0 引言
由于井下环境随着开采层的推进而变化，不同矿区有不同的巷道结构，所以井下主要采用无线通信方式[1-2]。无线通信技术包括无线局域网、无线射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)、ZigBee、超宽带(Ultra Wideband，UWB)及蓝牙等，这些技术在地面环境中的应用已非常成熟，但在封闭、潮湿、煤尘浓度很高的井下应用存在一定局限性[3-5]。掌握井下环境参数对无线通信能力的影响是合理安排节点距离分布、设置安全工作条件等的重要技术支撑。
井下环境参数对无线通信的影响实际上是对电磁波传输的影响，影响因素包括巷道尺寸及结构、巷道中煤尘浓度及粒子直径、空气湿度等[6-7]。由于巷道两壁一般为非平面，形状不规则，所以巷道尺寸参数主要取直径[8]。巷道直径非常容易获得，并且是固定参数，因此，在井下实时监测与通信中，影响电磁波传输距离及稳定性的主要是煤尘浓度和空气湿度[9-11]。本文主要对这2个参数进行建模分析，通过测试量化分析参数变化对通信距离及稳定性的影响规律，为保障井下有效通信提供技术支持。
1 煤尘浓度和湿度对电磁波传输的影响分析
1.1 煤尘影响分析
煤尘主要影响电磁波的吸收与散射，使巷道中传输的无线电波受到干扰[12]。本文重点讨论基于RFID技术的无线通信效果，在井下常用的特高频(Ultra High Frequency，UHF)波段[13]完成通信，井下煤尘粒径在0.2～10.0 μm内，故煤尘粒径l远小于波长λ，符合瑞利散射条件。散射函数为
(1)
式中：Hφ为时间变量的矢量函数；Eθ和Er为极坐标条件下的空间坐标矢量函数；C1和C2为常系数，C2=4C1；θ为极坐标的旋转角；Z0为电磁波阻抗；k为波数，k=2π/λ。
井下无线传输距离一般为十几米到几十米，可认为属于远场范围。设环境介电常数为ε，则有
(2)
将Poynting矢量SP在[0，π]内积分，可求得煤尘颗粒的散射功率P：
(3)
式中δ为煤尘颗粒的总衰减截面。
在井下无线通信过程中，巷道截面积变化不大，设为A，则煤尘颗粒的散射截面和吸收截面可表示为
(4)
式中L=1 m。
煤尘颗粒的总衰减截面为
δ=δs+δx
(5)
设煤尘浓度为c，则单位体积(AL)中煤尘颗粒数Q为
Q=ALc
(6)
煤尘对电磁波的吸收与散射为
(7)
式中K为常系数，K=4 343。
通过式(4)可知，煤尘颗粒的吸收截面远大于散射截面，故影响井下无线通信能力的主要是煤尘的吸收效应。并且，当巷道尺寸固定时，井下电磁波传输主要受煤尘粒径和浓度的影响。
1.2 环境湿度影响分析
井下环境的湿度往往很高，甚至是饱和湿度，所以必须考虑巷道中水蒸气对电磁波的吸收。水蒸气的凝结雾滴尺寸在0.1～10.0 μm量级，故同样符合瑞利散射条件，单位体积内水蒸气对电磁波的吸收为
(8)
式中：ρ为水蒸气分子密度；R为空气相对湿度。
2 仿真分析
2.1 不同浓度与频率下的电磁损耗
井下常用无线通信设备的使用频率主要介于1.0～3.0 GHz之间，2.4 GHz较为典型，故设定频率范围为1.0～3.0 GHz。煤尘微粒浓度原则上应低于10 mg/m3，但该数值表示总量，实际上采煤工作面某时刻的浓度要高很多，故设定浓度范围为0.1～100.0 mg/m3。对不同浓度与频率下的电磁损耗进行仿真，结果如图1所示。
图1 不同浓度与频率下的电磁损耗
Fig.1 Electromagnetic loss at different
concentrations and frequencies
从图1可知，煤尘浓度对电磁波传输的影响很明显，从0.1 mg/m3到100.0 mg/m3的变化过程中，衰减增大了约3个数量级，可见其干扰程度显著。除此之外，工作频率对衰减也有一定影响，但实际应用时该参数在选定后通常不会变化，可认为是常系数。
2.2 不同湿度与频率下的电磁损耗
