綜采工作面無線通信和閉鎖裝置研發(fā)與應用

袁小浩 李正甲 代雙成

北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013

1 概述

隨著科技的發(fā)展進步，地面上的無線通信技術已經(jīng)很成熟，但由于國內煤炭行業(yè)受到復雜的作業(yè)環(huán)境的影響，井下工作面無線通信技術還基本屬于探索階段。國內外數(shù)家煤礦通信產(chǎn)品的公司未曾進行煤礦井下無線通信產(chǎn)品的研究。在國內大型礦業(yè)集團中，無線通信系統(tǒng)也只限于地面辦公區(qū)、倉庫、機控室和井下大巷、順槽等場所，但僅具有通信功能，并不能完全實現(xiàn)井下的安全生產(chǎn)控制。綜采工作面當發(fā)生事故和人員安全受到威脅時，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)和語音通信不能立即停止工作面運輸設備，不能確保人員和設備安全。

無線通信和閉鎖裝置是指在煤礦綜采工作面及順槽不用架設電纜線利用無線電波技術來傳輸信號達到相關控制命令的一套裝置。在納二礦研發(fā)并安裝無線通信和閉鎖裝置，在綜采工作面運輸機緊急情況下及時閉鎖，保證操作人員在綜采工作面和主運順槽皮帶任何時間、任何地點能夠實現(xiàn)有效順暢交流，增加設備使用的安全性，避免重大機電事故及人員傷害事故，為煤礦系統(tǒng)優(yōu)化和決策快速地提供依據(jù)和參考。這對煤礦保證安全生產(chǎn)和提高工作效率等方面有著重要的意義。

2 井下無線電波傳播可行性分析

2.1 井下巷道無線電波傳輸特性

把井下巷道假設為長方體模型[1]（見圖 1），巷道高是h，寬是d，選用三位直角坐標系，X軸延水平方向，Y軸延垂直方向，Z軸延巷道方向。無線電波在巷道傳輸過程中，碰到巷壁，一部分折射進巷壁里，一部分反射到巷道中。折射的部分損耗了無線電波的能量，由于巷壁介質的磁導率不高，所以造成的這部分損耗可以忽略。

圖1 巷道模型

假設巷道水平方向的相對介電常數(shù)是ε1，垂直方向的相對介電常數(shù)是ε2。無線電波的主要場分量為：

式中，k1、k2和k3分別代表X、Y和Z軸方向上的無線電波數(shù)；ω表示磁導率系數(shù)；μ表示空間的磁導率。

2.2 無線電波衰減與頻率、巷道光滑度及彎曲度的關系

井下巷道中無線電波的傳輸可看作帶阻型（見圖2），在極低頻段、中低頻段，無線電波的衰減隨著頻率的增加而增加；在中頻頻段，無線電波的衰減值達到頂峰；進入高頻時，無線電波的衰減隨著頻率的增加而下降。

圖2 衰減與無線電波頻率的關系

巷壁表面大多都是很粗糙的，凹凸不平，高度起伏不一，設某平面起伏的平局值是h，無線電波與平面的入射角為，根據(jù)瑞麗準則，當時則認為平面是粗糙的。巷壁的粗糙會使無線電波產(chǎn)生散射而消耗能量，衰減增大。假設巷壁表面凹凸的起伏高度變化符合高斯分布，均方根是H，則巷壁光滑和粗糙時無線電波的衰減表達式[2]是：

式中，λ是波長；L是無線電波的傳輸距離。由式可知粗糙造成的衰減隨著波長的增大而增大。

巷壁傾斜和拐彎時無線電波的衰減表達式是：

由以上表達式可得圖3。圖3中的縱坐標表示無線電波在井下巷道傳輸過程中受折射、巷壁粗糙和巷道傾斜時的損耗之和，其中Z傳輸距離是100 m。由圖3可知，巷壁光滑和巷道平直時，頻率越高，無線電波的損耗越低，衰減越??；而巷壁粗糙和巷道傾斜時，恰好相反。在無線電波的頻率比較高時，巷道出現(xiàn)垂直拐彎時的損耗非常高，接收到的信號很微弱[2-6]。

圖3 頻率與損耗的關系

因此，對于不同的作業(yè)環(huán)境、不同的傳輸距離，最合適無線電波傳輸?shù)墓ぷ黝l率是不同的。根據(jù)比較工作頻率在 500～3 000 MHz的范圍里無線電波的損耗相對較小，傳輸效果較為理想。

