

目前存在着一些油田企业过于注重眼前经济效益，缺少长远眼光与可持续发展。一些企业缺少充足的资金引进先进设备装置，自动化水平较低使得不能确保井下作业安全、无法了解井下状态。例如：井下作业过程中易受气候、地质环境、设备设施影响。如果安全警示牌不显著或安全栏不稳固，那么极容易酿成安全事故[2]。

目前我国使用频率为100kHz的无线感应设备进行井下通讯交流。这种传统的无线设备需要在井内按照一定的规律安装感应传输设备，且工作人员只有在感应设备的周围才能与外界进行交流，这种传统的交流技术存在着很大的缺陷。我国的重点矿井井大多处于遥远偏僻的地区，这些地区的信号点稀疏，且矿井井的深度较大，工作人员在进入井内开采或维修时往往会因为信号不好而影响工作，如果工作人员在井内发生危险，很可能会因为通讯交流的中断而与外界失去联系[3]。

2 利用超短波（UWB）技术解决井下作业的安全问题

我国应该高度重视井下作业的安全问题，“安全第一，预防为主”，将井下作业的安全放在第一位，解决安全问题是各级生产管理者的重要管理内容之一，应层层落实安全生产责任制，严格执行各项规章制度和井下作业技术操作规程，加大井下作业安全监督机制，把事故隐患消灭在萌芽状态。严守岗位，紧密配合，确保施工人员人身安全、设备安全和作业施工安全。我国应该增加井下作业的检查频率，定期检查维修井下作业的工作设备，确保工作人员的人身安全。除此之外，还应该增加人力和研发资金的投入，积极创新井下作业方面的先进技术，努力发展成为一个井下作业技术先进的大国。

我国的井下作业存在着许多不可忽视的安全问题，相关部门应该提高对井下作业的重视程度，增加经济和相关人才的投入，引进先进技术，把安全作为井下作业的核心内容。针对我国井下作业的通讯安全问题，可以利用超短波（UWB）技术解决这些问题。超短波是频率在30MHz到300MHz之间的无线电波。利用超短波可以实现井下作业时信息的传输和交换。超短波的传播频带较宽，它的传播主要靠电磁的辐射特性，常用于电视广播、无线话筒、电话通信、GPS导航等设备的信息传递。超短波的传播方式包括散射传播与投射传播。与短波相比，超短波的波长更短，频率更高。针对超短波的这种特性，相关设备发出的超短波要穿透电离层射向外太空，但是不能被电离层反射回到地面，因此超短波80%以上都要依靠空间直射传播。由于超短波的波长非常短，所以可以使用较小的天线就可以接受并且传递超短波。根据这种特点，超短波被广泛应用于小型通讯设备（如座机、手机）当中。超短波虽然频率非常高，但是其传播的距离较短，绕射能力具有一定的限制，因此很容易受到视距和体积较大的建筑物的影响。想要改善超短波受到建筑影响的局限性，可以每隔一定的距离建立一个超短波中断站，加强超短波的信号传输能力[4]。

大多数矿井井的深度较大，信号点之间的距离偏远，随着时间的变化，很多通讯设备老化，所以就产生了井下作业时通讯交流不正常的现象。为了解决这种安全问题，本文选用不同的井下通道在几种频率带中进行实验，分析找出能够提高超短波传输效率的条件。为了保证实验的准确性与科学性，本实验分别选用两种钢筋混凝土材质的实验巷道。第一种是四百米实验巷道，巷道的截面是一个半径为1.4m的半圆形，半圆形的原点与巷道的底部相距0.96m；第二种是二百三十米的实验巷道，第二种巷道的截面是一个半径为1.0m的半圆形，半圆形的原点距离底部0.9m。这两种实验巷道中的环境均与井下巷道的实际情况一致。首先分别在四百米实验巷道与二百三十米实验巷道中使用152M Hz的电波进行信号交流，对距离为50m、100m、150m、200m时的信号衰减量依次记录在表中。使用相同的方法分别记录两种实验巷道在470MHz下的信号衰减量。根据实验数据可以得出，在含有铁质管道的实验巷道中信号的衰减量更低，电波的传输效率更高。而含有木质结构的实验巷道内对电波信号的衰减量更大，信号传输的效率也更低，导致信号传输效率低的原因可能是木质管道的纹路更加粗糙，使电波混乱，所以衰减量较大。除此之外，湿度因素也是影响电波信号传输效率的主要因素。除此之外， 实验数据表明，湿度较高的巷道传输效率较低。

衰减系数是一个比较通过物体的能量束强度的降低与它通过物体的距离的比值。衰减系数由经典吸收和分子吸收组成。衰减系数可以用来表示超短波在某一方向贯穿的难易程度，衰减系数越大，超短波传输的效率越小，反之，衰减系数越大，超短波传输的效率就越大。根据条件不同，将试验巷道分为六种：400m钢筋混凝土试验巷道、230m钢筋混凝土实验巷道、倾斜钢筋混凝土实验巷道、400m铁管实验巷道、230m铁管实验巷道、木支架实验巷道。首先将这六种实验巷道中的天线垂直放置，测量并计算出每种实验巷道内的衰减系数。然后将这六种巷道内的天线竖直放置，再次测量并计算出各个实验巷道内的衰减系数。实验数据处理和分析时可以根据这些衰减系数来检验超短波的信号强度。实验结果表明，除了400m铁管实验管道外，其他五种巷道的电线均在水平放置的条件下衰减系数较低，电波传输效率更高。

3 总结

分别在不同情况、不同长度的实验巷道使用频率为152MHz和470MHz的电波进行信号交流，测量每种情况下的衰减量和衰减系数，根据所得数据最终得出，在频率为470MHz左右的超短波的钢筋混凝土巷道中，信号传递的最优距离在170m左右。470MHz频率的电波传播对巷道断面和巷道支护等差异影响小，铁管巷道的超短波传输效率更高，由此显示出了优良的传播特性，满足井下作业中对超短波信号方面的要求。其次为钢筋混凝土巷道。湿度较高的巷道超短波的传输效率明显比干燥的环境下的传输效率低。天线垂直时的衰减量更小，传输效率较高。

油田作业危险因素严重影响着油田开发工作，影响安全生产理念，因此超短波技术成为了井下作业安全的核心内容。利用超短波技术解决井下安全问题的措施有：定期维修更新井下设备、采用铁管巷道，合理降低井下湿度，将井内的通讯天线水平放置等等。这些措施能够有效改善井下工作的环境，有利于在保证井下工作人员的安全的前提下提高石油等矿产资源的开采效率，从而推动我国的经济发展[5,6]。