矿井通讯系统的研究

矿井通讯系统的研究煤炭行业是我国经济发展的支柱行业,煤矿安全亦是当今工作中的重点与难点。环境条件的制约导致通信不畅,是井下高危特点的主要原因。本课题针对这一情况,对井下通信技术进行研究。本论文是在国家以及行业标准基础上,并结合井下特殊条件进行分析与研究的。首先,将我国目前五种常用的现场通信技术进行对比分析,由于井下对通信距离、传输速度、通信可靠性以及实时性等特殊要求。结合我矿目前在安全救援时对通信系统的需求，我们主要研究与透地通信系统相关的通信技术。井下通信系统应具有防爆性、抗干扰性、电源本质安全性以及抗冲击、抗交变湿热等性能。本文针对这些要求,提出了能够有效加强通信质量的措施。一、矿井通信系统矿井通信系统又称矿井通信联络系统，是煤矿安全生产调度、安全避险和应急救援的重要工具。矿井通信系统包括矿用调度通信系统、矿井广播通信系统、矿井移动通信系统、矿井救灾通信系统。煤矿应装备矿用调度通信系统，积极推广应用矿井广播通信系统和矿井移动通信系统。救护队应装备矿井救灾通信系统。1.矿用调度通信系统矿用调度通信系统一般由矿用本质安全型防爆调度电话、矿用程控调度交换机（含安全栅）、调度台、电源和电缆等组成。矿用程控调度交换机（含安全栅）、调度台和电源设置在地面，矿用本质安全型防爆调度电话设置在煤矿井下。矿用调度通信系统除用于日常生产调度通信联络外，煤矿井下作业人员可通过通信系统汇报安全生产隐患、事故情况、人员情况等，并请求救援等。调度室值班人员及领导通过通信系统通知井下作业人员撤人、逃生路线等。矿用调度通信系统不需要煤矿井下供电，因此，系统抗灾变能力强。当井下发生瓦斯超限停电或故障停电时，不会影响系统正常工作。当发生顶板冒落、水灾、瓦斯爆炸等事故时，只要电话和电缆不被破坏，就可与地面通信联络。矿用调度通信系统抗灾变能力优于其它矿井通信系统。特别需要指出的是，矿用IP电话通信系统和矿井移动通信系统等均不得替代矿用调度通信系统。2.矿井广播通信系统矿井广播通信系统一般由地面广播录音及控制设备、井下防爆广播设备、防爆显示屏、电缆等组成。广播录音及控制设备设置在地面，防爆广播设备和防爆显示屏设置在井下。防爆广播设备和防爆显示屏功率较大，需井下供电。当井下发生瓦斯超限停电或故障停电时，会影响系统正常工作，因此，防爆广播设备和防爆显示屏应配有不小于2h的备用电源。行人巷道、采掘工作面等作业场所应设置广播扩音设备。当煤矿井下发生瓦斯超限、瓦斯爆炸、瓦斯突出、透水、火灾、顶板冒落等事故时，调度室可通过矿井广播通信系统，将事故类别、事故地点、逃生和撤离路线等通知井下作业人员。3.矿井移动通信系统矿井移动通信系统一般由矿用本质安全型防爆手机、矿用防爆基站、防爆电源（可与基站一体化，一般有维持基站正常工作2h的备用电源）、系统控制器、调度台、电缆（或光缆）等组成。系统控制器和调度台等设置在地面。矿用防爆基站和防爆电源设置在井下，矿用本质安全型防爆手机主要用于井下。当井下发生瓦斯超限停电或故障停电时，会影响系统正常工作。因此，严禁矿井移动通信系统替代矿用调度通信系统。但矿井移动通信系统具有通信及时和便捷的优点，特别适合煤矿井下移动的作业环境。因此，有条件的矿井，在装备矿用调度通信系统的条件下，应装备矿井移动通信系统。4.矿井救灾通信系统矿井救灾通信系统一般由矿用本质安全型防爆移动台、矿用防爆基站（含话机）、矿用防爆基站电源（可与基站一体化）、地面基站通信终端、电缆（或光缆）等组成。矿井救灾通信系统主要用于煤矿井下灾后救援。救护队应装备矿井救灾通信系统。5.矿用IP电话通信系统矿用IP电话通信系统一般由矿用本质安全型防爆IP电话、矿用防爆交换机、矿用防爆电源（一般有维持系统工作2h的备用电源，可与矿用防爆交换机一体化）、调度台、地面普通交换机、光缆等组成。调度台和地面普通交换机设置在地面。矿用本质安全型防爆IP电话和矿用防爆交换机设置在井下。当井下发生瓦斯超限停电或故障停电时，会影响系统正常工作。因此，严禁用矿用IP电话通信系统替代矿用调度通信系统。二、矿井移动通讯系统目前，我矿主要采取的是矿用调度通信系统和移动通信系统相结合的通讯方法。矿用调度通信系统是必须使用的，它不需要煤矿井下供电，系统抗灾变能力也比较强，当井下发生瓦斯超限停电或故障停电时，不会影响系统正常工作。当发生顶板冒落、水灾、瓦斯爆炸等事故时，只要电话和电缆不被破坏，就可与地面通信联络。但是会受到安装地点的限制，无法随时随地与地面保持联系。如果井下发生突发事故时，事故场所周围没有矿用电话，则无法保证与地面的正常通讯，将会严重影响到后续的救援工作，也并不是百分百的可靠。矿井移动通信系统主要是为解决在矿井中人员移动信息的传输和获取问题,以实现流动人员在任何地点和任何时刻都能与他们通信对象保持及时有效的联系。