Online Electric

     Одним из средств оповещения шахтеров, работающих под землей, об аварийных ситуациях являются системы радиосвязи, использующие в качестве физического канала для распространения электромагнитных волн полупроводящую среду – массив горных пород. Принцип действия таких систем заключается в однонаправленной передаче низкочастотного радиосигнала сквозь горный массив от антенно-фидерного устройства (АФУ), расположенного на поверхности шахты, к персональным приемникам, которыми оборудуются головные светильники всего подземного персонала. Системы радиосвязи подобного рода являются высоконадежными, обеспечивают гарантированную доставку сообщения об аварии персонально каждому работнику шахты. Они не подвержены аварийным разрушениям и могут функционировать до аварии, во время аварии и после неё. Другие системы радиосвязи, построенные на проводных или кабельных линиях, как правило, разрушаются при авариях. При этом подземный персонал шахты или рудника лишается радио или телефонной связи с поверхностью [1].
     В настоящее время известны системы связи, использующие радиоканал, действующий через толщу горных пород: «Земля-3М», «Радиус-2». «СУБР-1СВМ» и другие. Аварийное оповещение эти системы осуществляют путем преобразования принятого радиосигнала в кодовое мигание лампы головного светильника шахтера. Речевое оповещение в этих системах отсутствует. Хотя оповещение голосом в аварийных ситуациях является более предпочтительным. Ведь шахтер должен узнать не только, что произошла авария, но и понять ее характер, возможные последствия, а также уяснить безопасные пути выхода на поверхность [2].
     Дальность действия вышеуказанных систем связи в значительной степени зависит от электрической проводимости горных пород и частоты передаваемых сигналов. Например, комплекс связи «СУБР-1СВМ» обеспечивает прохождение и прием сигналов оповещения с вероятностью не менее 95% на глубину до 1000 м и по простиранию шахтного поля до 10 км в полосе частот 1050-1150 Гц с чувствительностью индивидуальных приемных устройств не хуже 10 мкА/м [3].
     Полоса частот голосового оповещения составляет 300-3500 Гц, т.е. несколько шире, чем у «СУБР-1СВМ». Поэтому была выполнена оценка дальности распространения и степени затухания сигналов этой полосы частот. Для выполнения расчета была принята средняя интегральная проводимость среды (пород горного массива) s=10^-2 См/м, характерная для таких пород, как антрациты, алевролиты, аргиллиты, мокрые глины, кварц-серицитовые сланцы и другие [4]. Расчет выполнялся в соответствии с методикой, представленной в [5]. Результаты расчета показали, что сигналы частот 3000-3500 Гц достигают дальности 500 м в глубину массива, обеспечивая при этом для приемных устройств чувствительность в пределах 10 мкВ/м. [2].Сигналы частот 300-500 Гц распространяются на глубину более 1000 м, значительно превосходя минимальный уровень чувствительности в 10 мкВ/м. Кроме того выяснилось, что напряженность электрического поля на частоте 3500 Гц и дальности передачи 500 м уменьшилась в 24 раза по сравнению с напряженностью на частоте 300 Гц. Следовательно, для увеличения дальности распространения высоких частот речевого диапазона необходимо компенсировать их затухание. Для этого предлагается увеличить коэффициент усиления сигналов высоких частот не менее чем в 24 раза по сравнению с усилением сигналов низких частот [6].
     Для решения этой задачи необходимо в оконечный каскад наземного передатчика, входящего в состав АФУ, ввести корректирующую цепь из последовательно соединенных индуктивности L и емкости С, включенных последовательно с нагрузкой R_н (антенной передатчика), как показано на рис.1.


Рис.1. Оконечный каскад наземного передатчика с корректирующей цепью

     По существу представленный каскад является усилителем низкой частоты. Корректирующая цепь должна иметь преимущественно емкостный характер, чтобы с увеличением частоты ее общее сопротивление уменьшалось, а коэффициент усиления каскада увеличивался.
     Коэффициент усиления К в представленной схеме определяется следующим выражением

,
где U_вх, U_вых – входное и выходное напряжения каскада; h₁₁ и h₂₁ – входное сопротивление для переменного тока и коэффициент передачи тока биполярного транзистора;
,
ω = 2πf – частота передаваемого сигнала; τ = RC - постоянная времени электрической цепи, где R ≈ R_к– коллекторное сопротивление биполярного транзистора. Предполагается, что R_к >> R_н, где R_н – сопротивление антенны передатчика, представляющей собой рамку, расположенную горизонтально над зоной покрытия подземных работ, либо лучи из проводов, растянутых над подземными выработками и заземленных своими концами на обсадные трубы геологических скважин.
     Введенная корректирующая цепь имеет резонансную частоту

.

