礦井電磁環境及電波傳播特性的研究

陳 鵬， 劉愛軍， 劉潞峰， 郭 華

（①大連海事大學 信息科學技術學院，遼寧 大連 116026；②哈爾濱工業大學(威海)信息科學與工程學院，山東 威海 264209；③山西省長治市郊區電視臺技術部，山西 長治 046011；④山西北方惠豐機電有限公司科研一所，山西 長治 046012）

0 引言

隨著計算機技術與通信技術的不斷進步，礦井信息化得到了進一步的推廣與發展，尤其是井下通信技術。目前礦井通信以有線方式為主，有線通信在可靠性上具有一定的優勢，但是也有不可避免的缺陷，例如在工作面和掘進面接拆線的過程中，電纜磨損較大，容易出現斷裂與漏電現象；掘進面經常會掉下一些石頭和煤塊，電纜容易被砸斷；電纜日常維護工作繁重，容易出現人為的疏忽等。可以看出，由于有線通信的不足，將無線通信技術應用于井下，對安全生產和提高管理效率具有重要的作用。然而井下無線通信相對于地面無線通信來說要復雜的多。主要表現在礦井結構復雜，環境惡劣，多徑效應明顯，電磁波損耗大，而且井下的干擾相對來說也比較強，因此在礦井中進行無線通信，難度要比地面無線通信大。

正是由于礦井情況復雜，理論研究相當困難，所以目前礦井中的無線通信主要還是以實驗為基礎緩慢地發展，研究和論述礦井中無線傳輸特性的資料和成果也都相對匱乏，與近些年來地面無線通信研究的蓬勃發展形成鮮明的對比[1-2]。參考地面無線通信的一些研究成果，進一步深入研究井下的電磁環境和電波傳播特性，對將來井下無線通信和礦井信息化的深入發展具有重要的意義。

該文首先對井下影響無線通信的主要干擾源進行了分析，然后對帳篷定律、煤層及巷道支護材料電特性、收發天線在巷道中所處位置以及粉塵水汽霧滴等對電磁波的吸收散射特性進行了研究，并在此基礎上結合電磁波折射理論，對不同頻率，不同極化方式的電磁波在礦井中的傳播特性，例如時延、衰落以及損耗等進行了進一步的討論。

1 礦井電磁干擾的分析

1.1 電纜漏泄

礦用電纜從外形上有移動軟電纜和固定敷設電纜兩類，電纜形成干擾的機理是由于電纜的漏磁場引起的感應輻射造成的。雖然電纜在任一截面上、任一時刻的電流之和總是等于零，但是由于電纜芯線之間有一定距離，由各芯線建立起來的電場和磁場，并未在電纜內完全抵消，因而滲透至電纜周圍空間。

1.2 設備啟停

大型設備例如采煤機、電鉆等通過機械開關啟動停止的時候,會產生電弧,而且在電動機運行期間,繞組中會產生突變磁場和火花放電,這些干擾的頻譜大致在10 Hz～1 000 MHz之間。場強為垂直極化和水平極化兩種，場強與頻率基本是正態分布[3]。

1.3 電火花

受電弓與滑接饋電線間、電機車直流電機的電刷與整流子之間、車輪與軌道間、在軌道的結合處以及掛鉤之間都會產生大量的電火花。火花特別大的地方是在采區裝車點，因為在裝車點鋼軌常常被煤所填平，加之車輪與鋼軌之間的碾壓，產生大量的煤末，而這些煤末就是形成電火花的關鍵因素之一。這些電火花形成的干擾與電動機電刷換向片之間產生的電火花類似，干擾頻譜相當寬。

1.4 電壓起伏

礦井的電力網有一個重要的特點，就是電壓不穩，電壓波動可達 75%～110%[4]。當電壓發生變化時，高次分量的頻譜極其豐富。主要部分是 1、3、5、7次諧波，然后通過電纜泄露向外輻射形成干擾。

2 礦井電磁環境的研究

2.1 巷道結構與帳篷定律

煤礦巷道斷面形狀有梯形，直墻拱形和矩形。在某些特性的巖層或地壓情況下，才選用不規則形，閉合拱形，橢圓形或圓形[5]。

帳篷定律[6]是基于射線跟蹤法[7]得出的一種矩形隧道中各次反射波說遵循的一般規律，射線經四壁反射，螺旋式前進。這樣的射線理論上有無數條，但是這些射線能到達D點的條件是必須符合圖1所示的帳篷定律，即D點必須在從S點出發的水平反射面和垂直反射面的交線上，這些反射面看上去就像是帳篷，因此稱為帳篷定律。

