井下无线人员定位搜救系统最佳工作频率研究

利用标准信号发生器(或便携式信号源)与频谱分析仪(或便携式接收机)在矿山的实地试验,研究了UHF波段无线信号在矿山的截止频率特性、电波传播衰减特性、弯曲巷道传播特性和煤掩穿透特性,得到了433MHz、915MHz和2.4GHz无线射频信号矿山传输特性和煤掩穿透特性的定量数据。根据试验研究得到如下结论:无线电波在矿山传播必须大于矿山截止频率,截止频率在甚高频(VHF)频带50 MHz左右;在平直巷道中,频率越高越有利于电磁波的传播;在弯曲巷道中,频率越高越不利于电磁波的传播;频率升高,射频信号的绕射性能、穿透性能降低。从上述结论可以得出2.4GHz的人员定位系统信号覆盖性能要优于433MHz;而用于搜救系统的无线射频卡(RFID),采用433MHz更能发挥作用。     

电导率σ对圆形巷道中电磁波传播的影响

研究了电导率σ在煤矿圆形巷道中对电磁波传播的影响，并得出：在圆形巷道中，由于电导率σ的存在，使得圆形巷道波模的衰减随着频率的增加而单调增大，但是TE01波模的衰减却是随频率增加而单调下降，因此，TE01波模更适合在圆形巷道中传播。     

空拱形巷道中电磁波的传输特性

拱形巷道是煤矿井下最常见的一种巷道。分析了电磁波在空拱形巷道中的传输特性。运用波导理论并结合数值计算法推导出巷道内电磁波的衰减率计算公式。对传输频率、巷道横截面以及围岩介质电参数对电磁波传输衰减率的影响进行了仿真。结果表明,在300～3000MHz特高频段,工作频率越高衰减越小;巷道横截面积越大衰减率越小;围岩介质的相对介电常数越大,衰减越大,且介电常数的变化对垂直极化波的影响大于水平极化波;围岩介质的电导率对衰减的影响不大,可忽略不计。     

空拱形巷道中电磁波的传输特性

分析了电磁波在空拱形巷道中的传输特性。运用波导理论并结合数值计算法推导出巷道内的衰减率计算公式。对传输频率、巷道横截面以及围岩介质电参数对电磁波传输衰减率的影响做了软件仿真。结果表明:在300～3000MHz特高频段,工作频率越高衰减越小,巷道横截面积越大衰减率越小,围岩介质的相对介电常数越大,衰减越大,且介电常数的变化对垂直极化波的影响大于水平极化波,围岩介质的电导率对衰减的影响不大,可忽略不计。     

空拱形巷道中电磁波的传输特性

分析了电磁波在空拱形巷道中的传输特性。运用波导理论并结合数值计算法推导出巷道内的衰减率计算公式。对传输频率、巷道横截面以及围岩介质电参数对电磁波传输衰减率的影响做了软件仿真。结果表明:在300～3000MHz特高频段,工作频率越高衰减越小,巷道横截面积越大衰减率越小,围岩介质的相对介电常数越大,衰减越大,且介电常数的变化对垂直极化波的影响大于水平极化波,围岩介质的电导率对衰减的影响不大,可忽略不计。     

井下无线信号传输特性的分析

分析了矿井的巷道结构,无线电波在矿井中传播所遵循的帐篷定律,巷道中收发天线所处的位置,煤层与巷道支护材料电特性及粉尘水汽雾滴的电磁散射特性,同时,分析了无线信号传输过程中的时延、衰落和损耗,并结合电磁波折射理论,就不同频率及不同极化方式的电磁波,在矿井中的传播特性进行了综合的研究分析发现,电波频率越高,损耗越大,水平极化的电波损耗要小于垂直极化的电波损耗,矿井中收发天线放置在与巷道壁一定距离的中上部位置为最佳。     

煤矿巷道中粉尘对电磁波传播特性的影响

针对煤矿巷道中粉尘对电磁波传播的影响进行了理论上的研究,推导出电磁波传输衰减的损耗公式.研究表明,由于粉尘的存在,随着传播电磁波频率的增加,衰减在增大,当粉尘浓度为4.35 ×109个/m3时,在1 GHz时的衰减为5 dB/hm,在10 GHz时的衰减约为47 dB/hm.随着粉尘浓度的增大,衰减在增大,当发射频率为1 GHz时,在5×1010个/m3的浓度时,衰减为54 dB/hm.巷道中粉尘的浓度决定了传播电磁波衰减的大小,在国家规定的粉尘浓度以下,对电磁波的衰减值小于5 dB/hm.     

