О гарантированной дальности связи радиостанций частотного
 диапазона VHF в стволах шахт

Авторы: Бережинский В. И., д. т. н.; Бабков С. В., Казаков В. А., к. т. н.
(МакНИИ); Казаков О. В., студент (ДонНТУ)

Источник: Бережинский В. И., Бабков С. В., Казаков В. А., Казаков О.В.
О гарантированной дальности связи радиостанций частотного диапазона VHF
в стволах шахт // Уголь Украины. – 2010. – №1.

Аннотация

«Правила безопасности в угольных шахтах» [1] требуют, чтобы клети подъемных установок, предназначенные для спуска – подъема людей, были оснащены связью с машинистом подъема (п.5.9.8), кроме того, подъемные установки должны быть оборудованы сигнализацией и радиосвязью, используемыми при осмотрах и ремонтах шахтных стволов, подъемных сосудов и элементов копрового станка (п.4.11.1).

В настоящее время для ремонтной радиосвязи и связи «клеть – машинист» на вертикальных подъёмных установках шахт Украины применяются системы СШСС.1 (производитель – завод «Красный металлист», г. Конотоп) и аппаратура «Весна СРС» (ЗАО «Весна – комплект», г. Днепропетровск). Указанные изделия работают на частотах 130-300 кГц и являются системами индуктивной радиосвязи, в которых направляющим проводником для передачи радиосигнала служат подъёмные канаты. Аналогичные средства имеются и в зарубежной горной практике [2].

Такие системы связи подвержены влиянию индустриальных радиопомех, уровень которых возрастает в связи повышением мощности электродвигателей и внедрением систем тиристорного электропривода. В отечественной и мировой горной практике проявляется интерес к возможности использования для этой цели серийного радиооборудования частотного диапазона VHF (130- 170 МГц), широко применяемого и зарекомендовавшего себя надёжным средством наземной эфирной радиосвязи.

Радиосвязь в шахтных стволах в значительной мере отличаются от наземной связи. Рассмотрим определение гарантированной дальности связи в шахтных вертикальных стволах радиостанций частотного диапазона VHF в столах разной глубины с разным креплением и насыщением металлом поперечного сечения ствола проводились шахтные исследования с контролем уровня сигнала, приходящего с перемещающейся по шахтному стволу клети и субъективной оценкой качества связи.

Из теоретических предпосылок и имеющегося опыта по внедрению систем радиосвязи в шахтных стволах к числу факторов, влияющих на распространение радиоволн в такой специфической среде, как шахтный ствол, можно отнести: параметры подъёмной установки (количество подъёмов в шахтном стволе, количество подъёмных сосудов, этажность клети и др.); диаметр и глубина ствола; тип крепления; тип проводников для направленного движения подъёмных сосудов.

Исследования были проведены в пяти стволах. В таблице 1 приведены характеристики отобранных стволов. В экспериментах использовалось радиооборудование фирмы «Motorola», а именно: носимые радиостанций Р040 и GP320 с выходной мощностью 5 Вт, стационарную антенну АТ-78. Рабочая частота аппаратуры f = 158 МГц.

Таблица 1 – Характеристики стволов для проведения исследований

При проведении исследований на каждой из выбранных подъёмных установок на дневной поверхности в пределах копрового станка в районе «нулевой» отметки устанавливалась базовая антенна АТ-78 и антенна носимой радиостанции, подключаемые поочерёдно к селективному микровольтметру STW - 401.

Один экспериментатор с одной носимой радиостанцией располагался на смотровой площадке клети, второй – в клети. Работник шахты, находящийся на смотровой площадке клети рядом с первым экспериментатором, с помощью ремонтной сигнализации подавал машинисту подъёма сигнал на начало движения, и машинист начинал опускать клеть в ствол со скоростью ≈ 1,0 м/с. Предварительно машинист уведомлялся о необходимости остановок клети через каждые 25-50 м пройденного пути. Во время остановок экспериментаторы на смотровой площадке и в клети включали поочерёдно свои радиостанции в режим «Передача», а экспериментатор на дневной поверхности квитировал полученное сообщение, производил контроль показаний индикатора селективного микровольтметра и записывал их. О завершении этой операции он уведомлял экспериментатора, находящегося на сосуде посредством своей носимой радиостанции. Работник шахты, находящийся на клети, подавал сигнал на продолжение движения.

В зонах с ослабленным уровнем сигнала производилась оценка фразовой разборчивости речи (с использованием методики по ГОСТ 16600-72 [3]). После проезда по всему стволу эксперименты продолжались при нахождении экспериментатора с носимой радиостанцией на каждом этаже клети.

На рис.1 приведены в виде точек результаты измерений уровня сигнала, наводимого в стационарной антенне типа АТ-78, от радиостанции экспериментатора, находившегося на смотровой площадке клети, в разных стволах. После обработки этих результатов [4] получена регрессионная зависимость для уровней этого сигнала (линия 1 на рис. 1), которой отвечает уравнение полиномиальной регрессии (1):

(1)

где  U(H) – уровень сигнала в стационарной антенне, в дБ (0 дБ =1 мкВ);      H – удаление клети в ствол от «нулевой» отметки, м.

