煤岩介质中无线通信频率及衰减机制研究

煤岩介质中无线通信频率及衰减机制研究

王伟峰;侯媛彬;李珍宝;邓军

【摘要】为给矿井煤岩体介质中无线传感器网络技术开发提供理论依据,基于麦克斯韦方程,建立了煤岩体介质中电磁信号衰减模型,采用理论分析和数值计算方法,得到煤岩体介质中电磁波的合理通信频段、衰减系数及趋肤深度等参数.结果表明:煤岩体的电性参数、孔隙率、温度、湿度是影响电磁信号衰减的主要因素;为保证电磁波在煤岩体介质中良好的传输性,通信频率≤1MHz;在单一有耗煤岩体介质中,电磁信号衰减系数大小为无烟煤＞褐煤＞肥煤＞焦煤＞贫煤,石灰岩＞泥岩＞粗砂岩＞砂岩＞细砂岩;井下电磁信号传输的有耗媒质为多元混合介质,为保证趋肤深度δ≥5 m,通信频率需满足f≤O.21 MHz.研究结果对确定适用于采空区的WSN最佳通信频率具有重要的应用价值.

【期刊名称】《西安科技大学学报》

【年(卷),期】2016(036)004

【总页数】6页(P577-582)

【关键词】无线通信;有耗媒质;频段;衰减系数

【作者】王伟峰;侯媛彬;李珍宝;邓军

【作者单位】西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;西安科技大学电气与控制工程学院,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054

【正文语种】中文

【中图分类】TD76

矿井通信技术一直是煤炭行业研究的热点和难点，由于矿井生产环境复杂多变，很大程度上限制着井下通信技术的发展[1]。按通信方式矿井通信技术可以分为有线

通信和无线通信有线通信技术因其信号稳定、容量大、速度快等优点，是目前矿井生产系统的主要通信手段，但该技术存在着施工布线工作量大、环境适应性差、系统维护复杂等原因，对矿井全面信息化发展形成制约[2-4]。另外，由于矿井生产

的动态变化，有线通信技术在一些作业区域无法布线施工(如巷道煤柱的压力监测、采空区煤自燃特征信息采集等)，由此可能产生信息孤岛问题。

矿井无线通信因其具有成本低、功耗小、可扩展性强、覆盖度高等特点，已成为一种将来可替代现有通信系统的潜在技术，近年来在矿井生产领域得到了广泛研究。国内外学者井下无线通信已经做了大量的研究工作，其中对矿井巷道中的无线信号传输研究比较多，且已经取得了系列研究成果，并成功应用于矿井生产[5-7]。由

于煤岩体介质自身结构的复杂性，无线信号穿透有耗媒质时快速衰减，到目前为止煤岩体介质中的无线通信技术发展缓慢。电磁波穿透煤岩体通信作为现代矿井通信技术的重要组成部分，其基础理论研究少，技术开发亟待进一步完善。因此，通过煤岩介质中无线通信频率及衰减机制，对确定适用于采空区的WSN最佳通信频率具有重要的应用价值。

1.1 煤岩体介质中无线信号的传输衰减机制

无线信号在煤岩体介质中传输会产生衰减现象，也就是电磁波在传输过程中能量发生损耗。引起衰减的原因除了电磁波在具有不同电性介质分界面的反射和散射外，最主要的是煤岩体介质对电磁信号的吸收作用。一般认为[8-9]煤岩体介质属不良

导电媒质，在电磁场作用下，内部带电粒子会定向运动从而产生传导电流，在其运动过程中不断的与媒质中原子和离子碰撞，把获得的能量传递给原子和离子，使它们的热运动加剧，介质有限的电导率会使电磁波在传导过程中产生焦耳热，从而传

输媒质的温度升高，电磁场的部分能量转变为热损耗，从而引起电磁波的衰减。

由于介质内带电粒子之间和原子之间的相互作用，对带电粒子的运动存在阻尼力，而在电磁波的传导过程中，为克服阻尼力必须做功，所以会产生功率损耗。根据电磁波的基本理论[10]，频率较低时，粒子运动较慢，损耗也相对较小；而在高频时，阻尼力的存在使得粒子运动跟不上场的变化而产生滞后，当频率高达或接近介质中带电粒子的固有振动频率时，发生共振，此时电磁场损失的能量最大。电磁波在煤岩体中的传输路径及损耗如图1所示，电磁波穿透煤岩体的损耗包括2部分：界

面的反射损耗和煤岩体的吸收损耗。

1.2 煤岩体中无线信号传输衰减影响因素

煤岩体介质中电磁波的传输环境相对复杂，煤岩体的电性参数、孔隙率、温度、湿度等都会对电磁信号产生影响，电磁波在煤岩体介质内部会发生反射、吸收、折射、透射等类光学现象[8，10]，这个区域电磁波发生周期性衰减。

1.2.1 采空区煤岩体电性参数

煤岩体的电性参数包括电导率、磁导率和介电常数。经试验测定[11-12]，磁导率

在各种介质中均为常数(μ=4 π×10-7H/m)，所以介电常数和电导率是影响电磁传播的主要参数。在煤岩体介质中激励起电磁场时，岩层的电导率引起有功能量损失，并决定着电磁场随着距离辐射源的远近而衰减的情况。煤岩体介质属于不良导电媒质，有限的电导率σ会使电磁波在传导过程中产生焦耳热，此部分作用对电磁波

的衰减最大。

1.2.2 冒落煤岩体的孔隙率

无线信号在空气中传播时衰减较有耗媒质中要小得多，当煤岩体的孔隙率越大时，电磁波在煤岩体中的衰减传输距离缩短，因而对其的吸收作用减小，有利于无线信号的穿透传输。

1.2.3 煤岩体的温度及湿度

温度的变化导致煤岩体的电性参数的变化，温度越高，介电常数越小，电导率越低，电磁波的传输衰减越小[13]。湿度的改变随电磁波的传输影响主要表现在2个方面：一是对增加了空隙中气体的密度，吸收能力增强，并有可能导致电磁波的散射；二是增加了煤岩介质的表面湿润性，电磁波的反射量增多，透射能量减小，这些都不利于电磁波的向外传播。

电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效地传递能量和动量。麦克斯韦电磁方程组总结了电磁现象的基本规律，建立了由高斯定理、高斯磁定律、麦克斯韦-安培定律、法拉第电磁感应定律组成[14-15]，其积分形式如下

.

式中E为电场强度，V/m；D为电通量密度，C/m2；H为磁场强度，A/m；B

为磁通量密度，Wb/m2；J为电流密度，A/m2；Jm为磁流密度，V/m2.

另外，考虑到电磁场量在界面上的边值关系，文中的研究中假设电磁波传输的煤岩体为各向同性媒质，则其本构关系[14]如下

D=τE,B=μH,J=σE,Jm=σmH,

式中τ为煤岩体的介电常数，F/m；μ为煤岩体磁导系数，H/m；σ为煤岩体的电导率，S/m；σm为导磁率，Ω/m.

将式(2)带入式(1)得

,

其中f为电磁波频率，为复介电常数。对式(3)取旋度，可以的到矢量波动方程[10]，即

E=Eoe-(α+jβ)r,

Eo为常矢量，代表电场矢量的起始振幅与极化方向；r为传播方向的矢径；α为振幅值衰减系数，dB/m；β为相位衰减系数，rad/m.