巷道中电磁波传播衰减影响因素研究

水汽、粉尘及湿润的巷道壁均会衰减巷道内电磁波的传播。水汽的影响在频率不太高时可忽略;巷道壁潮湿的影响显著,且与电磁波的频率和模式有关。粉尘使电磁波的衰减随频率的增加而增加。     

高河矿井回风巷道通信射频传输特性及最优频率分析

为了能够最大限度地保障回风巷道作业人员生命安全,根据高河矿井下回风巷道实际情况,采用无线射频通信技术实现安全生产调度与回风巷道作业人员的实时通信,主要对无线通信系统中射频频率在回风巷道中传播特性进行研究,共分析了433 MHz,915 MHz,2. 4 GHz射频信号,结果表明,3种频率均大于巷道截止频率,都满足回风巷道通信需求; 2. 4 GHz频率最大,衰减常数最小,回风巷道截面尺寸相对于波长最大,电磁波传播衰减最小。井下实际通信数据测试表明,基于2. 4 GHz射频频率的通信系统能够满足井下回风巷道调度通信实际需求,实现了实时通信,大大提升了高河矿整体安全管理水平。     

矿井不同位置信源无线电波传播特性研究

为了研究信源处于矿井不同位置时对电磁波传播特性的影响,基于矩形隧道传播模型分析了不同极化方式电磁波的衰减特性的近似解。在理论分析的基础上对1个模拟矩形矿井的不同信源位置的传播特性进行了仿真,根据结果可知在矿井宽度大于高度的情况下,对于任意位置的信源,其水平极化电磁波传播的衰减率始终大于垂直极化电磁波,在距离发射源30~50 m内电波的衰减相对较快,然后逐渐趋于平缓。当信号源越靠近矿井壁,传播模式越复杂,衰减率越大,而在矿井中央,电磁波的衰减率最小,上述结论为矿井无线救援通信技术提供了理论支持。     

巷道内粉尘对特高频电磁波传播特性的影响

根据瑞利散射规律分析了粉尘和雾滴对电磁波传输的衰减特性.研究表明：电磁波的传输衰减与粉尘颗粒的大小和分布无关；衰减随着电磁波的频率升高以及粉尘浓度、雾滴含水量的增大而增大；粉尘颗粒的形状和空间取向决定交叉极化分辨率的大小，分辨率越高，不同极化波之间的相互干扰就越大.但电磁波在特高频频段时，在限定的浓度范围内，粉尘颗粒在各个方面对电磁波传输的衰减都很小，与巷道内其它因素引起的衰减相比是非常小的.     

煤矿巷道中运输机车对电磁波截止频率的影响

在空巷道中电磁波存在着截止频率，机车的存在改变了巷道的截面形状和尺寸，从而对电磁波的截止频率有一定的影响。将巷道看作波导，利用有限元法，分析了矩形巷道，半圆拱形巷道以及圆形巷道中机车高度对电磁波截止频率的影响。     

煤矿井下有限空间无线信道特性研究

为了研究煤矿井下无线电波在信道内的传播特性及影响,基于矩形隧道传播模型分析了不同极化方式下电磁波的衰减特性的近似解。在理论分析的基础上对一个模拟矩形矿井巷道内电磁波的衰减特性进行了仿真。根据结果可知,随着巷道距离的增加电磁波存在严重的快衰落现象。在近距离处场强的增幅很大,变化趋势很大,随着距离的增加,场强衰减变缓。这些结论为矿井无线救援通信技术提供了理论支持。     

太赫兹波穿透煤层的衰减特性

研究了煤层对太赫兹前端频率附近的电磁波(75~750 GHz)的衰减特性,经过测量太赫兹前端频率附近的电磁波垂直入射煤层前后的能量,并通过理论公式计算得到同一煤层对75~750 GHz频率范围的电磁波衰减值以及不同湿度、不同地区煤层对W频段（75~110 GHz）电磁波的衰减值。研究结果表明,同一煤层对不同频率的电磁波的衰减为5.02~43.49 dB/cm;不同湿度情况下煤层对110 GHz电磁波（W频段内）的衰减为5.88~47.65 dB/cm。频率越高或者是煤含水量越大,煤层对电磁波的衰减值就越大;同时也得知了不同地区煤层的衰减也存在着差异。     