2.3 井下無線電波干擾因素分析

鑒于井下特殊環(huán)境，無線電波在傳輸過程中會受煤巖塵、巷壁金屬骨架、噪聲等干擾，因此，有必要研究其對無線電波影響程度。

2.3.1 井下粉塵對無線電波的影響

井下巷道中的粉塵主要包括煤塵和巖塵。煤礦在生產(chǎn)、運輸、巷道掘進及煤層采掘等過程中都會使井下巷道空氣中產(chǎn)生大量的粉塵，尤其采煤工作面煤機工作時空氣中粉塵含量更高。粉塵屬于有耗介質，可以使巷道內的無線電波在傳播過程中反射或散射，造成能量損耗[7]。

在煤礦井下巷道的空氣中，懸浮的粉塵直徑一般不超過10 mm[8-9]。井下粉塵的體積遠遠小于無線電波的波長和間距。井下巷道中的粉塵衰減了井下無線電波的能量。無線電波的頻率或者巷道內粉塵濃度增大時，粉塵對無線電波的衰減增大。井下巷道的粉塵濃度在《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定值以下，無線電波的傳播過程中，能量損耗不明顯，即衰減并不是很大。在煤巖塵塵濃度值特別小的巷道中，無線電波則是隨著頻率的增大，傳播過程中造成的衰減在減小。因此，井下巷道中的粉塵濃度值直接影響粉塵對無線電波的衰減程度，粉塵濃度只要小于《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定值，無線電波的傳播就基本不受粉塵的影響。

2.3.2 金屬支架對無線電波的影響

在采煤工作面中，采煤機是在金屬制的液壓支架下面進行工作的，而且本文所采用的無線基站都是安裝在支架間和巷道內的，所以有必要探討金屬對無線電波的影響。

天線發(fā)射出的無線電波在傳播到物質表面時，電磁波在物質中遇到金屬顆粒物質會被其散射，散射之后能量非常雜亂不集中。這會造成無線電波的損耗。

2.3.3 多經(jīng)損耗

由無線電波傳播特性可知，來自周圍空間的反射會對接收到的無線電波的信號強度產(chǎn)生明顯的影響。本課題中無線攝像儀安裝在采煤工作面，且使用全向天線，網(wǎng)橋發(fā)射的無線電波很容易受到液壓支架、頂板、煤壁、工作人員和煤機等物體的大量反射波的影響，因此接受到的總信號強度是來自多個路徑上的許多信號的矢量之和。在許多情況下，采煤工作面內網(wǎng)橋之間沒有直接的視距通路。信號可能會是衍射、散射、繞射和反射相互作用的結果[10-11]。從接收的角度來看，多經(jīng)現(xiàn)象會造成信號強度變化、頻率失真、時延拓展、衰落等。

2.3.4 噪聲對無線電波的影響

基站接收到的信號中的各種干擾和各種電氣設備所產(chǎn)生的電噪聲，以及影響信號完好性、穩(wěn)定性和可靠性的電噪音，通常由電機、變壓器等電波輻射源設備引起[12]。盡可能使無線網(wǎng)橋遠離電磁干擾源，就可以最大限度降低噪聲對本系統(tǒng)的影響[13]。

鑒于無線電波的路徑損耗和在井下的傳輸特性，研究了井下巷道對無線電波的各種干擾，得出工作頻率在500～3 000 MHz的范圍里無線電波衰減較小，結合對井下巷道各種客觀條件的分析，井下無線通信裝置系統(tǒng)的研究是可行的。

3 設計方案

無線通信和閉鎖裝置由手持機與基站利用無線媒介進行信息傳輸相互通信的工作方式。由手持機和下位機組成，其中手持機和下位機的功能模塊包括：信號提示功能模塊、電壓檢測功能模塊、無線收發(fā)功能模塊、抗干擾單元、人工操作按鍵和設備外殼。

3.1 手持機設計方案

手持機由現(xiàn)場操作人員隨身攜帶，作為裝置的移動部分，設置對講按鈕、閉鎖按鈕及撥號鍵盤，配合操作人員向基站發(fā)射命令及接收反饋信號，與基站實現(xiàn)無線對講及接收功能。

