矿井无线电波防爆安全发射功率研究

5G,5.5G,WiFi6,WiFi7,UWB,ZigBee等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等发射的大功率无线电波有点燃瓦斯和煤尘的风险。因此,需要合理设置防爆无线电设备发射的无线电波防爆安全功率阈值,限制防爆无线电设备发射的无线电波功率。欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》规定了爆炸性气体环境中无线电波防爆安全接收点火功率阈值,但缺少无线电波防爆安全发射功率阈值的内容。国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》虽然有无线电波防爆安全发射功率阈值的相关规定,但错误地将欧洲标准CLC/TR 50427:2004中的无线电波防爆安全接收点火功率阈值修改为无线电波防爆安全发射功率阈值,大大降低了爆炸性环境中无线电设备所能允许的最大发射功率。由于煤矿井下没有能作为接收天线的起重机这类细长结构物体,且现有矿井无线通信及定位系统工作频率均远大于30 MHz,所以,无线电波防爆安全接收点火功率阈值应为8 W,而不是国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的无线电波防爆安全发射功率阈值6 W。在发射天线发射的无线电波能量全部被等效天线吸收的最不利于无线电防爆的传输和耦合情况下,无线电设备工作频率为等效天线谐振频率时,接收点火功率达到最大,为等效天线接收的总功率的一半,即发射功率的一半。在实际工程中,无线传输效率和耦合效率均不会为1,因此,无线电波防爆安全发射功率阈值应是无线电波防爆安全接收点火功率阈值2倍以上。煤矿井下无线电波防爆安全接收点火功率阈值为8 W,因此,煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W。

无线电波发射功率防爆要求与检测方法

现行国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》规定无线电发射器的阈功率为无线电发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。在无线电波防爆安全发射功率阈值一定的条件下,天线增益越大,无线电发射器的有效输出功率就越小,这将限制通过增大天线增益,提高无线传输距离。因此,有必要对国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017中规定的阈功率的正确性进行研究,提出合理的无线电波发射功率防爆要求与检测方法。提出了无线电波防爆安全发射功率与天线增益无关,国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的无线电发射器的阈功率是错误的。提出了煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W,且与天线增益无关;国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定阈功率不得大于6 W,且与天线增益相关,是错误的。提出了无线电波防爆安全性能检测方法——检测无线电发射器输出功率,这既可保证通过检测的防爆无线电设备的防爆安全,又简化了检测方法,更提高了防爆无线电设备的无线电波发射功率,解除了对天线增益的限制,将大大提高煤矿井下防爆无线电设备的无线传输距离。

煤槽无线电波Q值成像技术及应用

无线电波勘探法是煤层工作面地质构造探查的常规地球物理手段之一。无线电波透视法通常采用单一频率的衰减系数进行探测,成像结果可以有效分析判识地质异常性质等问题,但不同的无线电波频率会影响衰减系数成像效果。为了更客观地分析判识地质异常性质,提出了与频率f无关的无线电波煤槽品质因子Q值参数。基于理论分析,利用多频透视场强数据和衰减系数参数,推导了煤岩介质品质因子Q的计算公式;采用有限元数值模拟方法,模拟分析了透射正常煤层时,多频无线电波透视场强值、衰减系数及Q值特征;证明了煤槽无线电波品质因子Q值不随频率变化。通过实测实验数据分析,验证了无线电波Q值成像方法的有效性,为多频无线电波探测的理论及应用提供了一个新的思路。

YDT-3型无线电波透视仪器数据分析对比

我国已开展了多频无线电波透视技术的研究,并在研究上取得了重大的突破和成就。YDT-3型坑透仪是目前最新的多频透视仪器之一,其工作频段主要有88 KHz、158 KHz、365 KHz。该设备一次探测能获取大量场强数据,并对其进行数据处理与解释。为了提高数据的利用率进而在数据处理时提高探测精度,需要对海量数据进行分类并作对比分析。根据YDT-3型坑透仪探测目标地质体得到的数据,将其分为平均值、中位数、最大值和最小值这四种数据,分析并总结四种数据的特点。在安徽理工大学西教学楼以及刘庄矿某工作面探测实例对比结果表明:平均值和最大值所呈现出的效果较好,最小值所呈现出的效果最差,中位数在样本分布均匀或者样本数足够的情况下,才能获取良好的数据。

井下无线电波透视的三维正演及电磁波传播特性的研究

地层中电磁波传播理论是井下无线电波探测的基础,探测频率、煤层赋存情况改变时地层电磁波传播存在差异。为了研究探测频率、煤层赋存变化下的电磁波传播的响应特性,建立了无线电波透视三维正演模型,对不同探测频率、不同煤层厚度、不同煤岩电导率比值进行三维模拟实验。实验结果表明:电磁波在煤层中的衰减呈现2个阶段,收发距离较小时,几何扩散导致的衰减作用较大,场强快速减小,收发距较大时几何扩散衰减作用降低,衰减速度减小并趋于稳定;使用不同频率探测时,探测频率增加,初始场强值增加、电磁波吸收系数增加且不同的探测频率导致的吸收系数变化范围为12.28%~26.67%、无线电波有效探测距离缩短;煤层厚度增加,电磁波吸收系数减小且每米煤层厚度变化导致电磁波吸收系数变化的范围为2.25%~17.29%;在岩石与煤层电导率比值增大时,无线电波吸收系数减小、无线电波有效探究距离增加。

