关于短距离井下受限空间模拟分析验证井下无线传输特性的研究
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Ｃｏ ａ ｌ Ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
关于短距离井下受限空间模拟分析验证井下无线 传输特性的研究
陈 海舰 （ 中 煤科工集团常 州自 动化研究院， 江苏 常 州２ １ ３ ０ １ ５ ）
【 摘 要】 矿井 内部结构复杂 ，为 了保障工人 的生命安全和社 会财富 ，在矿井 内建立可靠 高效的通信 系统显得尤为必要。本文作
者结合 自己多年的工作经验和所学知识 。结合我 国矿 井通信现状 ， 重 点介绍 了电磁 波传送理论 、无线传输的分析 ，并对矿井复杂 因素 对 电磁波传输特性的影响进行 了说 明。以供读者参考 。
叫赤＋ … ＋ 赤］
其中，Ｌ为矩形巷道 的宽度 ，Ｈ为矩形巷道 的高度， ｅ 、 ｅ 为介电常数 ，ｚ 为传输距离。 （ ２ ） 粗糙 的巷道壁， 会 引起漫反射 ， 进而导致传输衰耗 的增大， 总的来说，衰减 值与粗糙度成正 比，具体公式如下：
Ｌ ＝２ １ ． ９ ８ ＋ ２ ０ １ ｇ ｄ （ ｋ ｍ ） Ｘ１ ０ 一 ２ ０ １ ｇ － １ ３ ０ ０／ｆ ］－ － － ８ １ ． ９ ８ — ４ ９ ． ５ ４
＋ ２ ０ １ ｇ ｄ （ ＋ ２ ０ １ ｇ ｆ ㈣ ＝３ ２ ． ４ ４ ＋ ２ ０ １ ｇ ｄ （ ｋ ｍ ） ＋ ２ ０ １ ｇ ｆ （ ￣）（ 公式 ２ ，此式常 用于米波计算） 若频率 ｆ以 Ｇ Ｈ ｚ为单位 ，则 Ｌ ＝３ ２ ． ４ ４ ＋ ２ ０ １ ｇ ｄ（ ｋ ｍ ） ＋ ２ ０ １ ｇ［ ｆ ㈣ ×１ ０ ｊ ＝９ ２ ． ４ ４ ＋ ２ ０ １ ｇ ｄ （ ｋ Ⅲ ） ＋ ２ ０ １ ｇ ｆ ｃ ｍ ）（ 公式 ３ ，此式常用于微波计算） 其中 Ｌ 空为电波 空中损耗 值 在分 贝中既发射功率减去接收灵
一
【 关键词 】 矿井 ；电磁波 ；无线传输 ； 特性 分析 ；影响 因素
１国内矿井通信研 究现状 我 国是产煤大 国，在我 国经济 发展建设 中，煤 为我 国发展做 出 了不可 替代 的贡 献。而煤矿是 煤的重要来源 ，实际生产 中，矿井 内 部结构 复杂、里面道 路延伸很长 ，设备繁 多，电磁波在矿井 中的传 输受到多种 因素的影 响。且我 国煤矿事 故经 常发生 ，很大 因素是里 面通信 能力差，发生危险时，工人很难接受 到相关 危险 的通知 。因 此，为了保障矿 井下工人的安全生产，建立 可靠 高效的无 线通信 系 统是非常有必要的。 ２ 电磁波传送理论 ’ ２ ． １理 论 依 据 ２ ． ２ ． １自由空间中 电波 在空中的路径损耗 在某 一点上，功率密度可表示 为：Ｐ ｄ ＝Ｐ ｔ Ｇ ｔ／４ ，在 远场 中，电场和磁场是通过波阻抗联 系起来 的。 