0 引言

煤炭是国家重要的能源资源，其安全的开发与利用是关键。煤矿生产过程复杂、工作场所分散、人员流动性大、工作条件差、安全风险大。矿山隧道是一种特殊的封闭空间，它的环境要比人防及铁道隧道复杂、条件差，且巷道狭窄、地表粗糙，周围是煤炭、支架、风门、动力线等，在如此狭窄的空间内，无线通讯的传播方式和地面传播具有天壤之别，会收到各种各样的条件限制。如何在矿井中实现有效的无线通讯，是目前煤矿井下无线通讯的一个重要问题。

1 现有矿井通信技术

从当前的通讯技术发展来看，可用于煤矿的宽带无线传输技术主要有 WiFi技术和4G技术。WiFi作为一种宽带无线网络技术，它已被广泛地运用于日常工作和生活中，为智能手机、笔记本电脑等终端设备的使用带来极大的便利。它具有带宽大、接入宽带有线网络方便等优点，可以作为煤矿宽带无线通信技术的基础。WiFi的传输速度可以超过54 Mbi/s，无线传输距离可以达到300米，并且它的设备容量和发射功率都比较低，能够很好的适应矿山的工作环境，并且能够将语音、图像等多种形式的信息传递给用户。4G的下行率高达100 Mbit/s，上行速度20 Mbit/s，可以有效地满足当前煤矿生产和各种信息的实时传输需求。4 G技术日趋成熟，其商用范围和应用范围也随之扩大。而现在，由于智能手机终端体积大、功耗大，所以采用4 G作为矿井宽带无线通信技术，是非常适合的。

2 矿井无线通讯传播及损耗特性

2.1 巷道截面无线传输的影响

由于巷道横断面等效半径（等价圆弧截面积）对其传播的影响较大，其传播衰减也较小。随着巷道断面的增大，无线通信的衰减逐渐减小。举例来说，400 MHz、1 W的广播站的发射距离为150米，其底部宽度为2.5米，顶部高度为1.8至1.9米，而470 MHz、1 W的广播站在接近环形的巷道中，其底部宽度为7.8米，顶部高度为7.7米，传播距离为1600米。同时，巷道内的无线通信也有一个截止频率，随着巷道断面的增加，其截止频率也会随之增加，而在断开频率以下，则会使其衰减速度急剧增加。当巷道横断面的等效半径与波长的差异不超过10倍时，巷道断面尺寸对无线通信的影响最大，而当巷道横断面等效半径远大于或远小于波长时，对无线传输的影响很小。由于巷道断面通常在数平米到数十平米不等，所以对中频及以下频段的无线通信影响不大，对高频、超高频的无线通信有很大的影响。

2.2 导体对无线传输的影响

当巷道内存在动力电缆、通信电缆和信号电缆时，由于纵向导线的导波效应，当巷道中存在动力电缆、通信电缆、铁轨、绞车钢丝绳、水管等纵向导体时，会降低矿井无线通信的衰减，而且纵向导体与巷道的绝缘性能越好，在隧道中心处越多，传输衰减越小。在中频和低频段，导体的导波效应较强，在中频段可以达到2500米。当频率增加时，导体的纵向效应变得较弱。在超高频和更高频段，纵向导线的影响微乎其微。

2.3 巷道形状对无线传输的影响

在巷道拐弯时，无线信号的衰减会增加，而巷道弯角越大，信号的衰减就越大。而且，随着使用频率的增加，由巷道拐弯引起的衰减也会随之增大；巷道倾角增大了无线通信的衰减，而当信道倾斜的频率增加时，信道的衰减增大；巷道分支增加了无线通信的衰减，而当频率增加时，由于巷道分支的影响会随之增大。