作为矿区通信技术的重要组成部分,与矿区的煤炭专用通信网和矿区地面通信网一起构成了煤矿专用通信系统。目前,我国矿井通信系统技术水平低、通信效果差、可靠性低、相互信息孤立并且防灾、抗灾能力差,通信技术水平严重滞后于煤矿安全生产的现实需要。因此,研究并设计全矿井移动通信系统对于促进数字化矿山建设,满足煤矿安全生产也具有十分重要的意义。我矿目前主要采用的是PHS(小灵通)矿井移动通信系统，该通信系统主要采用“基站+交换机”网络结构和PHS技术。该通信系统主要有调度台、调度交换主机、复用光端机、基站控制器、基站、基站天线、无线手机组成PHS矿井移动通信系统具有基站和手机发射功率低等优点。它支持多种新业务功能，具有完善的网管调度台功能，维护管理方便，方便实现与公网对接。在使用方面对于专网应用影响不大，但存在基站控制器和基站非本质安全性防爆、抗灾变能力差、传输距离短（井下分站至地面最大通信距离不满足井下通信10KM的要求）等问题。如果发生事故，通讯将会马上中断。且由于缺少规模化应用，需要考虑维修备件的供应。三、无线通讯的研究现在，国内外矿井无线通信方式主要有透地、感应、漏泄、PHS（小灵通）、CDMA通信等。本论文根据我矿的实际操作情况，主要讨论一下感应通讯系统的应用。3.1透地通信系统矿山用无线电透地通信系统主要第大地为电磁波传播媒质，包括：发射组件，用于根据数字编码生成低频摸拟信号，并对所述低频摸拟信号进行输入、发射；接收组件，用于接收由所述发射组件所发出的低频摸拟信号，将其转换成对应的数字信号，在对所述数字信号进行处理后加以显示；救援接收组件，用于接收所述接收组件所发出的SOS信号其中，所述低频摸拟信号为超长波信号。本发明所述矿山用无线电透地通信系统可瞬间实现无线电信号穿透岩层、煤层，将与矿井安全的有关信息传送到井下深达1000米的任何区位工作面。在井下无电缆、无基站，不受矿井下供电系统的限制，即使在井下断电的情况下，系统仍正常工作，是一个集预警、指挥、呼叫、救援功能为一体的矿山安全无线透地通信系统。但是透地通信系统存在信道容量小、单向通信、电磁干扰大、施工难度大等缺点。以我国目前各个矿井的条件来说还无法进行全面科学的实施。3.2感应通信的原理及特点在延伸较长、结构复杂的民用与军事地下建筑中，在各种隧道及矿井地下道中，以及类似的场合，实验和理论都证明无线电从几十千赫到几百兆赫很难传播超过数百米的距离。而在拐弯的道中传播距离更短，即不存在和地面相类似的上述地下场合中的移动通信。但是当道中存在着金属导体（导线）时，情况会发生很大的变化，某些波段的无线电信号可以传播较远的距离（达数公里以上），这种无线电信号借助于沿线导体的诱导传播完成的通信称为感应通信。感应通信可应用于矿业地下道及工作面等环境中的移动通信。这种移动通信不是完全的无线电通信，而是半有线半无线方式的移动通信。其在矿山地下道中的系统结构如图2所示，图中假设地下中央广场有四个方向的道延伸，每个方向有一专用的感应通信基站与感应线直接联接，感应线向道中延伸。沿途有若干移动手机，基站与交换机相联接，完成各手机用户间的转接；交换机具有与地下通信网的汇接功能。由于感应通信系统可以借助矿原有电话线、信号线等，所以若利用我矿现在已有的皮带巷道或已有的导线作为传输导体，可以省去架设专用的感应线。同时利用无线电波感应场引导电磁波传输，往往频率选择在中低频（300~3000KHZ），中频信号在一定程度上可以穿透煤层和岩层传播。主要可用于井下救援局部范围通信。感应通信沿道（或一定的区域）设绝缘导线；当道中导线（称为感应线）附近的发射机发射天线电信号时，发射机天线的信号可以感应到感应线上，产生感应电流。该电流在感应周围产生信号场强，沿途的天线接收机天线可因感应而接收信号，经放大和处理，获得发射机发出的信息，完成通信过程，这就是感应通信的原理。在感应通信中，工作频率越低，传输损耗越小，耦合损耗越大；工作频率越高，传输损耗越大、耦合损耗越小。实际证明有利于感应通信的工作频率为50khz~500khz。感应线一般是直径1mm~2mm的绝缘导线，距壁15cm~25cm，平行于道设；感应线可以是单线（一根导线）方式与大地构成回路；也可以采用双导线自成回路方式。感应通信具有结构简单、易实现、投资少、见效快的优点，特别是在紧急情况下，可在未布线的空间，依靠其它导体作为媒介，也可在线路间断情况下完成通信；感应通信的主要缺点是工作频率低容量较小且易受干扰。四、总结以我矿目前的各方面水平而言，小灵通和矿用调度电话的结合应用基本上可以保证正常通信。但是一旦遇到紧急情况，如：冲击地压造成小范围掩埋无法与外界联系时，感应通信系统将能在这紧急时刻补充这一缺口，能保证事故场所内的人员与外界取得联系，以确保将所有的事故人员安全解救。