Ｐ ｄ 表示 功率密度 ，单位为 Ｗ ；Ｐ ｔ 表示发射功率 ，单位为 Ｗ ：Ｇ ｔ 表示发射天线增益；ｒ 表示被测场到天线的距离 ，单位为米 这样 我们 就可以根 据发 射功率和接收灵敏度来计算 电波 的传输 距 离：设：发射 功率为 Ｐ Ｔ ，发射天线增益为 Ｇ Ｔ ，发射天线 电缆损耗 Ｌ Ｔ ，则天线发出的功率为：Ｐ Ａ Ｔ ＝Ｐ Ｔ・ Ｇ Ｔ／Ｌ Ｔ 到达接 收天 线点的功 率密度为 ：ｓ Ｒ ＝Ｐ Ａ Ｔ／（ ４Ⅱｄ ２ ） ，ｄ为发收间的距 离，进入接 收机 的功 率为：Ｐ Ｒ ￣Ｓ Ｒ・ Ａ Ｏ ， Ａ Ｏ ＝Ｇ Ｒ・＾ ／ ４ ｎ为天线有效接 收面积 。 ＝ ・ Ｇ Ｒ ・ 。 ／（ ４ ｄ ） 。ｄ 为和 ＾的单位 为米， 其中 ｄ 为直线传 输距离 ， ＾为 电波波长。 ＼ ） 空中损耗 ：Ｌ ＝Ｐ ＾ １ ・Ｇ Ｒ ／ ＝（ ４Ⅱｄ ） 。 ／＾ 用分贝表示得：Ｌ （ ｄ Ｂ ） ＝ｌ Ｏ ｌ ｇ［ （ ４ ｄ ） 。 ／＾ ］＝２ ０ ｌ ｇ （ ４Ⅱｄ／
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（ １ ） 井下矩形巷道 的示意 图如上，矩形 巷道内布置设备 时， 利 用率高 ，矩形巷道是最基本 的矿井巷道截面形状 ，矩形巷道 内水平 极化和垂直极化 的电磁波传输衰减公式为：
（ ２ ）受技术水平限制，目前无线传输接收 设备 的可靠接收灵敏 度一般都在７ １ ０ ０ ｄ Ｂ ｍ 以内，特 别优秀 ，代价很高 的高精尖接收设备 般也很难达 到一 １ ２ ０ ｄ Ｂ ｍ （ ３ ） 目前地面无 线电波背景噪声一般在一 ９ ０ ｄ Ｂ ｍ ￣一 ｌ Ｏ Ｏ ｄ Ｂ ｍ左右 ， 低于此值的无线 电波一般 会被背景噪声所淹没 。矿 山井下 由于设备 辐射干扰等背景噪声一般也不会 比地面优秀很多 （ ４ ）由 于技 术发展 ，目 前井 下无线传输距离 已由过去的几十米 发展到的几百米 ，无线传输距离主要 由发射功率、传输 效率和 天线 增益三部分来决定 。 （ ５ ） 巷道中无线传输 近场 区以电场为主， 远场 区以电磁波为主， 并是 电磁波传输和巷道壁折射、 反射、 散射 以及高次幂的复杂组合 。 可以考虑用 固定 比例的功率衰减和天线增益衰减加最后 １ ０ ０ 米左右
敏度 的值 。
３矿 用无线传输分 析 （ １ ）根据 Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６要求， 矿 用产品无线阀功率为 ６ ｗ 也就是说， 仅有 ６ ｗ以下的无线功率是可 以 在煤矿安全使用的 ， 换算成分贝就是
约 ３ ７ ． ８ ｄ Ｂ ｍ 。
２ ． １ ． ２ 电波在井下非 自由巷道 内的传输衰耗
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・
每
其中ｄ 为 巷 道 长 ，ｄ 。 为巷 道 宽 。
（ ３ ） 巷道 的倾斜也将导致传输衰耗的增大 ， 随着频率的增大和 倾斜角 的增加 ，衰减值也随之增加 ，但巷道的倾 斜可通过 调节 天线 的仰角来实现，具体公式如 下：
血