无线电波反射法探测回采工作面断层技术应用

为更快捷探明井下构造情况,采用无线电波反射法对工作面断层进行探测。对无线电波传播、反射原理进行分析,通过数值模拟掌握无线电波在空巷传播以及反射能量突变规律:整体上电磁波在无障碍空巷内传播时其H_(x)分量的场强值与距离大致呈线性关系;与无断层工作面相比,存在断层的工作面接收点会在相应位置发生突变,突变幅度随着断层距离增大而减小。在数值模拟基础上,开展12407工作面无线电波反射法勘探,结果证明:无线电波反射法可以对断层构造进行辅助探查,较大落差的断层更有助于反射电磁波的形成。

无线电波透视探测煤层冲刷带试验研究

为提高对采煤工作面内部冲刷带等地质构造异常体探查准确性,利用无线电波透视方法进行现场应用试验,并通过模拟信号收发两端接收场强绘制出变化曲线,总结规律性分布特征,当电磁波穿透异常区域后,曲线分布呈现出“蝙蝠翼状”的明显特征,且异常构造体对信号具有较强的吸收衰减影响,经过试验论证与正向推演,证明采用无线电波坑透物探方法对冲刷带的范围探查与精度确定具有科学依据和可靠性。

基于二次规划的无线电波精细成像研究

目前无线电波透视常用的反演算法是ART,SIRT等层析成像方法,由于无线电波透视控制方程是线性方程组,反演依赖初始值的选择,迭代过程缺少对衰减常数β的约束,反演结果会陷入局部最优解,影响探测的精度。采取二次规划模型描述无线电波透视的反演问题,提出利用凸性不等式作为约束条件,利用迭代反演法求全局最优解。设置低阻陷落柱模型进行正演计算,用得到正演数据验证二次规划模型的准确性。使用二次规划模型处理实测资料,对采煤工作面内部构造有良好的识别效果。

煤层工作面陷落柱三维无线电波成像技术及应用

在煤层工作面的地质构造探查中,无线电波勘探法被认为是主要的探查方法之一。无线电波透视法通常采用单一频率的衰减系数进行探测,成像结果可以有效分析判识地质异常性质等问题,但不同的无线电波频率会影响衰减系数成像效果。为了更客观地分析判识地质异常性质,提出了与频率f无关的无线电波煤槽品质因子Q值参数。基于理论分析,利用多频透视场强数据和衰减系数参数,推导了煤岩介质品质因子Q的计算公式;采用有限元数值模拟方法,模拟分析了透射正常煤层时,多频无线电波透视场强值、衰减系数及Q值特征;证明了煤槽无线电波品质因子Q值不随频率变化。通过实测实验数据分析,验证了无线电波Q值成像方法的有效性,为多频无线电波探测的理论及应用提供了一个新的思路。

无线电波透视多频率探测法在厚煤层工作面构造探查中的应用

在煤矿井下回采工作面开展无线电波透视探测时,受不同煤层、各种岩层和地质构造影响,其无线电波透视衰减系数不同。对于同一煤层、同一频率发射的无线电波来说,煤层越厚,衰减系数越高。为了准确探测厚煤层工作面内部地质构造赋存情况,通过多频率试验选取适合的天线进行无线电波透视,经过多种频率的探测结果与实际揭露的地质构造特征进行相互对比,确定了一种针对厚煤层大面宽工作面无线电波透视的探测天线,提高了探测精度。

无线电波坑道透视法对煤矿井下地质构造的探测应用

煤矿矿井在开采过程中,采掘工作面附近的含水地质构造容易引发矿井水灾,为了确保工作面安全回采,常采用无线电波坑道透视法对工作面进行探测,论述了无线电波坑道透视法的地球物理特征以及基本原理,说明了方法的野外操作、数据处理以及地质解释方法,并通过实际案例论述了方法的实施要点,该方法可以在煤矿采掘过程中提前发现含水通道以及含水改造,从而指导开采生产。

工作面内地质异常无线电磁波透视规律研究

为了掌握煤(岩)层及地质异常体对电磁波透视的影响规律,采用三维数值模拟方法,研究全空间条件下环形天线发射电磁波在煤(岩)层中传播时,遇到不同地质异常体(断层、陷落柱)时的传播特征。结果表明:异常体充填空气较多时,电磁波损耗小,磁场强度等值线外凸;若异常体充填水较多时,电磁波能量损耗较大,曲线内凹;充填其他介质时,电磁波损耗介于两者之间,可通过实测场强曲线、等值线变化,判断异常区电性特征。异常体形态和规模不同,磁场强度分布也不相同;异常区为圆形或似圆形时,磁场强度在异常体内产生畸变,远离异常体后逐渐恢复正常分布,识别较为困难;故异常体直径越小,离接收点越远,识别越困难;当异常区为条状断层分布时,断层走向与巷道交角越小,受影响的测点较多,识别较容易;若断层走向与巷道交角变大,受影响的测点变少,则识别较困难,据此可大致判断断层走向。正常情况下,场强曲线呈左右对称的抛物线形态,中间大、两侧递减;异常体所处位置、形态及充填物质不同,曲线形态亦不相同;当异常体规模较大时,曲线呈对称或不对称的“M”形。因此,在数据处理初期,由于场强曲线获取较快,可以通过识别曲线形态初步定性判别异常体的某些特性,但无法准确定位射线上不同区段的异常特征,可进一步结合层析成像分析,得到正确合理的认识。

