高河矿井回风巷道通信射频传输特性及最优频率分析

王燕妮

(山西高河能源有限公司)

信息化建设在现代化煤矿安全生产中的作用日益突出[1-2]。回风巷道无线通信技术在井下回风巷道抢险救灾、最大限度保障井下作业人员生命安全方面尤为重要。近年来，矿井无线射频技术在矿山安全领域的相关研究及应用越来越多[3-5]。

高河矿井回风巷道存在通信盲区，回风巷道内禁止安装电设备，缺乏行之有效的调度通信系统，属于调度通信管理盲区。在回风巷道突发灾害事故，需要及时准确向回风巷道作业人员下达安全撤离调度指令，回风巷道通信系统对于保障生命安全至关重要。据此开展射频技术在高河矿井回风巷道中的应用研究。

1 矿井及回风巷道概况

山西高河能源有限公司高河矿井建设项目包括设计能力6 Mt/a矿井、选煤厂及配套的铁路专用线工程。井田位于沁水煤田东部中段，地处太行山脉中段西侧、山西省上党盆地西部，距长治市4 km。

W1313工作面两侧为未采区域，东面为+450 m水平南翼大巷组(已掘)，西面为井田边界，上方地面为耕地，无影响。W1313回风巷与W1310回风巷连通，经过W1311、W1312未采工作面区域，处于井田边界处，后续布置的W1311、W1312工作面切眼距离回风巷的安全距离大于50 m，对W1313回风巷基本没有采动影响。地表标高约+915 m，回风巷底板标高为+445～+495 m，埋深为420～470 m。回风巷沿3#煤层底板掘进。巷道平面布置见图1。

图1 W1313回风巷平面布置示意

W1313回风巷为W1313工作面的专用回风巷道，断面形状为矩形，规格为5 100 mm×4 550 mm(宽×高)，净宽5 000 mm，净高3 500 mm，长820 m，巷道断面见图2。

图2 W1313回风巷断面

2 回风巷道射频传输特性分析

井下回风巷道是无线通信射频传输特殊应用环境，射频信号选择433 MHz、915 MHz、2.4 GHz，研究射频波信号的截止频率特性、传输衰减特性、巷道空气传输损耗等重要传输特性，并进行通信数据测试。

2.1 巷道截止频率研究

射频频段电磁波在矿井回风巷道中通信传输时，发现射频波长远小于回风巷道尺寸。首先将回风巷道设计为有损介质波导，射频研究发现，电磁波频率大于波导截止频率时，信号可在波导中进行正常传输。截止频率为

(1)

式中,f为截止频率，MHz；a为回风巷道横截面宽度，m；b为回风巷道横截面高度，m；μ为回风巷道壁导磁率，H/m;ε为电容率，F/m；m和n为射频波模阶次，射频信号在回风巷道中为多模传输模式，传输损耗与阶数平方成正比。

计算得出井下回风巷道主模两阶截止频率为65.43,43.97 MHz，选择的433 MHz、915 MHz、2.4 GHz 频率均大于巷道截止频率，表明在巷道截止频率特性中，3种射频都满足回风巷道通信需求。

2.2 巷道射频信号衰减

在回风巷道中，水平极化波主模Erec_h射频传播衰减常数为

(2)

垂直极化波主模Erec_v射频传播衰减常数为

(3)

式中，λ为波长，m；εr为回风巷道壁相对介电常数，回风巷道壁主要由沙浆、混凝土构成，相对介电常数为4.5 F/m；其他符号意义同上。

计算得出波模Erec_h和Erec_v的巷道衰减常数,见图3。

从衰减常数公式看出，矿井回风巷道射频衰减常数与射频电波频率平方成反比，与回风巷道宽、高三次方成反比。2.4 GHz频率最高，则波长最小，回风巷道截面尺寸相对于波长最大，回风巷道对2.4 GHz 电磁波传播衰减最小。

图3 回风巷道射频电波传播衰减曲线

2.3 回风巷道传输损耗

计算回风巷道射频信号在空气中传输损耗，即

Los=32.44+20lgd+20lgf，

(4)

式中，Los为回风巷道射频传输损耗，dB；d为射频传输距离，km；f为频率，MHz。

计算得出射频信号传输损耗与频率成正比，3种频率信号中2.4 GHz频率最高，传输损耗最大，但传输距离最长。

通过对射频无线信号在矿井回风巷道传输截止频率特性、传输衰减特性、巷道空气传输损耗综合分析表明，采用2.4 GHz符合矿井回风巷道通信技术要求。

3 现场测试

在矿井回风巷通对2.4 GHz通信设备进行了传输性能测试，并为回风巷道通信系统研发提供数据保障，测试数据见表1。可以得出，2.4 GHz射频能满足高河矿井回风巷道通信传输需求。

4 结 论

通过对3种不同射频信号在W1313回风巷道中的截止频率、信号衰减、传输损耗重要传输参数进行分析，对2.4 GHz通信系统进行井下回风巷道通信测试，证明该系统能够满足高河矿井回风巷道调度通信需求；尤其是在回风巷道作业人员报警和呼救时，调度应急响应时间大大缩短，从而最大限度地保障作业人员安全，提高公司安全生产管理水平，具有重大安全效益。