设置空气相对湿度为0～100%，对不同湿度与频率下的电磁损耗进行仿真，结果如图2所示。
图2 不同湿度与频率下的电磁损耗
Fig.2 Electromagnetic loss at different
humidity and frequencies
电磁波衰减与电磁波频率、作用距离均有关系，在以上2个因素固定的条件下，湿度从0提高到100%时，电磁波衰减将增强约2个数量级。但湿度对电磁波衰减的影响明显小于煤尘浓度，因为其整体衰减强度与浓度影响相比要小很多，在2.4 GHz位置上，衰减量最大值为1.257×10-9dB/m，比该频率位置上受浓度影响的衰减量最小值8.761×10-9dB/m还要小约1个数量级。
综合分析可知，井下煤尘浓度是电磁波通信衰减的主要影响因素。根据仿真数据可计算出当前环境的安全通信距离及信噪比，为井下有效通信提供技术支持。
3 测试分析
3.1 测试条件
在某矿井停止作业的巷道中进行无线通信测试，由于是刚结束开采作业，所以环境特性与正在开采时相近。采用ZigBee无线通信模块(频率为2.4 GHz)完成数据传输，煤尘浓度标定采用JCF-DQA型粉尘检测仪，湿度标定采用HT1292型湿度计。
测试过程中先关闭喷水降尘系统，通过JCF-DQA型粉尘检测仪确定煤尘浓度值，当煤尘浓度按照既定设置变化时，打开喷水降尘系统，当湿度达到预定要求时关闭系统，进行通信测试。煤尘浓度与湿度的设定值是分别测试获取的，而不是在环境中同时直接测量的。实际应用过程中，喷水降尘系统用于降低煤尘对矿工危害、防止爆燃等，所以，本测试也是针对实际情况进行的。
3.2 测试结果
对2个ZigBee无线通信模块进行测试分析,在不同测试距离上每次发送100个数据包，观察是否能收到数据包及数据是否正确。记录通信数据的完整性、准确性及是否存在掉包的现象。测试数据见表1。其中掉包率计算公式：接收数据包数/发送数据包数×100%；正确率计算公式：接收数据包中正确码值总数/发送数据包中正确码值总数×100%。
3.3 结果分析
由表1中数据可知，距离在50 m内时，即使湿度与煤尘浓度均有较大变化，依旧能保证较好的通信能力，掉包率为0，正确率为100%。而当距离为100 m时，煤尘浓度超过60 mg/m3时开始出现掉包现象，随着浓度增大，掉包现象加剧。湿度变化对掉包现象的影响在本次100个点对点数据包通信测试中没有体现，但其对数据传输的正确率有一定影响。当湿度较大时，数据传输正确率有所下降。分析认为，湿度增大导致电磁传播损耗增大，变相降低了信号强度，削弱了系统信噪比，所以通信过程中可能导致部分信号失真，而其衰减强度较低，故没有产生掉包现象。
表1 井下煤尘浓度和湿度对无线通信质量的影响
Table 1 Influence of underground coal dust concentration
and humidity on wireless communication quality
另外，随着煤尘浓度增大，电磁波能量存在明显的衰减趋势，当浓度从10 mg/m3增大至100 mg/m3时，功率损耗增大约1个数量级(根据距离与湿度条件不同略有差异)。由此可见，煤尘浓度增大会导致通信效能降低，而湿度增大虽然对传输能量的衰减作用不大，但对信号具有一定的干扰作用。
由实际测试结果可以看出，煤尘浓度与湿度对电磁波通信的影响与仿真分析结果基本一致。
4 结语
对煤尘浓度与湿度对井下无线通信的影响进行了理论分析、仿真计算与测试。结果表明，煤尘浓度的变化对基于电磁波的无线通信具有明显的衰减效果，损耗强度随着浓度的增大而增大；随着煤尘浓度和距离的增加，会出现掉包现象；湿度增大对传输能量的衰减作用不大，不会导致掉包现象，但对信号具有一定的干扰作用；随着湿度增大，数据传输中会出现错误数据，导致正确率下降。
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