CN110401503B - 一种分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播的方法 - Google Patents

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Abstract

一种分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播的方法，可以简化具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播衰减率的计算，降低了分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播特性的难度，同时也减小了计算误差，有助于具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播模型的建立，能够改善具有带式输送机的矩形巷道内无线通信的质量，对保障煤矿安全生产、降低事故发生率以及抢险救灾等具有重要意义。利用一种等高的等效分析方法，将具有带式输送机的矩形巷道等效为空直矩形巷道，并利用空直矩形巷道内的电磁波传播模型进行分析，该分析法具有一定的精确性。

Description

一种分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播的方法
技术领域：
本发明涉及一种分析煤矿井下巷道内电磁波传播的方法，特别是一种适合分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播的方法。
背景技术
随着我国国民经济的迅速增长，人民生活质量的提高，对能源的需求量也越来越高。煤炭占我国一次能源的70％，是我国主要的能源之一，在我国的经济建设中发挥着不可替代的作用。我国煤炭开采主要以井下开采为主，这是由我国的地理分布所决定的。由于井下煤炭开采环境十分复杂、恶劣，若要建设高产高效的矿井，就需要实行机械化、信息化、自动化开采，而通信在其中起着至关重要的作用，因为在开采的任何一个过程都离不开通信。日常的运作、产品的提取和抢险救灾都需要借助通信系统，从而保障各项工作的顺利安全进行；远程监测和操控更完全依赖于通信；特别是在处理井下发生突发事件时，更迫切需要可靠的通信支持。所以，安全生产、安全管理、抢险救灾等工作的顺利进行就需要依靠快速、准确、灵活、安全、可靠的通信系统。
矿井巷道环境十分复杂，属于地下限定空间，开采环境恶劣，通信环境非常复杂，诸多因素都会对矿井巷道内的无线通信造成剧烈的影响。巷道空间狭小，巷道截面、形状、粗糙度、倾斜度、围岩介质参数、支护、分支、拐弯，以及移动物体等因素直接影响电磁波的传播。在巷道内部有甲烷、一氧化碳等易燃易爆气体，以及硫化氢等具有腐蚀性的气体，还有粉尘等微小颗粒，巷道内空气湿度较大、人员流动性大、输配电以及掘进机等大型设备都会对电磁波的传播造成干扰。矿井内巷道狭窄、环境复杂、纵横交错、形状不同、长短不一，其长度可达十几到几百公里，因此需要利用带式输送机将煤从工作面运送出去。这就需要在巷道内加装带式输送机，而带式输送机将对巷道内电磁波的传播产生极大影响，空直巷道内的电磁波传播理论无法直接用于分析具有带式输送机的巷道内电磁波的传播特性。因此很有必要研究具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播的分析方法。基于以上原因提出一种有效分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播的方法。
具有带式输送机的矩形巷道截面示意图如图1所示，图1中①为具有带式输送机的矩形巷道，②为带式输送机。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播的方法，从而可以简化具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播特性的分析，降低在分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播衰减率计算的难度，同时也减小了计算误差，有助于具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播模型的建立，能够改善具有带式输送机的矩形巷道内无线通信的质量，对保障煤矿安全生产、降低事故发生率以及抢险救灾等具有重要意义。利用一种等效分析方法，将具有带式输送机的矩形巷道等效为空直矩形巷道，并利用空直矩形巷道内电磁波传播模型进行分析，并且该等效分析法具有一定的精确性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播的方法，该分析方法按照以下步骤进行计算：
提出一种等高的等效方法，根据该方法将具有带式输送机的矩形巷道等效为空直矩形巷道，按照空直矩形巷道内电磁波传播模型进行计算分析。所描述的分析方法按照以下步骤进行：
(1)测量计算具有带式输送机的矩形巷道的宽度及高度；
(2)测量带式输送机的宽度；
(3)根据等高的等效方法将具有带式输送机的矩形巷道等效为空直矩形巷道；
(4)根据空直矩形巷道内电磁波传播模型进行计算分析。
有益效果
