超短波（UWB）技術解決井下作業的安全問題

楊金玉

（內蒙古交通職業技術學院，內蒙古 赤峰 024005）

超短波傳播（ultra-short wave propagation），波長為10m～1m（相應頻率為30～300兆赫)的電波經電離層的傳播。超短波電離層傳播有散射傳播和透射傳播兩種主要形式[2]。自1950年H.G.布克和W.E.戈登提出超短波對流層散射傳播理論以后，D.K.貝利等人使用大功率發射機和高靈敏接收機進行電離層超短波散射傳播，建立了超短波、超視距、低電離層散射通信電路，通信頻率約為30～60兆赫。相對其他通信方式而言，超短波通信有它顯著的特點超短波通信利用視距傳播方式，比短波天波傳播方式穩定性高，受季節和晝夜變化的影響小天線可用尺寸小、結構簡單、增益較高的定向天線。這樣，可用功率較小的發射機頻率較高，頻帶較寬，能用于多路通信調制方式通常用調頻，可以得到較高的信噪比。通信質量比短波好[1]。

1 我國井下作業的現狀

石油資源屬于不可再生資源，因此尤為珍貴，能夠有效地推動我國的經濟發展。由于石油存在于較為深遠的地下，開采環境較為惡劣。石油資源的開采環境是不可改變的，因此只能從油田開采技術方面做出更改，以此來確保工作人員的人身安全。井下作業時的難度系數大、復雜程度高，存在著許多威脅井下工作人員生命健康的危險要素，例如：中毒、爆炸等等。使用超短波技術有利于解決井下作業時的危險因素，進而推動我國石油產業的發展。

井下作業是利用地面上和井下的設備、工具，對煤炭進行勘測、挖掘、開采、改善的技術，使用先進的井下技術能夠提高礦井等資源的開采效率，減少開采過程中資源的浪費。油田井下工作的方式多種多樣，例如：勘測石油資源、檢查維修油井、石油開采、油層改造等等。我國的人口高達14億，不管是國家的建設發展還是居民的日常生活，都離不開礦井地下資源，這些資源能夠給我國帶來巨大的經濟效益。礦井資源都埋藏在地下，需要花費很大的人力物力才能將其從地底下開采出來。

我國大多數的井下作業所處環境較為惡劣偏僻，常常會出現大風或者暴雨的天氣，在井下的工作人員工作條件十分艱苦。且井中的礦井下含有毒、容易燃燒和爆炸的化學物質，因此在這些資源開采的過程中存在著很大的安全問題，在外界氣溫過高或者防護措施不到位的情況下，這些易燃易爆的資源很容易發生爆炸，不僅會危害工作人員的身體健康，還會令礦井井不能正常開采，對我國資源的開采造成極大的損失。

目前存在著一些油田企業過于注重眼前經濟效益，缺少長遠眼光與可持續發展。一些企業缺少充足的資金引進先進設備裝置，自動化水平較低使得不能確保井下作業安全、無法了解井下狀態。例如：井下作業過程中易受氣候、地質環境、設備設施影響。如果安全警示牌不顯著或安全欄不穩固，那么極容易釀成安全事故[2]。

目前我國使用頻率為100kHz的無線感應設備進行井下通訊交流。這種傳統的無線設備需要在井內按照一定的規律安裝感應傳輸設備，且工作人員只有在感應設備的周圍才能與外界進行交流，這種傳統的交流技術存在著很大的缺陷。我國的重點礦井井大多處于遙遠偏僻的地區，這些地區的信號點稀疏，且礦井井的深度較大，工作人員在進入井內開采或維修時往往會因為信號不好而影響工作，如果工作人員在井內發生危險，很可能會因為通訊交流的中斷而與外界失去聯系[3]。

2 利用超短波（UWB）技術解決井下作業的安全問題

我國應該高度重視井下作業的安全問題，“安全第一，預防為主”，將井下作業的安全放在第一位，解決安全問題是各級生產管理者的重要管理內容之一，應層層落實安全生產責任制，嚴格執行各項規章制度和井下作業技術操作規程，加大井下作業安全監督機制，把事故隱患消滅在萌芽狀態。嚴守崗位，緊密配合，確保施工人員人身安全、設備安全和作業施工安全。我國應該增加井下作業的檢查頻率，定期檢查維修井下作業的工作設備，確保工作人員的人身安全。除此之外，還應該增加人力和研發資金的投入，積極創新井下作業方面的先進技術，努力發展成為一個井下作業技術先進的大國。