圖1 帳篷定律示意

2.2 煤層與支護材料電特性

煤層厚度分為薄煤層、中厚煤層和厚煤層。在礦井掘進和生產過程中，經常需要對井下巷道進行支護。支護的材料有木支架、金屬支架以及混凝土支護等。為了研究井下巷道中電磁波的傳播規律，必須得到井下煤層、支護材料等的電磁特性，例如電導率σ，相對介電常數εr等電參數的值。表1給出了在某煤礦對煤樣在1 MHz和160 MHz頻率進行測試得到的各種煤質的電阻率ρ和相對介電常數εr的值[8]。

表1 各種煤質的電參數

研究混凝土墻體對電磁脈沖的投射和反射特性對無線發射或接收設備的正常工作和前期設計是很重要的。通過相關研究發現[9]，如圖2所示，混凝土墻的頻域波形具有明顯的周期性，存在許多諧振頻率，諧振時透射率很大，相應的反射率越小。諧振頻率由墻的厚度、磁導率和介電常數決定，而混凝土的電參數與原料配置有很大的關系。

圖2 混凝土的反射/透射特性

2.3 粉塵對電磁波的影響

礦井巷道中的粉塵包括煤塵和巖塵，其中處于懸浮狀態而不下落的粉塵叫浮塵。當電磁波入射到小球時，由于粉塵為介質體，在小球內部就會感應出電偶極子，這個偶極子向空間各方向輻射電磁能量，產生散射場，符合瑞利散射規律。經研究發現，由于粉塵的散射特性，對電磁波造成的損耗與粉塵的密度成正比[10]。

2.4 水汽霧滴對電磁波的影響

礦井巷道中具有一定的濕度，空氣中不同程度的含有水汽，主巷道中相對濕度為 70%～80%，而在采煤工作面，濕度高達95%，甚至出現過飽和濕度，又由于粉塵的存在，水汽分子不可避免會凝結成霧滴。通過相關研究發現[11]，水汽分子對電磁波的影響主要是吸收，而且隨著頻率的升高，電磁波因為吸收所造成的衰減越大。霧滴對電磁波造成的影響主要是散射和吸收。

3 礦井電磁波傳播特性的研究

由于礦井電磁環境的特殊性與復雜性，因此建立一個能包括井下所有特性參數的數學模型比較困難，因此可以采用簡化分析的方法，結合電磁波折射理論，分別研究頻率，極化方式和天線位置對電磁波在礦井中傳播的時延，衰落和損耗等特性的影響。

3.1 礦井中電磁波的傳播特性

由于礦井巷道結構的特點，電磁波的傳播遵循帳篷定律，由此產生的多徑效應非常明顯，信號時延較大，文獻[12]給出了巷道寬、高為3.43 m和2.6 m，路徑長度為50 m的時延仿真結果，如圖3所示。從圖中可以看出，考慮了多次反射是的仿真結果，時延擴展約為 14 ns。圖中橫坐標單位為0.1 ns。時延對井下無線通信的影響主要表現為碼間干擾，因此為了保證井下無線通信的可靠性，降低通信速率是一個可行的辦法。

圖3 巷道無線傳輸仿真結果

通過對巷道支護材料（混凝土等）、煤層電特性、粉塵、水汽、霧滴的分析，發現電磁波能量的損耗與電磁波頻率有很大的關系。因此我們在構建一個礦井無線通信系統的時候，工作頻率的選擇非常重要，既要考慮到礦井巷道結構的波導特性，又要考慮到支護材料與煤層對電磁波的吸收與反射特性，以及粉塵與霧滴的散射特性等。

礦井中的電磁干擾直接影響到礦井無線通信的通信質量與系統可靠性。如何進行抗干擾設計，如何進行系統級、電路級電磁兼容性設計，對于保證井下無線通信系統的正常運轉至關重要。通過對礦井電磁干擾的分析，我們發現干擾的強度較大，而且時間上比較隨機，因此我們可以采用多次重傳、糾錯編碼與交織技術來進行克服。

3.2 極化方式對電波傳播特性的影響

根據電磁波傳播理論和斯涅爾定律，水平極化的電磁波和垂直極化的電磁波在不同介質分界面處的反射系數是不同的。在礦井無線通信中，不同的極化方式，電磁波在巷道壁上的反射率是不同的，因此為了使到達接收點的電磁能量盡量的多，電磁能量損耗盡量的小，采用水平極化的通信方式要優于垂直極化的通信方式。因為在礦井中進行無線信號的傳輸，要遵循帳篷定律，而且到達接收點的以螺旋式前進的那部分電波射線為主。