巷道拐弯和倾斜对无线传输的影响如表1所示。

表1 巷道形状对无线传输的影响

2.4 风墙对无线传输的影响

所谓风墙，指的是在不需开采掘进和行人巷道内，封闭废弃巷道、采空区、火区等一类的巷道。根据使用时间长短，可将其划分为永久式和临时式两类。永久风墙是用不燃烧的材料，如砖、石、水泥，其厚度不得在0.8米左右。临时挡风墙是由木柱、木板和废弃的风筒布临时制成。临时风墙对无线通信的影响很小，而永久性的风墙则会对无线通信产生很大的影响，并且会随频率的增加而增加。

2.5 风桥对无线传输的影响

为了防止进风巷与回风巷交叉巷的气流短路，必须在进风巷、回风巷交叉巷处设置风桥，以防止进风和回风分离。根据风桥的构造特点，可以将其划分为绕流式风桥、混凝土式风桥、铁筒式风桥等。绕流式风桥是指在进风巷与回风巷相交的地方，在煤层中开辟出一条特殊的通风通道，而原巷道的断面和结构并没有受到影响，绕流式风桥不会影响到无线通信。混凝土风桥是指在原巷道处采用混凝土砌筑一条特殊的通风路，而原巷道断面不会发生变化，因而风桥对其无线通信的影响很小。铁筒式风桥包括铁筒和风门，其两侧应有两个或更多的风门，其直径不得低于0.8米，铁筒式风桥通过原有的巷道，所以铁桶式风桥对无线通信的影响最大。

2.6 风门对无线传输的影响

为了阻止风的流动，同时不会对交通和行人造成干扰，在相应位置必须安装风门。风门必须成对排列，间隔不少于10米，通过电机车的风门，其间隔不能少于一辆列车的长度。风门装置由木制、铁制或混合组合而成。小型矿山多采用木制风门，大型矿山则多采用铁制或钢木制复合风门。木质挡板对无线通信的影响不大，钢木复合风门会对无线通信产生很大的影响。

2.7 粉尘对无线传输的影响

煤矿井下粉尘以悬浮于巷道空气中，颗粒尺寸在0.25-10微米范围内的浮游粉尘为主。其中85%及以上的煤尘为呼吸性粉尘，颗粒直径小于5微米，极易引起尘肺病。根据矿井粉尘浓度卫生管理规范，煤尘间的间隔应在10 mm左右。在超高频频段，通讯电磁波的波长为0.1~1米，可见矿尘颗粒的大小要比使用的波长和间隔要小得多，因此可以认为这些粉尘之间是相互独立的，而粉尘对电磁波的散射和吸收衰减是遵循瑞利散射定律的。如图1 所示，浓度为2.5、3.5、10、1000mg/m3。的粉尘浓度中，当电磁波的频率增加时，粉尘对衰减会随著频率的增加而增加。同时，随着粉尘浓度的增加，电磁波的衰减也会随之增加。显而易见，当电磁波频率是2.4 G时，当浓度在规定的（<10 mg/m3）范围内时，当α值小于2.8x10-4 dB时，粉尘造成的衰减是非常微小的。

图1 不同浓度粉尘对无线通讯衰减的关系

3 结语

矿井的开采与利用日益引起国家和政府的重视，而煤矿井下的无线传输技术是能否在地面上实现全面、系统的通讯与联络的关键。只有充分利用无线技术，才能使整个传输系统的安全性、可靠性和不受干扰。随着时代的发展，信息技术与社会生活日益紧密联系，新时期要求我们对地下通讯网络进行改进，提高输送装置的效能，从而保证矿井工人生命健康的重要保证。

参考文献

[1]罗少兵.煤矿无线通讯新技术的应用[J].现代工业经济和信息化,2017,7(17):41-42.

[2]李金泉,张其朋.煤矿无线通讯及人员定位系统的现状[J].煤炭与化工,2014,37(07):11-13.

[3]熊艳荣. 低频透地通信系统机理研究[D].成都理工大学,2007.

[4]徐小东. 基于无线定位及无线通讯的矿井交通信号系统的实现[D].辽宁工程技术大学,2007.

作者简介：赵龙（1988—），男，陕西铜川人，汉族，本科，助理工程师，陕西陕煤黄陵矿业有限责任公司一号煤矿信息部科员，主要从事矿井安全监测监控工作。