當操作人員利用手持機按下閉鎖按鈕時，向基站發(fā)送閉鎖命令。當基站接收到閉鎖命令后啟動閉鎖電路，實現(xiàn)閉鎖，并且閉鎖按鈕設有自鎖功能；在指定的基站上安裝解鎖鍵。當操作人員利用手持機按下對講按鈕時，向基站發(fā)送對講命令，基站接收來自手持機的語音信號，將收到的語音信號經(jīng)過處理后送擴音電話進行廣播。

3.2 基站設計方案

基站固定安裝于工作面及順槽，采用本安 DC18V供電。用于接收手持機發(fā)射命令，同時主動監(jiān)聽工作面的喊話內容，通過無線信號向手持機發(fā)送，配合手持機實現(xiàn)無線對講?；驹O置帶自鎖屏蔽按鈕一個。當現(xiàn)場需要時，按下屏蔽按鈕，本臺基站停止工作。

基站的設計布置如圖4所示：

圖4 基站安裝布置方案圖

一般情況下，無線信號在地面空曠地區(qū)傳輸距離可超過 1 000 m，但由于受到井下工作面設備和煤巖體的屏蔽、電磁干擾，經(jīng)井下多次測試，每臺基站的無線信號傳輸距離在綜采工作面約200 m，順槽可超過600 m。以綜采工作面長度240 m為例，暫定工作面機頭、機尾各安裝一臺基站，設備列車集控臺安裝一臺基站，三臺基站的無線信號即可完全覆蓋綜采工作面。

圖5 基站及定向天線實物圖

3.3 工作原理

為避免無線基站和通信控制設備之間的電磁干擾，同時也為滿足礦用產(chǎn)品之間信號互連的安標要求，信號轉換裝置的音頻信號采用變壓器進行隔離和耦合，原邊副邊耐壓大于AC 1 500 V。

手持機觸發(fā)基站的IO信號，進入本裝置后采用光耦隔離避免電磁干擾，用三極管增加驅動能力，通過繼電器控制通信控制設備的急停信號實現(xiàn)閉鎖。具體如圖6所示。

圖6

本裝置語音信號采用半雙工設計，選用通信控制側的語音信號作為切換開關的信號源。當該側音頻線沒有語音信號時，輸出給基站一個高電平；當該側音頻線有語音信號時，輸出給基站一個低電平。基站通過判斷該信號高低電平來處理是放音還是拾音。具體如圖7所示。

圖7

本裝置中手持機發(fā)出音頻信號和閉鎖信號通過光電轉換經(jīng)光纜傳輸至下一臺基站、音頻信號通過信號處理傳輸給沿線的擴音電話或者其他手持機，而閉鎖信號通過信號處理傳輸給集控臺對三機進行急停閉鎖，集控臺設有解鎖鍵。

在生產(chǎn)指揮時，主要由工作面跟班隊長、班長、集控臺電工以及采煤機司機持有手持機，具有緊急情況閉鎖工作面設備的權限，同時手持機與手持機之間也可以進行無線通信。利用本裝置提供的無線通信平臺，操作人員可以在綜采工作面任何一個地方實現(xiàn)無障礙溝通，方便操作人員在現(xiàn)場及時有效地進行信息交流。

圖8 工作原理示意圖

4 工程實踐及結論

4.1 工程實踐

納林廟煤礦二號井作為內蒙古鄂爾多斯地區(qū)第一家采用國產(chǎn)成套設備，一次采全高6.3 m，具備年產(chǎn)600萬噸的現(xiàn)代化礦井，是該地區(qū)綜合機械化開采的示范工程，具有優(yōu)越的地質資源和開采技術條件。但其綜采工作面和主運順槽的通信和閉鎖系統(tǒng)也不完善。當操作人員在綜采工作面和主運順槽巡視時，需采用擴音電話同其他操作人員進行交流，按下擴音電話的送話按鈕進行喊話，對方聽到后需到達擴音電話處進行回話，或者當主運順槽膠帶輸送機出現(xiàn)皮帶嚴重跑偏、斷帶事故時需要及時打閉鎖停機處理。目前井下的通信和閉鎖操作采用的是就地操作，在工作面每隔15 m、主運順槽每隔100 m各安裝一臺擴音電話和閉鎖按鈕。當操作人員需要喊話或對設備進行閉鎖停機時，必須行至擴音電話和閉鎖按鈕處，才能進行必要的操作。受到現(xiàn)場設備安裝位置、煤塵大和作業(yè)環(huán)境潮濕等因素制約，操作人員需要行走一段距離后才能到達擴音電話和閉鎖按鈕，如果設備損壞，操作人員不得不轉到下一臺設備進行操作。這種通話方式和閉鎖操作效率非常低，處理時間的滯后，也必然會導致安全事故的進一步擴大。