3.3 天線位置對電波傳播特性的影響

在礦井巷道中，天線放置位置的選擇也很重要，除了要考慮安裝便利的因素外，還要考慮電磁波的損耗特性，因為收發天線處于不同的位置，電磁波的傳播特性是不一樣的。有關研究結果顯示[13]，矩形巷道（隧道）電磁波的傳播，是由多種模式共同作用的結果。近場區高次模起主要作用，信號波動劇烈，遠場區低次模起主要作用，信號波動平緩。下頁圖4給出了天線位于巷道橫截面中央位置和靠近巷道壁位置的場強與傳播距離的關系曲線。從圖中可以看出，在遠場區，靠近巷道壁的信號比位于中央位置的信號產生了更大的衰減和波動。綜合以上分析可以看出，在礦井中進行無線通信，收發天線的安裝最好是位于巷道的中上部并與頂板保持一定的距離為最佳。

4 結語

通過對礦井中電纜漏泄，電火花，電網電壓波動以及大型設備的啟停等所產生的電磁干擾的分類研究，得出適合于礦井的無線通信方式，例如多次重傳、糾錯編碼[14]、交織技術以及分集接收[15]等；通過對礦井的巷道結構以及電波在礦井中所遵循的帳篷定律，得出電磁波在巷道中傳播所具有的時延特性，為了減小時延特性帶來的碼間干擾，適當降低通信速率，是個可行的方法；通過對煤層以及巷道支護材料電特性的研究，以及對粉塵水汽霧滴等散射特性的綜合分析，得出頻率越高，損耗越大；結合電磁波折射理論，對水平極化和垂直極化兩種方式的電磁波在介質分界面反射率和透射率的分析得出，水平極化的電磁波損耗要小于垂直極化的電磁波損耗。通過對巷道中收發天線放置位置的研究，并且考慮到礦井安裝便利的因素，得出天線最佳放置位置是巷道的中間偏上，與頂板保持一定的距離。

圖4 場強-傳播距離曲線

[1] 王勝坤.礦井無線通信系統探討[J].電信科學,1998(03)：47-48.

[2] Kementschits T, Scholtz A L, Bonek E. Microwave Measurements in Scaled Road Tunnels Modeling 900 MHz Propagation[C].SA：IEEE,1993：70-72.

[3] 許保彬.機電設備中電動機電磁干擾現象抑制[J].微電機,2008,41(03)：59-61.

[4] 孫繼平,潘濤,田子健,等.煤礦井下電磁兼容性探討[J].煤炭學報,2006,31(03)：377-379.

[5] 胡方田.采煤概論[M].中國勞動社會保障出版社,2006：40.

[6] 張申.隧道無線電射線傳輸規律的研究[J].電波科學學報,2002,17(02)：114-118.

[7] McKown J W, Hamilton R L. Ray Tracing as a Design Tool for Radio Networks[J].IEEE Network Magazine, 1991(02)： 649-653.

[8] 徐宏武.煤層電性參數測試及其與煤巖特性關系的研究[J].煤炭科學技術,2005,33(03)：41-46.

[9] 張恒偉,馮思信,張亦希,等.建筑墻體對電磁脈沖響應的 FDTD分析[J].強激光與粒子束,2007,19(03)：443-448.

[10] 孫繼平.礦井隧道中電磁能量的損耗[J].中國礦業大學學報,2002,31(06)：575-578.

[11] 魏占永.隧道中水汽對電磁波傳播特性的影響[J].煤炭科學技術,2003,31(02)：39-41.

[12] Cabrera V M, Vernon C.On the Mechanism of Space Charge Generation and Neutralization in a Coaxial Cylindrical Configuration in Air[J].Electrostatics,1992(28)：187-196.

[13] 孫繼平.矩形隧道中電磁波傳播模式的分析[J].電波科學學報,2005,20(04)：522-525.

[14] 彭汐單,楊濟海,楊璐,等.信道編碼與物理層網絡編碼的聯合設計[J].通信技術,2009,42(04)：35-40.

[15] 魏濤,劉偉.相關衰落信道 Turbo乘積編碼 MDPSK的分集接收[J].通信技術,2008,41(11)：54-56.