矿井内通信理论的分析范文

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本文作者：何媛司徒梦天单位：总参第六十一研究所

1.引言

矿井下的通信问题,特别是采掘工作面与其它工作面的通信问题一直巫待解决。矿区分布较广,井下通信条件恶劣,这表现在井下湿度很大.设备较多、靠近工作点噪声电平很高。在采矿过程中,有时还会遇到冒顶、坍塌、瓦斯爆炸等事故,急需救援,这就对井下通信设备使用的便利与可靠性提出了更高的要求。矿井内最早使用的是有线电话通信系统,由于电话安装在固定位置,不适用于游动工作人员和运动车辆,对第一线采掘面上的工人来说,使用就更不方便了,往往要走十几米甚至几十米才能到达电话位置。因此,有线通信系统并不能保证井下通信的及时畅通,于是国内外又进行了矿井无线通信系统的研制。七十年代,漏泄电缆通信系统研制成功并首先在英国和比利时得到应用。到了八十年代,日本、西德、美国也都相继在巷道和隧道内设置了漏泄电缆通信系统。我国现已具备了生产漏泄电缆的能力,漏泄电缆已在几个大煤矿得到应用。漏泄电缆的使用开辟了矿井通信的新时代。由于它具有抗干扰能力强及和收发话机的天线祸合容易的特点,因此为井下远距离的无线通信提供了方便。但是,漏泄电缆造价较高,又要专门架设,对中小型煤矿来讲很不经济。近年来,美国、西德等国又开始研究利用矿井内现有线缆来导引电磁波的感应式无线通信系统,西德已开始使用感应式无线电话系统。目前,我国大部分矿井内仍采用有线电话系统,仅在大同矿务局等几个大矿的主干巷道内架设了漏泄电缆。天津煤矿专用设备厂引进西德技术生产的感应式无线电话系统在一些煤矿也得以使用,但这种系统仍需在整个矿区内架设双感应线。因此,如能利用矿井内现有线缆(特别是照明线)建立矿井感应式无线通信系统,既可以解决采掘面的通信问题,又可以节省开支。本文就是论证矿井巷道内电波沿线缆传播的可行性,并探索其传播与衰减规律;研究电小天线与线缆间的祸合及隧道壁和线缆对电小天线输入阻抗的影响,从而为实际工作提供理论依据。

2.巷道内电波传播模式的分析

2.1物理模型的建立

在进行实际问题的分析与计算时,我们首先需要建立一个与实际情况接近的简化的理想模型,否则,一开始便会陷入困境。从北京门头沟煤矿的调研中发现,巷道截面与圆形比较接近。由文献〔1」可知:当频率低于20MHz时,单线波模衰减率与隧道截面形状关系不大,但依赖于截面面积。后面的理论分析和实验结果也表明,在中长波电台使用频率范围内,由于电波波长远远大于巷道截面尺寸,巷道截面尺寸的变化对电波传播影响不大。据此,我们建立以下理想模型,见图1。

2.2隧道内电波传播模式的分析

电波在空隧道中不能很好地传J击,这是由于隧道壁对电波吸收严重,如果隧道有拐角,则电波的衰减就更为严重。因此,只能在直的空隧道中进行近距离通信。一般的隧道中都设置有线缆或长金属导体,如照明线和通风管。下面就来讨论在隧道中,.毯波借助于线缆的传播特性。

2.2.1随道内含一根线缆时

设电缆半径为C,当ZC《电缆到隧道壁距离并远小于波长时,就可用细电缆近似条件,将电缆用一简单的表面阻抗来模似,而不需要在电缆内部解麦克斯韦方程,从而大大地简化了计算。包含有一根线缆的圆形隧道,除波导波模外,还存在一个无截止频率的传输线波模,称之为单线波模。单线波模以线缆作为内导体,隧道壁为外导体,电流沿导线流出,而沿隧道壁流回来,故而对于单线波模来说,其传播常数接近于TEM模的传播常数jk。。由电磁场理论可知,在一充满某种均匀媒质的体积中,当存在一Z方向电流时,电磁场可以从其Z向电赫兹位和Z向磁赫兹位推导出。经计算,电缆产生的场可由下列轴向电赫兹位解此波模方程,可求出单线波模的传播常数厂,下面给出单线波模衰减率a随电缆位置、频率和隧道壁参数变化的特性曲线,见图2、图3、图4。其中电缆材料取为铜从以上曲线中可以看出:

