煤矿井下通信系统的研究

论文导读：目前，随着煤矿机械化、自动化程度的不断提高，通信技术在煤矿生产中的地位显得越来越重要，已成为煤矿实现科学管理、提高劳动生产率、防止事故灾害、降低百万吨死亡率的必要手段。煤矿通信系统可分为地面通信和井下通信两大部分。但是，煤矿井下通信由于受通信设备技术、特殊环境条件等问题的制约,还存在许多问题。
关键词：矿井，通信技术，通信系统

　　1 引言
　　目前，随着煤矿机械化、自动化程度的不断提高，通信技术在煤矿生产中的地位显得越来越重要，已成为煤矿实现科学管理、提高劳动生产率、防止事故灾害、降低百万吨死亡率的必要手段。煤矿通信系统可分为地面通信和井下通信两大部分。论文参考。近几年来地面通信得到迅猛发展，设备、容量、技术不断更新，逐步实现了数字化、程控化,通信的可靠性和稳定性也逐渐提高，地面通信正在向集语音、图像和数据传输“三合一”的综合信息网方向发展。但是，煤矿井下通信由于受通信设备技术、特殊环境条件等问题的制约,还存在许多问题。因此,建立一个畅通、灵活、可靠的井下通信系统是现代化煤矿建设的首要任务之一。
　　2 煤矿井下通信的特点
　　在煤矿通信的现代化进程中，井下通信作为重要的生产要素之一早已渗透在安全生产的每一个环节当中，特别是在生产指挥调度和安全的信息交流方面，都起着举足轻重的作用。煤矿井下通信系统由于其环境的特殊性,具有较强的煤矿专业特征。
　　2.1 通信设备设计及制造方面的特点：
　　(1)井下通信设备必须具备本质安全性或防爆性，以适合在含爆炸性气体的场合使用。所谓本质安全性是指正常工作或故障状态下装置产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物。这就要求在电路设计时，对功率分配、元器件选择，包括制作工艺保护措施都要做出特殊的考虑，不能直接照搬电信系统的设备或标准。
　　(2)设备必须体积小巧，质量轻，外壳必须具备防潮、防尘、防机械冲击的能力。这是因为井下工作人员劳动强度大，井下巷道特别是工作面空间窄小，负重行动不太方便，而且生产岗位经常变动，流动性较大，因此要求设备必须便于携带和使用。
　　2.2 通信设备功能上的特点：
　　(1)通信系统对生产调度人员必须提供较高的优先权，可实现选呼、群呼、强插、强拆、录音、扩音等功能，以便使指挥人员能畅通、无阻塞地呼叫任何终端。
　　(2)在重要通信点上应具备紧急呼叫和双向报警功能，以提高对事故灾害的应变能力。
　　(3)随着煤矿井下安全生产及井下人员定位系统发展的需要，井下设备应当具有较强的移动通信功能，而矿井巷道为非自由空间，无线电波在井下巷道的传输受到根本性制约。所以应当研制功能更强的设备应用于煤矿井下的移动通信。
　　2.3 通信设备性能上的特点：
　　(1)井下通信设备是在信道条件较差的情况下工作，与地面通信有着较大的区别，地面通信设备的设计制造是以比较确切的信道参数为依据的。而由于井下环境较差，潮湿、粉尘严重，且在狭小的巷道空间内布有铁道、管道、支架、电缆等金属构件，所以，无论是专用信道还是借用信道,其特性都会受到较大的影响，使信道特性变坏或不稳定。
　　(2)井下用电设备配置量大，启动频繁，对信道形成的电气干扰的噪声频谱宽、电平高。这些都对井下通信设备的运行构成较大的影响。这就要求运行于井下的通信设备在性能上必须能适应较差的信道条件和较强的干扰。
　　3 煤矿井下通信技术
　　建立功能完善的井下通信系统对于提高自动化程度、劳动生产率、加强安全防护等方面都有着非常重要的意义。井下通信作为现代煤矿通信技术的重要组成部分,现在亟待开发、研究、完善和提高。目前,井下通信技术主要有以下几种。
　　3.1 载波通信技术：
　　载波通信是煤矿应用较早的一种通信方式，在语音、控制及信号监测方面都有应用。架线机车动力载波通信系统是煤矿早期实现电机车移动调度通信的主要手段，目前仍有一部分矿井在继续使用。由于矿井载波通信的借用信道多数是动力电缆或机车的架线等，这些信道分支多，线路上设备起动频繁，造成信道参数随时间和地点的变化很大，因而通信质量不理想。目前载波通信系统在传输距离、通话清晰度、抗干扰性能等方面和感应通信及漏泄通信技术相比有较大差距，将逐步被替代。但在一些特定的工作环境，比如采煤机的动力载波监测等应用场合，采用动力线作为监控装置的载波信道仍有其实用价值。论文参考。
　　3.2 漏泄通信技术：
