一
研究背景
5G，UWB，ZigBee，WiFi6等矿井移动通信、人员及车辆定位、无线传输等技术在煤矿井下应用，促进了煤矿安全生产和煤矿智能化建设。然而受电气防爆的限制，煤矿井下无线发射功率不大于6 W，制约着矿井无线传输距离，增加了基站用量和系统成本，不便于系统使用和维护。在无线发射功率受电气防爆限制的条件下，选择传输衰减较小的无线工作频段，可有效提高无线传输距离，减小基站用量和系统成本。受煤矿井下电气防爆等限制，通过理论分析和计算机仿真等研究矿井无线传输衰减较多，煤矿井下现场测试较少，未见有700 MHz～6 GHz较大频率范围煤矿井下无线传输衰减测试报告，难以满足矿井无线传输工作频段选择与优化的需求。
二
研究内容
1、 测试方法
笔者所在项目组于2023年2月在国家能源集团国神公司三道沟煤矿的辅助运输大巷和综采工作面分别进行了700 MHz～6 GHz频段的无线传输测试。在发射端将便携式射频信号发生器固定在高1.6 m的可伸缩三脚支架上，用0.3 m SMA射频馈线将对数周期天线与便携式射频信号发生器相连，并用数据线将便携式射频信号发生器与笔记本电脑相连，通过笔记本电脑上的Aaronia AG-HF Generator软件控制便携式射频信号发生器的发射频率和发射功率。在接收端用1 m SMA射频馈线将对数周期天线与便携式实时频谱分析仪相连，并用数据线将便携式实时频谱分析仪与笔记本电脑相连，通过笔记本电脑上的Aaronia RTSA-Suite PRO软件实时记录接收功率测量值。将发射端设备固定不动，收发天线水平对齐，并水平直线移动接收端设备，即可测得井下不同距离下的无线传输接收功率。
2、 测试结果
① 辅助运输大巷无线传输衰减及最佳无线传输工作频段
发射端设备固定不动，发射天线在辅助运输大巷中间（到两侧巷帮距离相等），高度距辅助运输大巷地面1.6 m，发射功率设定为+18 dBm。接收天线在辅助运输大巷中间（到两侧巷帮距离相等），高度距辅助运输大巷底板1.6 m，与发射天线水平对齐。不断增加接收天线和设备（以下简称接收天线）与发射天线和设备（以下简称发射天线）之间的轴向距离，频谱分析仪实时测量接收功率，直到收发天线相距540 m。由于接收功率测量值受射频馈线损耗、天线增益、发射功率和接收灵敏度等影响，所以需要对接收功率测量值进行校准。为减少多径效应的影响，对收发天线每间隔10 m的无线传输衰减数据取1次平均值，得到辅助运输大巷不同频率无线传输衰减，并绘制成曲线，如下图所示。
为便于分析，对辅助运输大巷540 m内无线传输衰减数据取平均，并绘制成曲线，如下图所示。
可看出：在700 MHz～6 GHz频段内，辅助运输大巷无线传输衰减总体上呈现出随频率增大而增大的趋势；在700～910 MHz频段内，辅助运输大巷无线传输平均衰减最小值为58.17 dB（对应700 MHz）、最大值为58.97 dB（对应910 MHz），相差仅为0.8 dB，可见该频段的无线传输平均衰减最小。因此，辅助运输大巷无线传输的最佳工作频段应为700～910 MHz。
② 综采工作面无线传输衰减及最佳无线传输工作频段
发射天线固定在2个液压支架的立柱中间，与左侧液压支架立柱底部的距离为1.3 m，与右侧煤壁的距离为2.7 m，发射天线距综采工作面底部为1.6 m，发射功率设定为+18 dBm。接收天线与发射天线水平对齐，与左侧液压支架立柱底部的距离为1.3 m，与右侧煤壁的距离为2.7 m，接收天线距综采工作面底板1.6 m。不断增加接收天线与发射天线之间的轴向距离，频谱分析仪实时测量接收功率，直到收发天线相距210 m。由于接收功率测量值受射频馈线损耗、天线增益、发射功率和接收灵敏度等影响，所以需要对接收功率测量值进行校准。为减少多径效应的影响，对收发天线每间隔10 m的无线传输衰减数据取1次平均值，得到综采工作面不同频率无线传输衰减，并绘制成曲线，如下图所示。
为便于分析，对综采工作面210 m内的无线传输衰减数据取平均，并绘制成曲线，如下图所示。
可看出：在700 MHz～6 GHz频段内，随着频率增大，综采工作面无线传输平均衰减大体上呈现出先增大后减小再增大的趋势。综采工作面一侧为金属液压支架，液压支架后面为采空区，综采工作面另一侧为煤壁，中间是采煤机和刮板输送机等大型机电设备，无线传输多径效应十分严重。因此，应选择平均衰减最小值对应频点附近的频率范围作为综采工作面无线传输的最佳工作频段。在700 MHz～6 GHz频段内，综采工作面无线传输平均衰减最小值为67.28 dB（对应1 500 MHz），700 MHz的无线传输平均衰减与其相近，为69.86 dB，相差仅为2.58 dB；在700～1 500 MHz频段内，综采工作面无线传输平均衰减最大值为72.28 dB（对应910 MHz）；在1 500～1 770 MHz频段内，综采工作面无线传输平均衰减随频率增大而增大，在1 500～1 770 MHz频段内取与无线传输平均衰减为72.28 dB对应的频点（1 710 MHz）作为最佳工作频段的上限。因此，综采工作面无线传输的最佳工作频段应为700～1 710 MHz。
③ 辅助运输大巷与综采工作面无线传输衰减对比及矿井最佳无线传输工作频段
辅助运输大巷和综采工作面210 m内不同频率无线传输平均衰减和衰减差值如下图所示。可看出：在700 MHz～6 GHz频段内，辅助运输大巷210 m内平均衰减均比综采工作面210 m内平均衰减小，即辅助运输大巷无线传输衰减比综采工作面无线传输衰减小；随着频率增大，辅助运输大巷与综采工作面无线传输衰减的差值变小。
通过现场测试和分析可得，综采工作面无线传输衰减大于辅助运输大巷，综采工作面无线传输的最佳工作频段为700～1 710 MHz，辅助运输大巷无线传输的最佳工作频段为700～910 MHz，因此，矿井无线传输的最佳工作频段应为700～1 710 MHz。
引用格式
孙继平，梁伟锋，彭铭，等.煤矿井下无线传输衰减分析测试与最佳工作频段研究[J].工矿自动化，2023，49（4）：1-8.
SUN Jiping, LIANG Weifeng, PENG Ming, et al. Analysis and testing of wireless transmission attenuation in coal mine underground and research on the optimal operating frequency band[J]. Journal of Mine Automation，2023，49（4）：1-8.
作者联系方式
孙继平（1958—），男，山西翼城人，教授，博士，博士研究生导师，中国矿业大学（北京）原副校长；获国家科技进步奖和技术发明奖二等奖4项（第1完成人3项）；作为第1完成人获省部级科技进步特等奖和一等奖8项；作为第１完成人主持制定中华人民共和国煤炭行业、安全生产行业和能源行业标准38项；作为第１发明人获国家授权发明专利100余件；主持制定《煤矿安全规程》第十一章“监控与通信”；作为第1作者或独立完成著作12部；被SCI和EI检索的第1作者或独立完成论文90余篇；作为国务院煤矿事故调查专家组组长参加了10起煤矿特别重大事故调查工作；E-mail:sjp@cumtb.edu.cn。
扫码阅读全文
信息提供：李明 图文编辑：张聚
审核：王晖
联系客服
