超短波（UWB）技術(shù)解決井下作業(yè)的安全問題

楊金玉

（內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005）

超短波傳播（ultra-short wave propagation），波長(zhǎng)為10m～1m（相應(yīng)頻率為30～300兆赫)的電波經(jīng)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(duì)流層散射傳播理論以后，D.K.貝利等人使用大功率發(fā)射機(jī)和高靈敏接收機(jī)進(jìn)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(duì)其他通信方式而言，超短波通信有它顯著的特點(diǎn)超短波通信利用視距傳播方式，比短波天波傳播方式穩(wěn)定性高，受季節(jié)和晝夜變化的影響小天線可用尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增益較高的定向天線。這樣，可用功率較小的發(fā)射機(jī)頻率較高，頻帶較寬，能用于多路通信調(diào)制方式通常用調(diào)頻，可以得到較高的信噪比。通信質(zhì)量比短波好[1]。

1 我國(guó)井下作業(yè)的現(xiàn)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(dòng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。由于石油存在于較為深遠(yuǎn)的地下，開采環(huán)境較為惡劣。石油資源的開采環(huán)境是不可改變的，因此只能從油田開采技術(shù)方面做出更改，以此來確保工作人員的人身安全。井下作業(yè)時(shí)的難度系數(shù)大、復(fù)雜程度高，存在著許多威脅井下工作人員生命健康的危險(xiǎn)要素，例如：中毒、爆炸等等。使用超短波技術(shù)有利于解決井下作業(yè)時(shí)的危險(xiǎn)因素，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)石油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

井下作業(yè)是利用地面上和井下的設(shè)備、工具，對(duì)煤炭進(jìn)行勘測(cè)、挖掘、開采、改善的技術(shù)，使用先進(jìn)的井下技術(shù)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(fèi)。油田井下工作的方式多種多樣，例如：勘測(cè)石油資源、檢查維修油井、石油開采、油層改造等等。我國(guó)的人口高達(dá)14億，不管是國(guó)家的建設(shè)發(fā)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(guó)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。礦井資源都埋藏在地下，需要花費(fèi)很大的人力物力才能將其從地底下開采出來。

我國(guó)大多數(shù)的井下作業(yè)所處環(huán)境較為惡劣偏僻，常常會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)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(xué)物質(zhì)，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(hù)措施不到位的情況下，這些易燃易爆的資源很容易發(fā)生爆炸，不僅會(huì)危害工作人員的身體健康，還會(huì)令礦井井不能正常開采，對(duì)我國(guó)資源的開采造成極大的損失。

目前存在著一些油田企業(yè)過于注重眼前經(jīng)濟(jì)效益，缺少長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光與可持續(xù)發(fā)展。一些企業(yè)缺少充足的資金引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備裝置，自動(dòng)化水平較低使得不能確保井下作業(yè)安全、無法了解井下狀態(tài)。例如：井下作業(yè)過程中易受氣候、地質(zhì)環(huán)境、設(shè)備設(shè)施影響。如果安全警示牌不顯著或安全欄不穩(wěn)固，那么極容易釀成安全事故[2]。

目前我國(guó)使用頻率為100kHz的無線感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行井下通訊交流。這種傳統(tǒng)的無線設(shè)備需要在井內(nèi)按照一定的規(guī)律安裝感應(yīng)傳輸設(shè)備，且工作人員只有在感應(yīng)設(shè)備的周圍才能與外界進(jìn)行交流，這種傳統(tǒng)的交流技術(shù)存在著很大的缺陷。我國(guó)的重點(diǎn)礦井井大多處于遙遠(yuǎn)偏僻的地區(qū)，這些地區(qū)的信號(hào)點(diǎn)稀疏，且礦井井的深度較大，工作人員在進(jìn)入井內(nèi)開采或維修時(shí)往往會(huì)因?yàn)樾盘?hào)不好而影響工作，如果工作人員在井內(nèi)發(fā)生危險(xiǎn)，很可能會(huì)因?yàn)橥ㄓ嵔涣鞯闹袛喽c外界失去聯(lián)系[3]。

2 利用超短波（UWB）技術(shù)解決井下作業(yè)的安全問題

我國(guó)應(yīng)該高度重視井下作業(yè)的安全問題，“安全第一，預(yù)防為主”，將井下作業(yè)的安全放在第一位，解決安全問題是各級(jí)生產(chǎn)管理者的重要管理內(nèi)容之一，應(yīng)層層落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)章制度和井下作業(yè)技術(shù)操作規(guī)程，加大井下作業(yè)安全監(jiān)督機(jī)制，把事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。嚴(yán)守崗位，緊密配合，確保施工人員人身安全、設(shè)備安全和作業(yè)施工安全。我國(guó)應(yīng)該增加井下作業(yè)的檢查頻率，定期檢查維修井下作業(yè)的工作設(shè)備，確保工作人員的人身安全。除此之外，還應(yīng)該增加人力和研發(fā)資金的投入，積極創(chuàng)新井下作業(yè)方面的先進(jìn)技術(shù)，努力發(fā)展成為一個(gè)井下作業(yè)技術(shù)先進(jìn)的大國(guó)。