Эта частота должна быть меньше всех частот передаваемого спектра речевого сигнала и, тем более, частоты 3500 Гц. Из этих соображений получим LC< 2,1·10^-9, а для дальнейших расчетов примем LC= 2·10^-9.
     Вычислим значения, обозначенного слагаемого М для верхней частоты 3500 Гц (М₁)
и нижней частоты 300 Гц (М₂)

М₁ = 2.37·10^-12/τ²; М₂ = 27,8·10^-8/τ².

     Учитывая, что коэффициенты усиления на частотах 3500 Гц и 300 Гц должны различаться в 24 раза, возьмем их отношение и получим М₂ – 576 М₁ = 575. Подставим в полученное выражение значения для М₁ и М₂ и решая относительно τ, найдем τ = 2.2·10^-5 с. Величина τ легко реализуется при различных значениях R_к и С. Возьмем R_к = 1000 Ом, тогда величина С = 0,02 мкФ, а с учетом LC= 2·10^-9, получим L = 0.091 Гн.
     Полученные значения параметров элементов корректирующей цепи позволяют рассчитать коэффициент усиления К для всего диапазона частот речевого сигнала. Выполним приближенный оценочный расчет, приняв, что сопротивление нагрузки R_н имеет величину такого же порядка, что и входное сопротивление h₁₁ биполярного транзистора, а коэффициент передачи h₂₁ тока примем равным 50. Тогда величину К можно рассчитать по формуле

.

     Результаты расчета представлены на графике рис.2.а (кривая К). На рис.2,б показано убывание напряженности электрического поля в массиве горных пород со средней интегральной проводимостью 10^-2 См/м (кривая Е) для этого же диапазона частот на дальности передачи 500 м.

а)	б)

Рис.2. а) Изменение коэффициента усиления оконечного каскада в диапазоне частот речевого сигнала; б) Напряженность электрического поля на дальности передачи 500 м при отсутствии корректирующего каскада

     Выполненный расчет показал, что коэффициент усиления оконечного каскада АФУ с введенной цепью коррекции плавно увеличивается с величины 2,1 на частоте 300 Гц до 49,8 на частоте 3500 Гц, т.е. практически в 24 раза.      На рис.3 представлен график изменения напряженности электрического поля в точке приема (на глубине 500 м) с учетом введенной коррекции. Из рисунка видно, что на частотах от 300 до 1000 Гц наблюдается нарастание электрического поля примерно в 1,5 раза, а на частотах от 1000 до 3500 Гц его плавное убывание в 2 раза. Напряженность электрического поля на высокой частоте составляет 450 мкВ/м, что примерно в 45 раз превышает необходимую для устойчивой связи чувствительность. Это означает, что электрическое поле способно распространяться на большую глубину в массив горных пород, при этом дальность передачи речевого сигнала возрастает.
     Дальнейшие расчеты показывают, что высокая частота речевого диапазона при выбранных параметрах корректирующей цепи и величине коэффициента передачи тока биполярного транзистора (h₂₁) достигает в глубину массива до 800 м, обеспечивая чувствительность в пределах 15 мкВ/м. Большее усиление можно обеспечить путем



Рис.3. Напряженность электрического поля на глубине 500 м после введения корректирующей цепи

выбора биполярного транзистора с высоким h₂₁. Например, при h₂₁ = 250 сигнал частотой 3500 Гц достигнет глубины 1000 м и обеспечит чувствительность в пределах 12 мкВ/м.

ЛИТЕРАТУРА
     1. Копаев А.Е. Радиосвязь под землей: проблемы и решения. Вестник связи №5, 2006. С. 45-47.
     2. Давыдов В.В. Шахтная беспроводная связь. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) №11, МГГУ, 2010. С. 221-228.
     3. Ферхо В.А., Веснин В.Н. Вопросы оснащения техническими средствами аварийного оповещения и определения местоположения персонала в подземных горных выработках рудников и угольных шахт. Горный журнал Казахстана №8, 2010. С. 47-50.
     4. Горная энциклопедия / под ред. Е.А. Козловского Т.4, М.: Советская энциклопедия, 1989 – 623 с.
     5. Драбкин А.Л., Проскуряков Р.М., Семенов М.А.Беспроводная передача информации с дневной поверхности на подземные выработки с помощью ретрансляторов/ Известия вузов «Горный журнал» №1, 2001. С. 105-109.
     6. Драбкин А.Л., Проскуряков Р.М., Семенов М.А. Система беспроводной импульсной однополосной передачи речевых сигналов через массив горных пород с использованием ретрансляторов/ Известия вузов «Горный журнал» №2, 2002. С. 107 – 111.