(19)国家知识产权局
燃煤机
吊葫芦
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210263045.2
(22)申请日 2022.03.17
(71)申请人 吉林大学
地址 130000 吉林省吉林市前进大街2699
号
申请人 宁夏回族自治区地球物理地球化学
调查院
(72)发明人 安百州 曾昭发 白亚东 赵健维
(74)专利代理机构 广州市一新专利商标事务所
有限公司 44220
专利代理师 张芳
(51)Int.Cl.
H04W 4/029(2018.01)
H04W 4/90(2018.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明涉及一种地下矿井与地面应急通讯
方法。其特点是，包括如下步骤：在地下矿井人员
身上安装发射机，该发射机根据手动选择发射至
该接收机接收前述的电磁波信号后，通过接收到
电磁波信号的频率判断地下人员的状态信息和
位置信息。本发明涉及一种井下和地面之间
通讯方法，特别是在应急条件下，例如矿山发生
透水、坍塌情况下，常规有线或无线通讯方法无
法应用时的一种应急通讯方法。并给出矿井地通
讯定位系统的硬件实现方案。权利要求书1页 说明书5页 附图3页CN 115119147 A 2022.09.27
C N 115119147
辐照剂量A
1.一种地下矿井与地面应急通讯方法，其特征在于，包括如下步骤：在地下矿井人员身上安装发射机，该发射机根据手动选择发射至少两种频率的电磁波信号；在地面架设接收
机，该接收机接收前述的电磁波信号后，
通过接收到电磁波信号的频率判断地下人员的状态信息和位置信息。
2.如权利要求1所述的地下矿井与地面应急通讯方法，其特征在于：其中地面架设的接收机在地面的不同位置上设有若干个地面接收端，并且通过该所有地面接收端接收到的电磁波信号频率判断地下矿井人员的准确位置。
3.如权利要求1所述的地下矿井与地面应急通讯方法，其特征在于：其中地面接收端具体是指成圈布置的150米天线；其中每一种频率的电磁波信号表示矿工的一种状态信息。
4.一种地下矿井与地面应急通讯装置，其特征在于：包括在地面架设的接收机和在地下矿井人员身上安装的发射机，该发射机由依次连接的信号发生器、功率放大器和发射天线组成，该接收机包括依次连接的接收线圈、前置放大器、补偿器、主放大器和DSP处理器，并且该补偿器与参考信号连接，该DSP处理器通过参考信号放大电路与该参考信号连接。
5.如权利要求4所述的地下矿井与地面应急通讯装置，其特征在于：其中发射机安装在圆柱状的外壳内，在该外壳上安装有绕线轴，在该绕线轴上平行绕制有两根绝缘线，每根绝缘线的一端与外壳内的发射机连接而其另一端与地下矿井中的电缆线连接，从而组成电偶极子作为发射天线。
6.如权利要求5所述的地下矿井与地面应急通讯装置，其特征在于：其中地下矿井中的电缆线长度为100米。
7.如权利要求5所述的地下矿井与地面应急通讯装置，其特征在于：其中接收机的接收线圈包括150m长的天线。
8.如权利要求5所述的地下矿井与地面应急通讯装置，其特征在于：其中接收机的灵敏度不低于10‑7V。
9.如权利要求4所述的地下矿井与地面应急通讯装置，其特征在于：其中矿井深度在300～500m，发射机电源采用井下既有电源，发射机天线为线缆天线，该线缆天线采用地下矿井中的电缆，发射机已预设若干频率，分别表示矿工的位置和状态信息，发射机采用晶体振荡器，以保证精确的发射频率，接收机能对发射机所发多频信号实现同时或序列接收，接收机是采用窄带中放接收方式从而达到低噪声接收，并且接收机使用铺设于地面或地上的长线缆天线和大直径线圈天线。
10.一种地下矿井与地面应急通讯方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在应急条件下，通过信号的传输，提供地面接收站、井下或地下人员的位置与基本状况；
(2)井下采用工人的安全帽上安装信号发射器，发射天线采用自带或地下矿井中的电缆；
张有雨
(3)接收器采用多频低噪声电磁波接收器；
(4)通讯内容通过电磁波信号频率传送地下人员安全状况及位置信息；
(5)采用多地面接收端的方法来实现地下发射源的定位，从而达到对矿井下人员的准确定位。
权 利 要 求 书1/1页CN 115119147 A