無線通信和閉鎖裝置于 2017年 7月在該礦井6-2109綜采工作面投入運行，試運行效果良好，綜采工作面轉載機處到設備列車范圍內無線信號穩(wěn)定覆蓋，目前手持機主要由跟班隊干和集控臺電工使用。在綜采工作面正常生產(chǎn)時，跟班隊干可通過手持機給綜采工作面喊話，或者直接通過手持機打電話給集控臺電工傳達指令；當出現(xiàn)運輸機堵大塊可用手持機第一時間急停運輸機；當運輸大部件時到達地點時只需一人按下手持機閉鎖按鈕即可停止運輸機，取代原來的多人操作。集控臺電工進行泵站加液或者巡視設備列車，泵站噪聲大時，隨身攜帶手持機可準確收聽到工作面擴音電話傳出的指令。

4.2 主要結論

（1）在綜采工作面無線信號受到液壓支架和煤巖體的屏蔽、煤塵、電磁波干擾的條件下，選取足夠的、合適的通信距離和適當?shù)臒o線電波頻率，可實現(xiàn)井下無線通信。

（2）開發(fā)一套綜采工作面無線通信和閉鎖裝置。該系統(tǒng)與現(xiàn)有有線通信裝置配合使用，實現(xiàn)功能互補，提升工作面通信方式與效率，保證作業(yè)安全。同時提高了無線通信和閉鎖裝置的可靠性和易操作性，擴大了在綜采工作面及順槽的覆蓋范圍。

（3）對目前納林廟二號井6-2109綜采工作面現(xiàn)有的設備進行系統(tǒng)擴展，投資小，功能齊全，效果明顯，為現(xiàn)場提供了及時有效的無線通信功能，對綜采工作面各工種之間語音交流提供了非常便利的平臺，方便了井下人員之間的信息溝通，同時也能讓井下人員及時了解現(xiàn)場狀況，采取有效的應對措施。

（4）本套裝置的設計和使用填補國內空白，可申請專利，進行市場推廣并投入大批量生產(chǎn)，市場前景廣闊。

[1]張志華.礦山巷道三維網(wǎng)絡模型的構建及其路徑分析方法研究[M].西安：西安科技大學出版社，2010：60.

[2]王寶山.煤礦虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)模型和可視化技術與算法研究[M].鄭州：解放軍信息工程大學，2006.

[3]胡達濤，等.實施礦山數(shù)字化技術的問題及策略[J].礦業(yè)快報，2015（3）：21-23.

[4]張作宇，等.無線網(wǎng)絡在變電站運行維護中的應用[J].科技信息，2013（3）：4.

[5]周宗品.淺談綜采工作面無線網(wǎng)絡監(jiān)控技術[J].安徽冶金，2011（4）：7-9.

[6]張宜明.煤炭采掘過程中粉塵污染的防治對策探討[J].中國電子商務，2013（10）：2-3.

[7]張明華.對防爆電氣設備認識的誤區(qū)[J].電工技術，2009（9）：3.

[8]潘濤，等.煤礦巷道中粉塵對電磁波傳播特性的影響[J].煤炭科學技術，2007（7）：5.

[9]費國云.礦井環(huán)境粉塵實時監(jiān)測技術與裝置的研究[M].重慶：重慶大學出版社，2007：72-75.

[10] FNicola， PGiovanni， SGiovanni， et al.Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method[J]. IEEE Transaction Power Electronics. 2005，20（4）：963-973.

[11]劉會麗.電磁波在空心介質波導中傳播特性的研究及其應用[M].天津：河北工業(yè)大學出版社，2007：120-123.

[12]張緯球.淺談中波廣播發(fā)射對電視播出的干擾[J].電視技術，2010（58）：9.

[13]XJLiu，ACLuiz. An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays[J]. Power electronics specialists conference，Aachen， ALLEMAGNE. 2004：2005-2010.