Рисунок 1 – Зависимость доверительных интервалов уровней наведенных в стационарной антенне сигналов от глубины ствола

Условные обозначения: 1 – кривая регрессии для уровня синала на входе приемника радиостанции машиниста подъема; 2 – линия регрессии для уровня сигнала на входе приемника радиостанции машиниста подъема; 3 и 4 – 5%-ная и 1%-ная нижние границы доверительного интервала; 5 – уровнь фона; 6 – уровень срабатывания шумоподавителя приемника радиостанции; 7 – уровень сигнала в стационарной антенне.

В этом случае значение коэффициента корреляции (корреляционного отношения) r = 0,95.

Рассматриваемый массив данных можно разбить на два участка: первый (начальный), которому отвечает нелинейная регрессионная зависимость, и второй, которому соответствует линейная регрессия. Примем в качестве границы глубину ствола 500 м.

В этом случае второму участку (как наиболее важному при оценке дальности радиосвязи) отвечает линейное уравнение регрессии (2):

(2)

Этому уравнению соответствует коэффициент корреляции r = 0,98.

Уровень сигнала, поступивший на вход приемника радиостанции машиниста подъема, будет меньшим, чем получаемый по уравнению (1) на 6 дБ (вследствие потерь на частоте 158 МГц в линии связи с копровой антенной длиной L=150 м ).

Для рассматриваемых глубин более 500 м согласно [4] вычисляем 5% и 1% доверительные границы для индивидуальных значений уровня сигнала, поступившего на вход приемника радиостанции машиниста подъема – соответственно линии (3) и (4) на графике.

С учётом отмеченного при экспериментах уровня фонового сигнала в стационарной антенне {линия (5), уровень - минус 8 дБ} и некоторого необходимого превышения уровня полезного сигнала над уровнем фона {6÷15 дБ, линия (6)} гарантированная устойчивая связь на основе данных исследований может оцениваться величиной 650 – 750 м, предельная – 1350 м (при «открытых» шумоподавителях приемников радиостанций).

Для обеспечения устойчивой связи на больших глубинах ствола рекомендуется размещать стационарную антенну радиостанции машиниста не на копровом станке, а опускать ее в ствол на некоторое удаление от «нулевой» площадки.

Общая тенденция снижения уровня сигнала при приближении клети к нижней отметке ствола сопровождается периодическими (по пути) колебаниями в пределах  ±(3 – 3,5) дБ.

Уровень сигнала, наводимого в стационарной антенне АТ-78, как правило, превышает уровень сигнала в штатной антенне носимой радиостанции в среднем на 12 дБ.

В случае расположения носимой радиостанции со штатной антенной внутри клети уровень сигнала в антенне АТ-78 уменьшается в среднем на 14 дБ по сравнению с вариантом расположения носимой радиостанции на смотровой площадке клети.

Перемещение экспериментатора с носимой радиостанцией внутри клети сопровождается дополнительными колебаниями сигнала, наводимого в стационарной антенне в пределах ± (1-2) дБ.

На двухэтажных клетях перемещение носимой радиостанции с верхнего этажа клети в нижний сопровождается снижением уровня сигнала в стационарной антенне на 2-17 дБ.

Отмечено дополнительное местное ослабление сигнала в стационарной антенне на 20 – 25 дБ при встрече подъёмных сосудов двухконцевого подъёма в средней части ствола.

Выводы

1. Частотный диапазон VHF (130- 170 МГц) может быть использован на вертикальных
   подъёмных установках угольных шахт для радиосвязи «клеть - машинист» и при
   ведении ремонтных и осмотровых работ в шахтных стволах.
2. С вероятностью Р=0,99 дальность связи по глубине ствола в частотном диапазоне
   VHF составляет 650 м, а с вероятностью Р=0,95 – 750 м.
3. При включенном шумоподавителе каждое второе речевое сообщение, переданное
   из клети на глубине 1300-1350 м, машинистом подъема услышано не будет. При
   отключенном шумоподавителе все речевые сообщения с такой клети поступят
   машинисту подъема на уровне шума.
4. Для применения радиооборудования данного частотного диапазона при глубине
   ствола более 750 м рекомендуется антенну станции машиниста устанавливать в
   верхней части шахтного ствола (опускать в ствол на некоторое удаление от
   «нулевой» площадки).

Литература

1. Правила безопасности в угольных шахтах: НПАОП-10.0-1.01-05. – К: – Відлуння, - 2005. – 128 c.
2. Воеводин В.Н. Высокочастотная связь в подземных выработках с использованием направляющих. - М.: ЦНИЭИуголь, 1994.
3. Передача речи по трактам радиотелефонной связи. Требования к разборчивости речи и методы артикуляционных измерений. ГОСТ 16600-72. – Введен 27.09.1972. – М.: Из-во стандартов, 1973.
4. Л. Закс. Статистическое оценивание. Зарубежные статистические исследования. – М.: «Статистика», 1976.