无线电波防爆安全阈值研究

大功率无线电波会点燃爆炸性气体。因此,需合理设置无线电发射器发射的无线电波防爆安全功率和能量阈值,限制无线电发射器发射的无线电波功率和能量。欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》规定的无线电波防爆安全功率和能量阈值是点火功率和能量阈值。国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》直接引用欧洲标准CLC/TR 50427:2004规定的无线电波防爆安全功率和能量阈值,但错误地将连续无线电波防爆安全点火功率阈值修改为发射器的有效输出功率与天线增益的乘积,从而造成连续无线电波防爆安全发射功率阈值降低;在传输衰减和接收灵敏度一定的条件下,降低了无线传输距离,不利于矿井无线通信系统和人员定位系统的推广应用。因此,国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的连续无线电波防爆安全功率阈值应为点火功率阈值,而不是发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。

双频透射无线电波勘探方法及应用研究

煤层可作为高频电磁波的导波层,无线电波透视技术适用于工作面煤层内的地质构造探测。目前无线电波透视法通常采用单一频率进行探测,在煤层工作面勘探过程中常存在频率选择不当和探测精度不足等方面问题。为此,提出了双频透射无线电波勘探方法。基于理论分析,利用双频透视场强数据和衰减系数参数,推导了基于双频无线电波测量数据的煤岩介质吸收因子γ计算公式;采用有限元数值模拟方法,模拟并分析了无异常构造煤层和含断层煤层工作面两种工况。实验结果表明:利用双频法计算得到的吸收因子对煤层地质异常的响应更加敏感,验证了透射无线电波勘探方法的有效性。通过比对现场试验数据及回采钻探结果,再次验证了双频吸收因子γ对地质异常的响应特征优于单频衰减系数。研究结果表明,双频法可提高煤层工作面无线电波探测地质异常的效果,为无线电波精细化勘探和矿井地质透明化提供一个新的方法和思路。

无线电波透视技术在工作面隐伏地质构造探测中的应用

本文介绍了电磁波基本理论和层析成像技术的基本原理,建立了含断层和陷落柱构造的地球物理模型,模拟了工作面内断层和陷落柱构造的电磁波响应曲线,分析了曲线规律,并基于SIRT算法对物理模型成功地进行了反演。结合羊东矿实际探测资料,成功预测了工作面内的隐伏地质构造。物理模拟和实际探测效果都表明,无线电波透视技术探测井下隐伏地质构造是十分有效的。

无线电波坑道透视在老母坡矿二采区的探测应用

本文以山西古县老母坡煤业有限公司二采区3个工作面的应用进行论述,采用几何交汇法进行资料解释,根据实测场强分析曲线,对比场强曲线衰减规律,结合工作面已知地质资料,圈定地质异常区,与回采后的实际情况对比,地质异常范围存在一定误差,未出现漏报地质构造的情况。

无线电波坑道透视法在探测不同煤厚的地质构造的应用及探讨

无线电波坑道透视法是采用电磁法探测煤矿综采工作面内隐伏地质构造的地球物理勘查方法之一,其性价比高、采集效率高、探采对比效果较明显,间接保障了综采工作面的顺利安全回采,通过在山西不同地区、不同厚度煤层的应用及探采对比,整体效果较好。

无线电波透视法在何家塔煤矿50106工作面的应用

为保证何家塔煤矿501盘区50106工作面的安全开采,利用无线电波透视法探测50106工作面、其上部异常地质构造及其含水层富水性的垂向及平面分布,为该工作面的防治水设计提供地质依据以及技术支撑。基于50106工作无线电波透视探测反演的实测场强曲线图、实测场强分布图和SIRT反演吸收系数(CT成像)图共同圈定了工作面内3处异常范围分布,推断YC01(850~1000m)、YC02(1300~1900m)和YC03(2950~3970m)异常为冲刷带导致煤层变薄引起的。巷道掘进地质资料表明,YC01和YC02异常所在位置无断层等构造反映。研究表明,采用无线电波透视法可以较好地揭示回采工作面地质构造及其上部顶板不同深度范围的电性异常特征,是保障矿井工作面安全高效生产的有效技术。

煤矿井下无线电波防爆安全阈值及测试方法

5G、WiFi6、UWB、ZigBee等矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统(图1—图3)是煤矿智能化建设的基础,在煤矿安全生产中发挥着重要作用。为防止5G、WiFi6、UWB、ZigBee等无线设备发射较大功率的无线电波引起煤矿井下瓦斯爆炸,GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》规定煤矿井下无线电波防爆安全功率阈值为6 W。