综采工作面无线通信和闭锁装置研发与应用

袁小浩 李正甲 代双成

北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013

1 概述

随着科技的发展进步，地面上的无线通信技术已经很成熟，但由于国内煤炭行业受到复杂的作业环境的影响，井下工作面无线通信技术还基本属于探索阶段。国内外数家煤矿通信产品的公司未曾进行煤矿井下无线通信产品的研究。在国内大型矿业集团中，无线通信系统也只限于地面办公区、仓库、机控室和井下大巷、顺槽等场所，但仅具有通信功能，并不能完全实现井下的安全生产控制。综采工作面当发生事故和人员安全受到威胁时，传统的数据和语音通信不能立即停止工作面运输设备，不能确保人员和设备安全。

无线通信和闭锁装置是指在煤矿综采工作面及顺槽不用架设电缆线利用无线电波技术来传输信号达到相关控制命令的一套装置。在纳二矿研发并安装无线通信和闭锁装置，在综采工作面运输机紧急情况下及时闭锁，保证操作人员在综采工作面和主运顺槽皮带任何时间、任何地点能够实现有效顺畅交流，增加设备使用的安全性，避免重大机电事故及人员伤害事故，为煤矿系统优化和决策快速地提供依据和参考。这对煤矿保证安全生产和提高工作效率等方面有着重要的意义。

2 井下无线电波传播可行性分析

2.1 井下巷道无线电波传输特性

把井下巷道假设为长方体模型[1]（见图 1），巷道高是h，宽是d，选用三位直角坐标系，X轴延水平方向，Y轴延垂直方向，Z轴延巷道方向。无线电波在巷道传输过程中，碰到巷壁，一部分折射进巷壁里，一部分反射到巷道中。折射的部分损耗了无线电波的能量，由于巷壁介质的磁导率不高，所以造成的这部分损耗可以忽略。

图1 巷道模型

假设巷道水平方向的相对介电常数是ε1，垂直方向的相对介电常数是ε2。无线电波的主要场分量为：

式中，k1、k2和k3分别代表X、Y和Z轴方向上的无线电波数；ω表示磁导率系数；μ表示空间的磁导率。

2.2 无线电波衰减与频率、巷道光滑度及弯曲度的关系

井下巷道中无线电波的传输可看作带阻型（见图2），在极低频段、中低频段，无线电波的衰减随着频率的增加而增加；在中频频段，无线电波的衰减值达到顶峰；进入高频时，无线电波的衰减随着频率的增加而下降。

图2 衰减与无线电波频率的关系

巷壁表面大多都是很粗糙的，凹凸不平，高度起伏不一，设某平面起伏的平局值是h，无线电波与平面的入射角为，根据瑞丽准则，当时则认为平面是粗糙的。巷壁的粗糙会使无线电波产生散射而消耗能量，衰减增大。假设巷壁表面凹凸的起伏高度变化符合高斯分布，均方根是H，则巷壁光滑和粗糙时无线电波的衰减表达式[2]是：

式中，λ是波长；L是无线电波的传输距离。由式可知粗糙造成的衰减随着波长的增大而增大。

巷壁倾斜和拐弯时无线电波的衰减表达式是：

由以上表达式可得图3。图3中的纵坐标表示无线电波在井下巷道传输过程中受折射、巷壁粗糙和巷道倾斜时的损耗之和，其中Z传输距离是100 m。由图3可知，巷壁光滑和巷道平直时，频率越高，无线电波的损耗越低，衰减越小；而巷壁粗糙和巷道倾斜时，恰好相反。在无线电波的频率比较高时，巷道出现垂直拐弯时的损耗非常高，接收到的信号很微弱[2-6]。

图3 频率与损耗的关系

因此，对于不同的作业环境、不同的传输距离，最合适无线电波传输的工作频率是不同的。根据比较工作频率在 500～3 000 MHz的范围里无线电波的损耗相对较小，传输效果较为理想。

2.3 井下无线电波干扰因素分析

鉴于井下特殊环境，无线电波在传输过程中会受煤岩尘、巷壁金属骨架、噪声等干扰，因此，有必要研究其对无线电波影响程度。

2.3.1 井下粉尘对无线电波的影响

井下巷道中的粉尘主要包括煤尘和岩尘。煤矿在生产、运输、巷道掘进及煤层采掘等过程中都会使井下巷道空气中产生大量的粉尘，尤其采煤工作面煤机工作时空气中粉尘含量更高。粉尘属于有耗介质，可以使巷道内的无线电波在传播过程中反射或散射，造成能量损耗[7]。