我國(guó)的井下作業(yè)存在著許多不可忽視的安全問題，相關(guān)部門應(yīng)該提高對(duì)井下作業(yè)的重視程度，增加經(jīng)濟(jì)和相關(guān)人才的投入，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，把安全作為井下作業(yè)的核心內(nèi)容。針對(duì)我國(guó)井下作業(yè)的通訊安全問題，可以利用超短波（UWB）技術(shù)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(shí)現(xiàn)井下作業(yè)時(shí)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(dǎo)航等設(shè)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(zhǎng)更短，頻率更高。針對(duì)超短波的這種特性，相關(guān)設(shè)備發(fā)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(zhǎng)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(jù)這種特點(diǎn)，超短波被廣泛應(yīng)用于小型通訊設(shè)備（如座機(jī)、手機(jī)）當(dāng)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(gè)超短波中斷站，加強(qiáng)超短波的信號(hào)傳輸能力[4]。

大多數(shù)礦井井的深度較大，信號(hào)點(diǎn)之間的距離偏遠(yuǎn)，隨著時(shí)間的變化，很多通訊設(shè)備老化，所以就產(chǎn)生了井下作業(yè)時(shí)通訊交流不正常的現(xiàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析找出能夠提高超短波傳輸效率的條件。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，本實(shí)驗(yàn)分別選用兩種鋼筋混凝土材質(zhì)的實(shí)驗(yàn)巷道。第一種是四百米實(shí)驗(yàn)巷道，巷道的截面是一個(gè)半徑為1.4m的半圓形，半圓形的原點(diǎn)與巷道的底部相距0.96m；第二種是二百三十米的實(shí)驗(yàn)巷道，第二種巷道的截面是一個(gè)半徑為1.0m的半圓形，半圓形的原點(diǎn)距離底部0.9m。這兩種實(shí)驗(yàn)巷道中的環(huán)境均與井下巷道的實(shí)際情況一致。首先分別在四百米實(shí)驗(yàn)巷道與二百三十米實(shí)驗(yàn)巷道中使用152M Hz的電波進(jìn)行信號(hào)交流，對(duì)距離為50m、100m、150m、200m時(shí)的信號(hào)衰減量依次記錄在表中。使用相同的方法分別記錄兩種實(shí)驗(yàn)巷道在470MHz下的信號(hào)衰減量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在含有鐵質(zhì)管道的實(shí)驗(yàn)巷道中信號(hào)的衰減量更低，電波的傳輸效率更高。而含有木質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)對(duì)電波信號(hào)的衰減量更大，信號(hào)傳輸?shù)男室哺?，?dǎo)致信號(hào)傳輸效率低的原因可能是木質(zhì)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(hào)傳輸效率的主要因素。除此之外， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，濕度較高的巷道傳輸效率較低。

衰減系數(shù)是一個(gè)比較通過物體的能量束強(qiáng)度的降低與它通過物體的距離的比值。衰減系數(shù)由經(jīng)典吸收和分子吸收組成。衰減系數(shù)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(shù)越大，超短波傳輸?shù)男试叫?，反之，衰減系數(shù)越大，超短波傳輸?shù)男示驮酱?。根?jù)條件不同，將試驗(yàn)巷道分為六種：400m鋼筋混凝土試驗(yàn)巷道、230m鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)巷道、傾斜鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)巷道、400m鐵管實(shí)驗(yàn)巷道、230m鐵管實(shí)驗(yàn)巷道、木支架實(shí)驗(yàn)巷道。首先將這六種實(shí)驗(yàn)巷道中的天線垂直放置，測(cè)量并計(jì)算出每種實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)的衰減系數(shù)。然后將這六種巷道內(nèi)的天線豎直放置，再次測(cè)量并計(jì)算出各個(gè)實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)的衰減系數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析時(shí)可以根據(jù)這些衰減系數(shù)來檢驗(yàn)超短波的信號(hào)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除了400m鐵管實(shí)驗(yàn)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(shù)較低，電波傳輸效率更高。

3 總結(jié)

分別在不同情況、不同長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)巷道使用頻率為152MHz和470MHz的電波進(jìn)行信號(hào)交流，測(cè)量每種情況下的衰減量和衰減系數(shù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)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(hào)傳遞的最優(yōu)距離在170m左右。470MHz頻率的電波傳播對(duì)巷道斷面和巷道支護(hù)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(yōu)良的傳播特性，滿足井下作業(yè)中對(duì)超短波信號(hào)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(huán)境下的傳輸效率低。天線垂直時(shí)的衰減量更小，傳輸效率較高。

油田作業(yè)危險(xiǎn)因素嚴(yán)重影響著油田開發(fā)工作，影響安全生產(chǎn)理念，因此超短波技術(shù)成為了井下作業(yè)安全的核心內(nèi)容。利用超短波技術(shù)解決井下安全問題的措施有：定期維修更新井下設(shè)備、采用鐵管巷道，合理降低井下濕度，將井內(nèi)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(huán)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(chǎn)資源的開采效率，從而推動(dòng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[5,6]。