（ ４ ）巷道的转弯对 无线信号 的衰减影响特别大，在直角转弯的 时候甚至可衰耗掉绝大部分无线信号，因此此处应实测分析。 综上所述 ，给 出巷道中 电波传 输的衰减特性如下 ：
关于短距离井下受限空间模拟分析验证井下无线 传输特性的研究
陈 海舰 （ 中 煤科工集团常 州自 动化研究院， 江苏 常 州２ １ ３ ０ １ ５ ）
【 摘 要】 矿井 内部结构复杂 ，为 了保障工人 的生命安全和社 会财富 ，在矿井 内建立可靠 高效的通信 系统显得尤为必要。本文作
者结合 自己多年的工作经验和所学知识 。结合我 国矿 井通信现状 ， 重 点介绍 了电磁 波传送理论 、无线传输的分析 ，并对矿井复杂 因素 对 电磁波传输特性的影响进行 了说 明。以供读者参考 。
叫赤＋ … ＋ 赤］
其中，Ｌ为矩形巷道 的宽度 ，Ｈ为矩形巷道 的高度， ｅ 、 ｅ 为介电常数 ，ｚ 为传输距离。 （ ２ ） 粗糙 的巷道壁， 会 引起漫反射 ， 进而导致传输衰耗 的增大， 总的来说，衰减 值与粗糙度成正 比，具体公式如下：
Ｌ ＝２ １ ． ９ ８ ＋ ２ ０ １ ｇ ｄ （ ｋ ｍ ） Ｘ１ ０ 一 ２ ０ １ ｇ － １ ３ ０ ０／ｆ ］－ － － ８ １ ． ９ ８ — ４ ９ ． ５ ４
＋ ２ ０ １ ｇ ｄ （ ＋ ２ ０ １ ｇ ｆ ㈣ ＝３ ２ ． ４ ４ ＋ ２ ０ １ ｇ ｄ （ ｋ ｍ ） ＋ ２ ０ １ ｇ ｆ （ ￣）（ 公式 ２ ，此式常 用于米波计算） 若频率 ｆ以 Ｇ Ｈ ｚ为单位 ，则 Ｌ ＝３ ２ ． ４ ４ ＋ ２ ０ １ ｇ ｄ（ ｋ ｍ ） ＋ ２ ０ １ ｇ［ ｆ ㈣ ×１ ０ ｊ ＝９ ２ ． ４ ４ ＋ ２ ０ １ ｇ ｄ （ ｋ Ⅲ ） ＋ ２ ０ １ ｇ ｆ ｃ ｍ ）（ 公式 ３ ，此式常用于微波计算） 其中 Ｌ 空为电波 空中损耗 值 在分 贝中既发射功率减去接收灵
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【 关键词 】 矿井 ；电磁波 ；无线传输 ； 特性 分析 ；影响 因素
１国内矿井通信研 究现状 我 国是产煤大 国，在我 国经济 发展建设 中，煤 为我 国发展做 出 了不可 替代 的贡 献。而煤矿是 煤的重要来源 ，实际生产 中，矿井 内 部结构 复杂、里面道 路延伸很长 ，设备繁 多，电磁波在矿井 中的传 输受到多种 因素的影 响。且我 国煤矿事 故经 常发生 ，很大 因素是里 面通信 能力差，发生危险时，工人很难接受 到相关 危险 的通知 。因 此，为了保障矿 井下工人的安全生产，建立 可靠 高效的无 线通信 系 统是非常有必要的。 ２ 电磁波传送理论 ’ ２ ． １理 论 依 据 ２ ． ２ ． １自由空间中 电波 在空中的路径损耗 在某 一点上，功率密度可表示 为：Ｐ ｄ ＝Ｐ ｔ Ｇ ｔ／４ ，在 远场 中，电场和磁场是通过波阻抗联 系起来 的。 