автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование условий распространения радиоволн на шахтах Севера и разработка аппаратуры шахтной радиосвязи

В в е д е н и е.

I. Анализ состояния изученности распространения радиоволн в горных породах.

1.1. Основные этапы работ в области изучения распространения радиоволн в горных породах.

1.2. Состояние изученности электрических характеристик мерзлых горных пород и льда.

Выводы.*.

2. Теоретическая оценка условий распространения радиоволн в полупроводящей среде.

2.1. Механизм распространения радиоволн в земной коре

2.2. Электромагнитное поле рамочной антенны и электрического диполя в однородной полупроводящей среде.

2.3. Оценка точности измерения диэлектрической проницаемости горных пород в естественных условиях.

2.4. Оценка влияния слоя протаивания на затухание радиоволн.

Выводы.

3. Исследование электрических характеристик многолетнемерзлых горных пород.

3.1. Оценка методов определения электрических свойств мерзлых горных пород.

3.2. Методика определения электрических свойств мерзлых горных пород в лабораторных условиях.

3.3. Электрические свойства льда.

3.4. Диэлектрическая проницаемость мерзлых горных пород.

Выводы.

4. Экспериментальные исследования распространения радиоволн в горных породах Крайнего Севера.

4.1. Методика проведения экспериментальных работ.

4.2. Экспериментальные исследования распространения радиоволн на шахте Сангарская.

4.3. Экспериментальные исследования распространения радиоволн на шахте Джебарики-Хая.

4.4. Экспериментальные исследования затухания радиоволн в мерзлых горных породах Якутии дополнительными методами. III

4.5. Основные результаты экспериментальных исследований и рекомендации по выбору технических требований на аппаратуру шахтной радиосвязи.

Выводы.

3 а к л ю ч е н и е.

JI и т е р а т у р а,.

Решениями ХХУ1 съезда КПСС предусмотрено расширить создание и внедрение автоматизированных средств добычи угля на шахтах без постоянного присутствия людей в очистных забоях.

Актуальность темы. Применение автоматики и телемеханики на шахтах Севера - одна из первоочередных задач, тем более, что содержание рабочих в этих районах чрезвычайно дорого и имеется постоянный дефицит рабочей силы. Однако механически перенести известные схемы и решения, применяющиеся в шахтах средней полосы, без учета специфики горных условий в районах многолетнемерзлых пород, не представляется возможным. Необходимо создать качественно новые механизмы, оборудование и технологические схемы, учитывающие отрицательную температуру горных пород и их криогенную текстуру. При этом автоматизация горных работ возможна на основе внедрения телемеханики с созданием специальных каналов передачи информации. Передача информации приобретает особое значение в связи с разработкой автоматизированных систем управления (АСУ) горными предприятиями. Не менее важное значение имеет производственная связь с движущимися объектами.

Система передачи информации и производственной связи является существенной частью автоматизированного управления технологическими процессами. Именно в этой связи в настоящей работе исследуются вопросы передачи информации и производственной связи в горных выработках угольных шахт Крайнего Севера.

Основным условием надежности передачи информации является выбор канала связи. Используемые в настоящее время в качестве канала передачи информации кабельные линии не являются надежными, так как они подвержены нарушениям, что ведет к потере информации. Значительно более надежным каналом передачи информации является беспроводная система (по радиоканалу), которая позволяет осуществить передачу информации как вдоль горных выработок, так и через завалы и сквозь массив горных пород. В связи с этим актуальным является изучение условий распространения радиоволн в горных выработках Крайнего Севера.

Целью работы является оценка условий распространения радиоволн в мерзлых горных породах, определение электрических характеристик мерзлых горных пород и основных параметров каналов радиосвязи и разработка на этой основе аппаратуры шахтной радиосвязи.

Задачи исследований:

- теоретические исследования распространения радиоволн в мерзлых горных породах в диапазоне частот от 10 кГц до I МГц;

- выяснение влияния сезоннопротаивакицего слоя на распространение радиоволн между выработкой и дневной поверхностью;

- разработка методики, создание установки и исследование электрических свойств образцов льда и мерзлых горных пород в лабораторных условиях в диапазоне частот 10 кГц -1 МГц;

- экспериментальные исследования распространения радиоволн в диапазоне частот 10 кГц - I МГц в действующих выработках и через массив мерзлых горных пород при использовании простейших типов излучателей на угольных шахтах Крайнего Севера;

- определение основных параметров радиоканала передачи информации как в действующих выработках, так и через массив мерзлых горных пород и создание опытных образцов аппаратуры шахтной радиосвязи для условий Севера.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялось комплексное сочетание теоретических исследований, выполненных с помощью ЭВМ, с лабораторными и полевыми (шахтными) экспериментами.

Научные положения, защищаемые автором:

- диэлектрическая проницаемость льда на частотах выше 50 кГц при температурах ниже -5°С практически не изменяется от частоты и не превышает 10, а диэлектрическая проницаемость песчаников 5-15;

- составляющие электромагнитного поля с увеличением частоты до определенного ее значения не уменьшаются, как это имеет место в талых породах, а увеличиваются за счет влияния токов смещения, что создает оптимальный частотный диапазон радиосвязи, равный для вмещающих пород основных угольных месторождений Якутской АССР 200-600 кГц;

- сезоннопротаивакмций слой мощностью до 6 м на частоте о

100 кГц при проводимости ЮСм/м практически не влияет на затухание радиоволн, при проводимости 10"* См/м его влияние уже заметно и резко возрастает с увеличением частоты.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

- разработана методика и создана специальная измерительная установка для исследования электрических характеристик мерзлых горных пород;

- установлены закономерности изменения электрических свойств льда и мерзлых горных пород от температуры и частоты электромагнитного поля;

- оценена точность определения диэлектрической проницаемости горных пород в естественных условиях по методу радиопросвечивания, позволившая найти оптимальные условия ее применения;

- определены основные параметры радиоканала передачи информации (оптимальные частоты связи, предельные дальности связи, наиболее эффективные антенные системы и т.д.).