我國的井下作業存在著許多不可忽視的安全問題，相關部門應該提高對井下作業的重視程度，增加經濟和相關人才的投入，引進先進技術，把安全作為井下作業的核心內容。針對我國井下作業的通訊安全問題，可以利用超短波（UWB）技術解決這些問題。超短波是頻率在30MHz到300MHz之間的無線電波。利用超短波可以實現井下作業時信息的傳輸和交換。超短波的傳播頻帶較寬，它的傳播主要靠電磁的輻射特性，常用于電視廣播、無線話筒、電話通信、GPS導航等設備的信息傳遞。超短波的傳播方式包括散射傳播與投射傳播。與短波相比，超短波的波長更短，頻率更高。針對超短波的這種特性，相關設備發出的超短波要穿透電離層射向外太空，但是不能被電離層反射回到地面，因此超短波80%以上都要依靠空間直射傳播。由于超短波的波長非常短，所以可以使用較小的天線就可以接受并且傳遞超短波。根據這種特點，超短波被廣泛應用于小型通訊設備（如座機、手機）當中。超短波雖然頻率非常高，但是其傳播的距離較短，繞射能力具有一定的限制，因此很容易受到視距和體積較大的建筑物的影響。想要改善超短波受到建筑影響的局限性，可以每隔一定的距離建立一個超短波中斷站，加強超短波的信號傳輸能力[4]。

大多數礦井井的深度較大，信號點之間的距離偏遠，隨著時間的變化，很多通訊設備老化，所以就產生了井下作業時通訊交流不正常的現象。為了解決這種安全問題，本文選用不同的井下通道在幾種頻率帶中進行實驗，分析找出能夠提高超短波傳輸效率的條件。為了保證實驗的準確性與科學性，本實驗分別選用兩種鋼筋混凝土材質的實驗巷道。第一種是四百米實驗巷道，巷道的截面是一個半徑為1.4m的半圓形，半圓形的原點與巷道的底部相距0.96m；第二種是二百三十米的實驗巷道，第二種巷道的截面是一個半徑為1.0m的半圓形，半圓形的原點距離底部0.9m。這兩種實驗巷道中的環境均與井下巷道的實際情況一致。首先分別在四百米實驗巷道與二百三十米實驗巷道中使用152M Hz的電波進行信號交流，對距離為50m、100m、150m、200m時的信號衰減量依次記錄在表中。使用相同的方法分別記錄兩種實驗巷道在470MHz下的信號衰減量。根據實驗數據可以得出，在含有鐵質管道的實驗巷道中信號的衰減量更低，電波的傳輸效率更高。而含有木質結構的實驗巷道內對電波信號的衰減量更大，信號傳輸的效率也更低，導致信號傳輸效率低的原因可能是木質管道的紋路更加粗糙，使電波混亂，所以衰減量較大。除此之外，濕度因素也是影響電波信號傳輸效率的主要因素。除此之外， 實驗數據表明，濕度較高的巷道傳輸效率較低。

衰減系數是一個比較通過物體的能量束強度的降低與它通過物體的距離的比值。衰減系數由經典吸收和分子吸收組成。衰減系數可以用來表示超短波在某一方向貫穿的難易程度，衰減系數越大，超短波傳輸的效率越小，反之，衰減系數越大，超短波傳輸的效率就越大。根據條件不同，將試驗巷道分為六種：400m鋼筋混凝土試驗巷道、230m鋼筋混凝土實驗巷道、傾斜鋼筋混凝土實驗巷道、400m鐵管實驗巷道、230m鐵管實驗巷道、木支架實驗巷道。首先將這六種實驗巷道中的天線垂直放置，測量并計算出每種實驗巷道內的衰減系數。然后將這六種巷道內的天線豎直放置，再次測量并計算出各個實驗巷道內的衰減系數。實驗數據處理和分析時可以根據這些衰減系數來檢驗超短波的信號強度。實驗結果表明，除了400m鐵管實驗管道外，其他五種巷道的電線均在水平放置的條件下衰減系數較低，電波傳輸效率更高。

3 總結

分別在不同情況、不同長度的實驗巷道使用頻率為152MHz和470MHz的電波進行信號交流，測量每種情況下的衰減量和衰減系數，根據所得數據最終得出，在頻率為470MHz左右的超短波的鋼筋混凝土巷道中，信號傳遞的最優距離在170m左右。470MHz頻率的電波傳播對巷道斷面和巷道支護等差異影響小，鐵管巷道的超短波傳輸效率更高，由此顯示出了優良的傳播特性，滿足井下作業中對超短波信號方面的要求。其次為鋼筋混凝土巷道。濕度較高的巷道超短波的傳輸效率明顯比干燥的環境下的傳輸效率低。天線垂直時的衰減量更小，傳輸效率較高。

油田作業危險因素嚴重影響著油田開發工作，影響安全生產理念，因此超短波技術成為了井下作業安全的核心內容。利用超短波技術解決井下安全問題的措施有：定期維修更新井下設備、采用鐵管巷道，合理降低井下濕度，將井內的通訊天線水平放置等等。這些措施能夠有效改善井下工作的環境，有利于在保證井下工作人員的安全的前提下提高石油等礦產資源的開采效率，從而推動我國的經濟發展[5,6]。