在煤矿井下巷道的空气中，悬浮的粉尘直径一般不超过10 mm[8-9]。井下粉尘的体积远远小于无线电波的波长和间距。井下巷道中的粉尘衰减了井下无线电波的能量。无线电波的频率或者巷道内粉尘浓度增大时，粉尘对无线电波的衰减增大。井下巷道的粉尘浓度在《煤矿安全规程》规定值以下，无线电波的传播过程中，能量损耗不明显，即衰减并不是很大。在煤岩尘尘浓度值特别小的巷道中，无线电波则是随着频率的增大，传播过程中造成的衰减在减小。因此，井下巷道中的粉尘浓度值直接影响粉尘对无线电波的衰减程度，粉尘浓度只要小于《煤矿安全规程》的规定值，无线电波的传播就基本不受粉尘的影响。

2.3.2 金属支架对无线电波的影响

在采煤工作面中，采煤机是在金属制的液压支架下面进行工作的，而且本文所采用的无线基站都是安装在支架间和巷道内的，所以有必要探讨金属对无线电波的影响。

天线发射出的无线电波在传播到物质表面时，电磁波在物质中遇到金属颗粒物质会被其散射，散射之后能量非常杂乱不集中。这会造成无线电波的损耗。

2.3.3 多经损耗

由无线电波传播特性可知，来自周围空间的反射会对接收到的无线电波的信号强度产生明显的影响。本课题中无线摄像仪安装在采煤工作面，且使用全向天线，网桥发射的无线电波很容易受到液压支架、顶板、煤壁、工作人员和煤机等物体的大量反射波的影响，因此接受到的总信号强度是来自多个路径上的许多信号的矢量之和。在许多情况下，采煤工作面内网桥之间没有直接的视距通路。信号可能会是衍射、散射、绕射和反射相互作用的结果[10-11]。从接收的角度来看，多经现象会造成信号强度变化、频率失真、时延拓展、衰落等。

2.3.4 噪声对无线电波的影响

基站接收到的信号中的各种干扰和各种电气设备所产生的电噪声，以及影响信号完好性、稳定性和可靠性的电噪音，通常由电机、变压器等电波辐射源设备引起[12]。尽可能使无线网桥远离电磁干扰源，就可以最大限度降低噪声对本系统的影响[13]。

鉴于无线电波的路径损耗和在井下的传输特性，研究了井下巷道对无线电波的各种干扰，得出工作频率在500～3 000 MHz的范围里无线电波衰减较小，结合对井下巷道各种客观条件的分析，井下无线通信装置系统的研究是可行的。

3 设计方案

无线通信和闭锁装置由手持机与基站利用无线媒介进行信息传输相互通信的工作方式。由手持机和下位机组成，其中手持机和下位机的功能模块包括：信号提示功能模块、电压检测功能模块、无线收发功能模块、抗干扰单元、人工操作按键和设备外壳。

3.1 手持机设计方案

手持机由现场操作人员随身携带，作为装置的移动部分，设置对讲按钮、闭锁按钮及拨号键盘，配合操作人员向基站发射命令及接收反馈信号，与基站实现无线对讲及接收功能。

当操作人员利用手持机按下闭锁按钮时，向基站发送闭锁命令。当基站接收到闭锁命令后启动闭锁电路，实现闭锁，并且闭锁按钮设有自锁功能；在指定的基站上安装解锁键。当操作人员利用手持机按下对讲按钮时，向基站发送对讲命令，基站接收来自手持机的语音信号，将收到的语音信号经过处理后送扩音电话进行广播。

3.2 基站设计方案

基站固定安装于工作面及顺槽，采用本安 DC18V供电。用于接收手持机发射命令，同时主动监听工作面的喊话内容，通过无线信号向手持机发送，配合手持机实现无线对讲。基站设置带自锁屏蔽按钮一个。当现场需要时，按下屏蔽按钮，本台基站停止工作。

基站的设计布置如图4所示：

图4 基站安装布置方案图

一般情况下，无线信号在地面空旷地区传输距离可超过 1 000 m，但由于受到井下工作面设备和煤岩体的屏蔽、电磁干扰，经井下多次测试，每台基站的无线信号传输距离在综采工作面约200 m，顺槽可超过600 m。以综采工作面长度240 m为例，暂定工作面机头、机尾各安装一台基站，设备列车集控台安装一台基站，三台基站的无线信号即可完全覆盖综采工作面。