(l)单线波模衰减率当电缆靠近隧道壁时增大。这是因为电缆越靠近隧道壁,沿壁返回的电流就越不均匀,更集中在与导线靠近的那一部分壁上,这时回流电阻增大,衰减率当然也随之增大。

(2)对相同的Pc/a来说,衰减率随隧道半径的增大而减小。这是因为隧道半径增大,电流沿壁的回流面积增大,回流电阻减小,衰减率当然也随之减小。

(3)单线波模衰减率随频率升高而增大。这是因为频率升高使趋肤深度减小,回流电阻增大。但频率降低,收发天线效率低,与电波祸合差。综合考虑,选用中频较好。

(4)频率降低时,单线波模衰减率对隧道半径的依赖性减小,因此对隧道截面形状的依赖性也减小了。

(5)隧道壁电导率的增加,一方面使趋肤深度减小,造成回流电阻增大,导至单线波模衰减率增大,另一方面,由于欧姆损耗减小,又能使回流电阻减小,单线波模衰减率减小,这两种效应总的结果决定着单线波模衰减率的增减。

2.2.2随道内含多根线缆时

设隧道内有。条线缆,位置为第f条线缆的比外阻抗为半径为载流为,在细电缆近似和忽略线缆间互祸的条件下,可求得波模方程为:当隧道内只含两条线缆时,隧道内能承载两个具有传输线特性的波模,即单线波模和双线波模,它们的几/I:比值分别接近于+1和一1。值得一提的是,漏泄电缆和双感应线的传播机制正是如此。

3.隧道内电小天线和波模之间的藕合

在中频范围,波长远大于隧道截面尺寸和收发信机的天线尺寸。因此,所用的线天线和环天线可等效为电偶极子和磁偶极子。电偶极子在自由空间的输入阻抗为位于隧道内的电小天线,辐射能量的一部分被隧道壁所吸收,使得其输入阻杭增大。由于电小天线和线缆间的祸合,一也使得电小天线的输入阻抗发生变化。令Z才代表由于隧道壁影响而使偶极子输入阻抗增加的那一部分,Z。代表隧道内的线缆对偶极子输入阻抗的影响,则在含有线缆的隧道中,偶极子的输入阻抗为:其中Z。为偶极子在自由空间的输入阻抗。通过研究电小天线与线缆之间的祸合,我们可得如下结论:

(l)电缆的存在使横向放置(指在X一Y平面)的电偶极子的输入阻抗增大。当必时,X向放置的电偶极子与电缆间祸合最强;但是当必。一功。时,电缆的存在对X向电偶极子的输入阻抗无影响。

(2)对法线为横向的小环天线,电缆使其输入阻抗增大。设小环天线的法线为X向,则当功时,电缆对其输入阻抗影响最大,两者间祸合最强;但当功时,电缆对其输入阻抗无影响。

(3)电缆使与它平行放置的电偶极子的输入阻抗减小,但对法线与它平行的小环天线的输入阻抗无影响。

(4)偶极子离电缆越远,它们间的祸合越弱。

(5)偶极子与电缆的祸合,随频率的升高而增大。因此,在实际工作中,应将偶极子和小环天线横向放置,见图6、图7,并避免出现图4.实验结果1989年,在北京门头沟煤矿的两次实验中,所用频率为25okHz~4。。kH二,实验结果表明,在动力电缆一直延伸的巷道中(含两个拐弯),当通信距离达500~60。米时信号未见明显的衰减,但当电缆和照明线中断或拐到其它巷道时,通信距离仅为10米左右,这就验证了电波沿巷道内线缆传播的可行性。

实验结果还表明,在图7所示情形下,电缆与小环天线祸合最强;而在图g所示情形下,电缆与小环天线间无祸合。另外,在房山人防工事内,我们测试了不同频率下的单线波模衰减率。图10为实验结果与理论结果的比较。从图中可看出,两者的数量级和变化趋势是相同的。