Ｐ ｄ 表示 功率密度 ，单位为 Ｗ ；Ｐ ｔ 表示发射功率 ，单位为 Ｗ ：Ｇ ｔ 表示发射天线增益；ｒ 表示被测场到天线的距离 ，单位为米 这样 我们 就可以根 据发 射功率和接收灵敏度来计算 电波 的传输 距 离：设：发射 功率为 Ｐ Ｔ ，发射天线增益为 Ｇ Ｔ ，发射天线 电缆损耗 Ｌ Ｔ ，则天线发出的功率为：Ｐ Ａ Ｔ ＝Ｐ Ｔ・ Ｇ Ｔ／Ｌ Ｔ 到达接 收天 线点的功 率密度为 ：ｓ Ｒ ＝Ｐ Ａ Ｔ／（ ４Ⅱｄ ２ ） ，ｄ为发收间的距 离，进入接 收机 的功 率为：Ｐ Ｒ ￣Ｓ Ｒ・ Ａ Ｏ ， Ａ Ｏ ＝Ｇ Ｒ・＾ ／ ４ ｎ为天线有效接 收面积 。 ＝ ・ Ｇ Ｒ ・ 。 ／（ ４ ｄ ） 。ｄ 为和 ＾的单位 为米， 其中 ｄ 为直线传 输距离 ， ＾为 电波波长。 ＼ ） 空中损耗 ：Ｌ ＝Ｐ ＾ １ ・Ｇ Ｒ ／ ＝（ ４Ⅱｄ ） 。 ／＾ 用分贝表示得：Ｌ （ ｄ Ｂ ） ＝ｌ Ｏ ｌ ｇ［ （ ４ ｄ ） 。 ／＾ ］＝２ ０ ｌ ｇ （ ４Ⅱｄ／
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（ ２ ）受技术水平限制，目前无线传输接收 设备 的可靠接收灵敏 度一般都在７ １ ０ ０ ｄ Ｂ ｍ 以内，特 别优秀 ，代价很高 的高精尖接收设备 般也很难达 到一 １ ２ ０ ｄ Ｂ ｍ （ ３ ） 目前地面无 线电波背景噪声一般在一 ９ ０ ｄ Ｂ ｍ ￣一 ｌ Ｏ Ｏ ｄ Ｂ ｍ左右 ， 低于此值的无线 电波一般 会被背景噪声所淹没 。矿 山井下 由于设备 辐射干扰等背景噪声一般也不会 比地面优秀很多 （ ４ ）由 于技 术发展 ，目 前井 下无线传输距离 已由过去的几十米 发展到的几百米 ，无线传输距离主要 由发射功率、传输 效率和 天线 增益三部分来决定 。 （ ５ ） 巷道中无线传输 近场 区以电场为主， 远场 区以电磁波为主， 并是 电磁波传输和巷道壁折射、 反射、 散射 以及高次幂的复杂组合 。 可以考虑用 固定 比例的功率衰减和天线增益衰减加最后 １ ０ ０ 米左右
敏度 的值 。
３矿 用无线传输分 析 （ １ ）根据 Ｇ Ｂ ３ ８ ３ ６要求， 矿 用产品无线阀功率为 ６ ｗ 也就是说， 仅有 ６ ｗ以下的无线功率是可 以 在煤矿安全使用的 ， 换算成分贝就是
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２ ． １ ． ２ 电波在井下非 自由巷道 内的传输衰耗
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（ ３ ） 巷道 的倾斜也将导致传输衰耗的增大 ， 随着频率的增大和 倾斜角 的增加 ，衰减值也随之增加 ，但巷道的倾 斜可通过 调节 天线 的仰角来实现，具体公式如 下：
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（ ４ ）巷道的转弯对 无线信号 的衰减影响特别大，在直角转弯的 时候甚至可衰耗掉绝大部分无线信号，因此此处应实测分析。 综上所述 ，给 出巷道中 电波传 输的衰减特性如下 ：