图5 基站及定向天线实物图

3.3 工作原理

为避免无线基站和通信控制设备之间的电磁干扰，同时也为满足矿用产品之间信号互连的安标要求，信号转换装置的音频信号采用变压器进行隔离和耦合，原边副边耐压大于AC 1 500 V。

手持机触发基站的IO信号，进入本装置后采用光耦隔离避免电磁干扰，用三极管增加驱动能力，通过继电器控制通信控制设备的急停信号实现闭锁。具体如图6所示。

图6

本装置语音信号采用半双工设计，选用通信控制侧的语音信号作为切换开关的信号源。当该侧音频线没有语音信号时，输出给基站一个高电平；当该侧音频线有语音信号时，输出给基站一个低电平。基站通过判断该信号高低电平来处理是放音还是拾音。具体如图7所示。

图7

本装置中手持机发出音频信号和闭锁信号通过光电转换经光缆传输至下一台基站、音频信号通过信号处理传输给沿线的扩音电话或者其他手持机，而闭锁信号通过信号处理传输给集控台对三机进行急停闭锁，集控台设有解锁键。

在生产指挥时，主要由工作面跟班队长、班长、集控台电工以及采煤机司机持有手持机，具有紧急情况闭锁工作面设备的权限，同时手持机与手持机之间也可以进行无线通信。利用本装置提供的无线通信平台，操作人员可以在综采工作面任何一个地方实现无障碍沟通，方便操作人员在现场及时有效地进行信息交流。

图8 工作原理示意图

4 工程实践及结论

4.1 工程实践

纳林庙煤矿二号井作为内蒙古鄂尔多斯地区第一家采用国产成套设备，一次采全高6.3 m，具备年产600万吨的现代化矿井，是该地区综合机械化开采的示范工程，具有优越的地质资源和开采技术条件。但其综采工作面和主运顺槽的通信和闭锁系统也不完善。当操作人员在综采工作面和主运顺槽巡视时，需采用扩音电话同其他操作人员进行交流，按下扩音电话的送话按钮进行喊话，对方听到后需到达扩音电话处进行回话，或者当主运顺槽胶带输送机出现皮带严重跑偏、断带事故时需要及时打闭锁停机处理。目前井下的通信和闭锁操作采用的是就地操作，在工作面每隔15 m、主运顺槽每隔100 m各安装一台扩音电话和闭锁按钮。当操作人员需要喊话或对设备进行闭锁停机时，必须行至扩音电话和闭锁按钮处，才能进行必要的操作。受到现场设备安装位置、煤尘大和作业环境潮湿等因素制约，操作人员需要行走一段距离后才能到达扩音电话和闭锁按钮，如果设备损坏，操作人员不得不转到下一台设备进行操作。这种通话方式和闭锁操作效率非常低，处理时间的滞后，也必然会导致安全事故的进一步扩大。

无线通信和闭锁装置于 2017年 7月在该矿井6-2109综采工作面投入运行，试运行效果良好，综采工作面转载机处到设备列车范围内无线信号稳定覆盖，目前手持机主要由跟班队干和集控台电工使用。在综采工作面正常生产时，跟班队干可通过手持机给综采工作面喊话，或者直接通过手持机打电话给集控台电工传达指令；当出现运输机堵大块可用手持机第一时间急停运输机；当运输大部件时到达地点时只需一人按下手持机闭锁按钮即可停止运输机，取代原来的多人操作。集控台电工进行泵站加液或者巡视设备列车，泵站噪声大时，随身携带手持机可准确收听到工作面扩音电话传出的指令。

4.2 主要结论

（1）在综采工作面无线信号受到液压支架和煤岩体的屏蔽、煤尘、电磁波干扰的条件下，选取足够的、合适的通信距离和适当的无线电波频率，可实现井下无线通信。

（2）开发一套综采工作面无线通信和闭锁装置。该系统与现有有线通信装置配合使用，实现功能互补，提升工作面通信方式与效率，保证作业安全。同时提高了无线通信和闭锁装置的可靠性和易操作性，扩大了在综采工作面及顺槽的覆盖范围。

（3）对目前纳林庙二号井6-2109综采工作面现有的设备进行系统扩展，投资小，功能齐全，效果明显，为现场提供了及时有效的无线通信功能，对综采工作面各工种之间语音交流提供了非常便利的平台，方便了井下人员之间的信息沟通，同时也能让井下人员及时了解现场状况，采取有效的应对措施。

（4）本套装置的设计和使用填补国内空白，可申请专利，进行市场推广并投入大批量生产，市场前景广阔。

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