　　是利用表面开孔的同轴电缆(漏泄电缆)在巷道中起到长天线的作用，实现移动电台之间或与基站之间的可逆耦合，已获得较好的通信质量。采用漏泄电缆实现井下巷道内无线电波的传输是一种比较理想的方法。漏泄通信技术不仅应用在矿井中，而且应用于公路、铁路隧道、地铁及地下停车场等场合，在国内外受到普遍的重视。其缺点是系统造价昂贵，又需敷设专用传输线，且信号接收局限在离导线30m以内，传输线架设和维护需花一定代价。
　　3.3 感应通信技术：
　　就是利用普通的金属导体，如电线、电缆、钢轨等，与移动电台之间的电磁感应，静电耦合的一种通信方式。它似乎像有线电，又有点像无线电，美其名曰“感应无线电”。通信与普通电台的通信过程十分相似。感应通信系统具有系统组成简单、价格较低、感应线敷设简便(甚至可以用金属管道作为感应线)、无需中继器等优点,是煤矿井下比较受欢迎的一种移动通信方式。它能以较小的发射功率实现较长距离的通信，能同时实现几个方向通信。感应通信系统为减小传输衰减,选择的传输频率较低(一般在2MHz以下)。而煤矿井下在低频段的电磁噪声较大,所以感应电话通话质量在有些矿井不理想，噪声较大。另外，感应线离巷道壁太近时，形成电磁场空间分布的不均匀，引起较大的损耗，影响传输距离。
　　3.4 井下光纤通信技术：
　　国际上实用的光纤通信系统是1970年以后才发展起来的。由于光纤通信容量大、中继距离远、防爆性能好、抗干扰能力强，使光纤通信技术及其应用发展很快。1991年我国第一套井下光缆通信系统KT1系统研制成功，成功地解决了井下光缆的接续技术和井下光通信的若干技术难题，填补了井下光通信产品的空白。目前煤矿井下的光纤通信技术已经在许多领域发挥作用。除传统的语音通信外，光纤是监测监控系统中理想的高速信道。光纤通信的低损耗无中继传输优点使光纤工业电视系统成为井下工业电视系统的主导产品。光纤通信技术是一门新兴的正在不断发展的技术。就目前的井下光纤通信系统而言,光通信的许多优越性还有待进一步发挥。光纤通信在煤矿井下通信系统中的地位将会有更大的提高。
　　 　　3.5 井下PHS通信技术：
　　PHS是日本开发的网络系统，日本人称之为“个人手持电话系统”（英文缩写PHS，就是我们常说到的个人无绳市话系统），于1995年7月开通运营。PHS井下通信技术与目前应用于井下的其他无线通信系统（包括井下泄漏通信）有完全不同的设计理念。其技术来源于成熟的公众移动通信技术，即PHS系统。经过一定的技术改造后把它移植于煤矿井下，是对传统井下无线通信的突破，有传统井下无线通信不可比拟的技术优势。该系统在现代公众无线通信的高技术平台上开发，系统中各种设备与传统煤田井下通信设备相比有较高的可靠性和性价比，并能够得到生产厂商的长久支持。PHS通信系统作为一个无线传输平台，具有较强的扩展性，平台上可实现高速数据业务、人员定位信息的传送等，为系统的应用提供更大的空间。可同时为煤矿井上、井下提供无线通信服务，在煤矿形成一整套覆盖井上、井下立体的无线移动通讯及生产调度系统。
　　3.6 蓝牙通信技术：
　　是一种短距离的无线数据与语音通信的开放性全球技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。使用国际上无需授权的2.4GHz的 ISM 频段，采用了跳频方式来扩展频谱分成79个无线信道。从目前的应用来看，由于蓝牙芯片体积小、功率低、接口标准、成本低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的井下移动设备和便携设备。论文参考。在井下通信时具有很好的抗干扰能力。
　　 除了以上的井下通信技术以外，在实际应用中根据情况还可以采用扩频技术、复用多址技术等技术来提高井下通信的可靠性及安全性。
　　4　结语
　　煤矿通信技术正在进入一个新的飞速发展时期，计算机技术、微电子技术的不断突破给这一领域注入了新的活力。地面通信正在向数字化、综合化方向发展，实现语音、数据、图像的综合传输,并且和计算机技术、网络技术、光纤通信技术相结合,构成新型的地面综合调度通信系统。井下通信将进一步应用先进的通信技术，最终构成有线和无线相结合、电缆与光缆相结合、固定和移动相结合、灵活方便、大容量、多信道、多功能的全矿井移动通信网络。展望未来几年,煤矿通信系统将伴随着现代科学技术的飞速发展在许多重要方面有所突破,从而给煤矿通信的面貌带来更大的改变。