本发明专利所涉及的方法降低了研究具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传输特性的难度，具有计算简便、易于理解等优点，且误差率在允许范围之内。对研究具有带式输送机的矩形巷道以及具有障碍物的矩形巷道内的无线通信系统具有实际意义，在实际应用中可以为设计具有带式输送机的矩形巷道内无线通信设备的设计提供理论依据。
附图说明
图1为具有带式输送机的矩形巷道截面示意图；
图2为具有带式输送机的矩形巷道等效成空直矩形巷道的示意图；
图3为根据本发明专利实施例1所画出的电磁波电场强度理论值曲线与实验测量值曲线的对比图。
具体实施方式
本专利所涉及的方法简单，易于计算，只需要测量出具有带式输送机的矩形巷道的宽和高以及带式输送机的宽和高，根据本专利所涉及的等高的等效法计算出等效空直矩形巷道的宽和高，将具有带式输送机的矩形巷道等效成空直矩形巷道，然后根据空直矩形巷道内电磁波传播模型进行计算。具体等效计算与分析过程如下：
(1)测量具有带式输送机的矩形巷道的宽为w，高为h；
(2)测量带式输送机的宽为w1；
(3)利用等高的等效方法将具有带式输送机的矩形巷道等效为空直矩形巷道，其中等效后的空直矩形巷道的宽为w2，高为h，且w2＝w-w1，如图2中所示；
(4)按照空直矩形巷道内的电磁波传播模型进行计算；其中空直矩形巷道内的电磁波传播衰减率计算公式为：
Figure GDA0002179740080000031
式中，
Figure GDA0002179740080000032
为电磁波水平极化模式下的衰减率，
Figure GDA0002179740080000033
为电磁波垂直极化模式下的衰减率，单位为dB/m；其中ε1为巷壁相对介电常数，ε2为顶底板的相对介电常数，w为矩形巷道的宽度，h为矩形巷道的高度，λ为电磁波的波长，m为x方向的半波数，n为y方向的半波数。
则根据(3)中等高的等效方法可以得到具有带式输送机的矩形巷道等效成的空直矩形巷道模型，如图2所示，则等效成的空直矩形巷道内电磁波传播最低衰减率的计算公式为：
Figure GDA0002179740080000034
式中
Figure GDA0002179740080000035
为电磁波最低次模水平极化模式下的衰减率，
Figure GDA0002179740080000036
为电磁波最低次模垂直极化模式下的衰减率，单位为dB/m；其中ε1为巷壁相对介电常数，ε2为顶底板的相对介电常数，w为具有带式输送机的矩形巷道的宽，h为具有带式输送机的矩形巷道的高，w1为带式输送机的宽，λ为电磁波的波长。
在一定条件下，叠加场强的效果可能得到加强，也可能得到减弱，且模式不同，也可能得到不同的相位，所以得到的叠加场强有可能增大，也有可能减小。因此，某点处的电场强度等于该点不同模式的场强叠加，即：
Figure GDA0002179740080000041
其中：Ex、Ey、Ez为电磁波各个方向的电场分量。
Figure GDA0002179740080000042
其中：E0代表电磁波的初始场强，k1、k2和k3分别代表x、y和z方向的传播常数，有如下关系：
Figure GDA0002179740080000043
(5)根据(4)中得到的具有带式输送机的矩形巷道的等效空直矩形巷道内电磁波场强计算公式以及电磁波衰减率计算公式进行仿真分析。
实施例1：
本实施例所采用的具有带式输送机的矩形巷道的示意图以及按照等高的等效方法等效成的空直矩形巷道的示意图如图2所示，图2中①为具有带式输送机的矩形巷道、②为按照等高的等效方法得到的空直矩形巷道、③为带式输送机。该具有带式输送机的矩形巷道为运城职业技术学院的模拟矿井巷道。如图2所示，具有带式输送机的矩形巷道的宽w＝4m，高h＝2.8m，带式输送机的宽度w1＝1m。则按照等高的等效方法等效之后的空直矩形巷道的宽w2＝w-w1＝3m，高h＝2.8m。在进行分析的时候所采用的最适合井下巷道内传播的电磁波频率900MHz。在实验验证时所用的实验设备：信号发射装置为安捷伦N9310A射频信号发生器、接收装置为安捷伦N9340B手持式频谱分析仪、接收天线、发射天线为棒状偶极子天线。在进行实验测量时，极化方式为V-V极化方式，收发天线位于巷道中央。图3为按照本专利所涉及的等高的等效分析法将具有带式输送机的矩形巷道等效为空直矩形巷道之后进行仿真的曲线与实际巷道测量实验值拟合曲线的对比图。从图3中可以看出理论仿真值与实验测量值之间具有很好的一致性。
本发明的实施方式不限于上述实施例,在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种分析具有带式输送机的矩形巷道内电磁波传播的方法，其特征在于，提出一种等高的等效方法，等高是指具有带式输送机的矩形巷道的高度与等效成的空直矩形巷道的高度相等，根据该方法将具有带式输送机的矩形巷道等效为空直矩形巷道，根据空直矩形巷道内的电磁波传播模型进行分析；所描述的分析方法按照以下步骤进行；
（1）测量计算具有带式输送机的矩形巷道的宽度w及高度h；
（2）测量带式输送机的宽度w 1；
（3）根据等高的等效方法将具有带式输送机的矩形巷道等效为空直矩形巷道，即等效成的空直矩形巷道的宽w 2=w-w 1；
（4）根据空直矩形巷道内的电磁波传播模型进行计算分析。
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