地下矿井与地面应急通讯方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种地下矿井与地面应急通讯方法。
背景技术
[0002]矿井无线通讯及人员定位系统是实现煤矿信息化和安全管理不可或缺的组成部分。矿井下环境
极其复杂，受制于各种不确定条件，地面不能及时获知井下实际情况，从而导致在发生事故时不能获悉井下人员的情况，无法及时作出响应，错过抢救人员的最佳时期。因此，为了保证地面与井下作业人员的实时联系，井下作业能将现场实际情况及时汇报，使地面监控人员实时掌握井下作业人员的流动情况，建设煤矿无线通讯及人员定位系统迫切需求
[0003]矿井透地通信及定位系统最主要的难点是干扰和弱信号接收问题。由于电磁波具有一定的穿透能力，一旦在常规通讯设施出现通讯困难时采用地下发射低频电磁波的方法，与地面实现通讯，传递井下人员的生存状况和空间位置，这对地面人员组织救援具有很大的帮助。矿井下无线通讯技术的发展是从最早的漏泄通信技术，透地通信技术，到井下PED穿地通信系统以及目前广泛运用的CDMA，WIFI技术。而目前普遍应用的人员定位主流技术则是RFID射频识别技术，ZigBee技术及Wifi技术等。其中漏泄通信系统是利用在同轴电缆上多接天线来保持信号的连续性，由于同轴电缆的特性使其具有稳定的信道较小的电磁干扰及不受限制的频段等优点然而漏泄电缆具有先天设计上和制造工艺上的缺陷，信号在漏泄电缆中损耗较大，需要每隔一定长度设置1个中继器，这样相应的故障点也随之增多，大大降低了系统的可靠性同时中继器的设置越多，噪音也就越大，容易造成信号失真。CDMA 通讯系统是基于扩频技术，属于大蜂窝通信，该通信系统主要是由地面机柜，，耦合器，功分器及本安型手机等构成CDMA通讯系统组网规范较为严格，优点是在间切换时接通率高，信号稳定干扰小，井下巷道对其造成的约束小；缺点是需要安设的设备较多，成本过高，维护相对困难。PED穿
地通信系统提供了一种基于超低频的电磁信号的应急通讯方法。它需要在地面铺设大型线圈，由地面向地下接收器发送信息，在应急条件下，地下虽然将获得信号，但无法向地面传达信息，另外虽然该系统的性能良好，但是其价格昂贵。
发明内容
[0004]本发明的目的之一是提供一种地下矿井与地面应急通讯方法，能够实现由地下矿井中向地面发送信号进行联系，实现在矿山事故中井下人员与地面的通讯。
[0005]本发明的目的之二是以提供一种实现上述方法的装置。
[0006]一种地下矿井与地面应急通讯方法，其特征在于，包括如下步骤：在地下矿井人员身上安装发射机，该发射机根据手动选择发射至少两种频率的电磁波信号；在地面架设接收机，该接收机接收前述的电磁波信号后，通过接收到电磁波信号的频率判断地下人员的状态信息和位置信息。
[0007]其中地面架设的接收机在地面的不同位置上设有若干个地面接收端，并且通过该
所有地面接收端接收到的电磁波信号频率判断地下矿井人员的准确位置。
[0008]其中地面接收端具体是指成圈布置的150米天线；其中每一种频率的电磁波信号表示矿工的一种状态信息。
[0009]一种地下矿井与地面应急通讯装置，其特别之处在于：包括在地面架设的接收机和在地下矿井人员身上安装的发射机，该发射机由依次连接的信号发生器、功率放大器和发射天线组成，该接收机包括依次连接的接收线圈、前置放大器、补偿器、主放大器和DSP处理器，并且该补偿器与参考信号连接，该DSP处理器通过参考信号放大电路与该参考信号连接。
[0010]其中发射机安装在圆柱状的外壳内，在该外壳上安装有绕线轴，在该绕线轴上平行绕制有两根绝缘线，每根绝缘线的一端与外壳内的发射机连接而其另一端与地下矿井中的电缆线连接，从而组成电偶极子作为发射天线。
[0011]其中地下矿井中的电缆线长度为100米。
[0012]其中接收机的接收线圈包括150m长的天线。
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[0013]其中接收机的灵敏度不低于10‑7V。
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[0014]其中矿井深度在300～500m，发射机电源采用井下既有电源，发射机天线为线缆天线，该线缆天线采用地下矿井中的电缆，发射机已预设若干频率，分别表示矿工的位置和状态信息，发射机采用晶体振荡器，以保证精确的发射频率，接收机能对发射机所发多频信号实现同时或序列接收，接收机是采用窄带中放接收方式从而达到低噪声接收，并且接收机使用铺设于地面或地上的长线缆天线和大直径线圈天线。