矿井圆形隧道中电磁波传播特性分析

针对矿井隧道非常复杂的电磁波传播环境,分析了矿井圆形隧道中电磁波传播特性,给出了圆形隧道中波模方程近似求解方法,得到圆形隧道中各类波模衰减常数的近似表达式,并对计算结果进行了数值模拟.模拟仿真结果表明:隧道内电磁波传播的截止频率只取决于圆形隧道截面半径,而与其他因素无关,且随着圆形隧道截面半径的增大,不管是TE波模还是TM波模,截止频率都会降低,更有利于电磁波的传播;频率较高的TEo1波模最适合在圆形矿井圆形隧道中传播.     

震动波在煤岩介质中传播特性的模拟研究

利用FLAC3D数值模拟软件的Dynamic模块,将井下实测的一次冲击矿压信号作为震源,模拟研究了冲击震动波在不同煤岩介质中的传播特性,取得了如下主要结论：① 震动波在煤岩层中的衰减与传播距离呈乘幂关系,且垂直方向的衰减指数要大于水平方向的衰减指数。② 弱岩层结构对震动波的传播起到了很好的能量衰减作用,岩性越弱,厚度越大,震动波的衰减越显著。③ 弱岩层结构距离巷道顶板越近,对震动波的衰减效果越明显。此外,通过现场工程实践验证了震动波在弱岩层结构中传播的衰减效应。     

梯形巷道中电磁波传播的等效分析方法

梯形巷道中电磁波的传播性质很难用理论方法进行研究。采用等效分析方法，比较了利用矩形巷道和圆形巷道的最低衰减模式等效梯形巷道中的最低衰减模式的结果。结果表明，使用等下底等截面积的矩形巷道的最低衰减模式等效梯形巷道的最低衰减模式的方法是可行的。     

巷道截面变化对突出冲击波传播的影响

为了分析巷道截面积变化对煤与瓦斯突出冲击波传播的影响,首先利用流体力学、空气动力学理论建立了突出冲击波在变截面巷道中传播的数学模型,理论分析得出了冲击波衰减与截面积变化率之间的变化规律;其次构建了变截面巷道冲击波传播的实验系统,研究了冲击波在变截面巷道中传播规律,实验研究表明突出冲击波由大截面巷道传到小截面巷道时,冲击波超压变大,波阵面的单位能量是增大的;然后建立了冲击波在变截面巷道中传播的数值计算模型,数值计算结果表明冲击波初始超压越大,冲击波衰减越快,且巷道截面积变化率越大,冲击波衰减系数也越大;最后通过对比分析,表明理论分析、实验研究以及数值计算的结果是一致的。     

地震波在巷道弹塑性围岩中传播规律的数值模拟研究

基于有限元动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟了地震波在具有初始应力情况下的巷道弹塑性围岩介质中的传播过程,分析了该条件下地震波在巷道周边的传播衰减规律。研究结果表明：随着传播距离的增加,地震波传播呈负指数函数关系衰减;地震波加速度幅值在近源场衰减速度快,远源场衰减减缓;当巷道正前方发生挠动时,随着离巷帮的距离越远,地震波加速度幅值越小;巷道围岩的弹、塑性应力状态也是影响地震波传播过程的一个重要因素,在弹塑性围岩介质中传播时,地震波能量的损耗主要是由于波形的几何扩展和介质的塑性变形引起的。     

类矩形矿井巷道中UHF宽带电磁波统计信道建模

从信道统计建模的角度,对类矩形矿井巷道中UHF频段宽带电磁波大尺度传播损耗和小尺度多径信号统计特性进行了分析,建立了基于Nakagami分布的类矩形巷道宽带统计分段信道模型．利用所建立的信道模型,对900,1 800,2 400 MHz这3个典型UHF频段电磁波在类矩形巷道中的宽带信道统计特性进行了仿真．结果表明,在相同的传输距离下,载波频率增加,大尺度传播损耗增大,且在巷道弯曲或分支处大尺度传播损耗显著增大;参照收发信机在巷道中的相对位置以及载波频率的不同,小尺度多径延迟扩展可能表现出不同的变化特性．