[0015]一种地下矿井与地面应急通讯方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
[0016](1)在应急条件下，通过信号的传输，提供地面接收站、井下或地下人员的位置与基本状况；
[0017](2)井下采用工人的安全帽上安装信号发射器，发射天线采用自带或地下矿井中的电缆；
[0018](3)接收器采用多频低噪声电磁波接收器；
[0019](4)通讯内容通过电磁波信号频率传送地下人员安全状况及位置信息；[0020](5)采用多地面接收端的方法来实现地下发射源的定位，从而达到对矿井下人员的准确定位。
[0021]本发明涉及一种井下和地面之间通讯方法，特别是在应急条件下，例如矿山发生透水、坍塌情况下，常规有线或无线通讯方法无法应用时的一种应急通讯方法。并给出矿井地通讯定位系统的硬件实现方案。
附图说明
[0022]附图1为本发明中发射机的原理框图；
[0023]附图2为本发明中发射机的电路原理图；
[0024]附图3为本发明中接收机的原理框图；
[0025]附图4为本发明中接收机的电路原理图；
[0026]附图5为本发明的工作原理图。
具体实施方式
[0027]目前矿井通讯系统主要的技术难点包括以下几点：
[0028](1)地下无线通信的电波传播介质吸收和衰减严重。
[0029](2)天线效率低。低频段天线的效率太低。
[0030](3)接收点的有用信号十分微弱。在矿井地下通信中，电波除了要经受传播衰减之外，由于地质条件，还要多经受二次“穿透衰减”和两次“折射衰减”，再加上天线效率低，地下巷道空间狭小且有风门、机车等阻挡身体，巷道倾斜、有拐弯和分支、表面粗糙等诸多原因，接收点的信号十分微弱，要保证有效可靠的通信联络就显得十分困难。
[0031]另外，对于井下通讯系统在设计上也存在以下要求：
[0032](1)要求矿井下空气中含有甲烷等可燃性气体和煤尘，容易发生爆炸事故。因此，移动通信设备要求采用安全性能好的本质安全型防爆设备。
[0033](2)要求通信设备体积要小煤矿井下空间狭小，其它各种设备种类又多，因此，移动通信系统的体积不能很大。
[0034](3)通信设备体积要小根据矿井通信规则，本质安全型防爆电气设备的最大输出功率为25W左右，故矿井移动通信设备发射功率一般较小。
[0035](4)要求电源的电压波动适应能力强井下电网电源的电压波动范围较大，一般在75％～110％之间，因此，矿井移动通信设备应具有较强的电源电压波动适应能力，备用电源应维持不小于2小时的正常工作。
[0036]由于上述要求，所以运用于井下环境中的通信设备，在设计、制造和运用等方面，都要考虑到矿井特殊的环境要求。针对以上问题，本发明专利采用地面和井下双向发射和接收的通讯系统，如图1所示。该系统利用多频电磁波信号，实现井下地面双向通讯，根据频率同步的方法，在地面或井下发射固定频率信号时，实现同步接收同意频率信号，实现井下和地面通讯和定位的作用。
[0037]本发明设计如下技术实施方案：
[0038]1、利用频率100KHz～1MHz电磁波实现地下介质的穿透，达到通讯的目的。根据电磁波穿透能力低频电磁波的穿透能力较强，而高频电磁波的穿透能力相对较差，可以根据矿山采矿区的深度来确定频率。
[0039]2、采用地下电偶极子发射电磁波。电偶极子由两根(约100m长)电缆线(普通)组成，发射器的发射线圈等效电路图如图2所示。发射机的发射电压为3伏，普通电池就能实现供电。井下由矿灯实现供电。井下运用的模式是接地与电源，拉开天线，调整“频率选择开关”和“调制选择开关”，按一下按钮，自动发送。
[0040]3、采用不同的间隙时间来发射，目的是为了节省电源的能量。
[0041]4、在地面设置150m长的天线来接收地下发射来的信息，井地通信接收机的灵敏度达到10‑7V。接收系统的线路原理图，如图3,4所示。
[0042]本发明方案的优点是：
[0043](1)在发生矿井事故，通讯中断等复杂条件下，通过该系统实现电子计位置的双向通讯，在地面和井下均可以发射和接收电磁波信号，实现井下和地面的双向通讯，克服常规通讯系统只能单向通讯的不足。
[0044](2)发射机功率低重量轻和体积小，使用简便。可装备到个人或小组而不给井下人