Личный вклад. Все результаты исследований получены лично автором.

Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, сформулированных в работе, обеспечивается хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов распространения радиоволн в горных породах, лабораторных исследований электрических характеристик мерзлых горных пород и натурных исследований распространения радиоволн в массиве мерзлых горных пород, а также реализацией шахтной радиосвязи в выбранном диапазоне частот с помощью созданных автором опытных образцов аппаратуры.

Практическая ценность работы:

- получены экспериментальные данные по электрическим свойствам мерзлых горных пород, определяющие условия радиосвязи и необходимые для телеизмерения различных параметров горных пород, геофизической разведки и устройства электрических заземлений;

- выбраны параметры оптимального радиоканала передачи информации для шахтной радиосвязи, разработки систем телемеханики и автоматического управления на шахтах Севера.

Реализация работы в промышленности. По результатам работы созданы два экспериментальных образца аппаратуры шахтной радиосвязи "Север", прошедшие испытания на шахте Сангарская

Якутской АССР и рекомендованные производственным объединением Якутуголь для серийного производства.

Работа объемом 146 страниц машинописного текста, включает 44 рисунка, 3 таблицы и состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка использованных источников, который содержит 105 наименований.

В I разделе дается анализ изученности распространения радиоволн в горных породах и электрических характеристик мерзлых горных пород и льда.

Во 2 разделе приводятся теоретические расчеты электромагнитного поля рамочной антенны и электрического диполя в однородной полупроводящей среде с учетом токов смещения и проводимости, оценка точности измерения диэлектрической проницаемости горных пород в естественных условиях и оценка влияния слоя протаивания на затухание радиоволн.

Третий раздел посвящен исследованию электрических характеристик мерзлых горных пород и льда в лабораторных условиях. Описана методика исследования и созданная установка. Получены экспериментальные зависимости электрических свойств мерзлых горных пород и льда от температуры и частоты электромагнитного поля.

В 4 разделе рассматриваются экспериментальные исследования распространения радиоволн в горных выработках угольных шахт ЯАССР и даются рекомендации по выбору основных параметров радиоканала передачи информации в массиве мерзлых горных пород.

В приложении описана аппаратура шахтной радиосвязи "Север".

По результатам выполненной работы опубликованы 34 научные работы, в том числе I брошюра, 28 статей и тезисы 5 докладов.

Основные научные положения диссертационной работы докладывались на Геофизической конференции (Воркута, 1964), УШ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Ашхабад, 1967), Научной сессии Якутского филиала СО АН СССР (Якутск, 1970), X Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Иркутск, 1972), У Всесоюзной научной конференции по физике горных пород и процессов (Москва, 1974) и других.

В проведении экспериментальных исследований на шахтах ЯАССР помощь оказывали работники лаборатории управляющих систем ИГД СО АН СССР В.А.Малин, И.А.Шестопалов, А.А.Орлов, Г.Е.Яковицкая и сотрудники отдела горного дела ШЛЮ Я§ СО АН СССР В.Ф.Носик и В.К.Ёлшин.

При составлении рукописи ценные замечания автору были сделаны кандидатом технических наук Г.В.Арцимовичем и доктором технических наук В.Ю.Изаксоном.

Ценные методические советы диссертант постоянно получал от кандидата технических наук М.М.Савкина, доктора технических наук В.Н.Скубы, доктора геолого-минералогических наук В.С.Якупова.

Всем упомянутым лицам диссертант выражает свою глубокую признательность.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

X.I. Основные этапы работ в области изучения „распространения радиоволн в горных породах

Первая попытка использования земной коры в качестве канала связи была предпринята в России в 1898 г. подполковником инженерных войск Е.В.Пилсудским /I/, причем, по-видимому, независимо от работ А.С.Попова. Он применил для связи земные токи, возбуждаемые с помощью заземленных электродов и высокочастотной катушки Румкорфа. В 1901 г. при испытаниях под Парижем им была получена дальность связи до 400 м /2/.

Проводя исследования в подземных условиях, немецкие физики Леви и Леймбах в I9I0-I9II гг. установили, что ".многие каменные породы (соль, ангидрит и др.) прозрачны для электромагнитных волн, тогда как другие (пирит, солевые растворы) весьма сильно поглощают эти волны" /З/.Но немецкие горняки отнеслись к результатам опытов Леви и Леймбаха недостаточно внимательно и их работы не получили дальнейшего развития /4/.

В СССР радиоволны в подземных условиях впервые были применены для просвечивания горных пород в геофизических целях в 1923 г. под руководством проф. А.А.Петровского /5/.

В 1933 г. на Ш совещании по изучению вечной мерзлоты проф. А.А.Петровский говорил о необходимости постановки опытных исследований в районах вечной мерзлоты: "Придется затратить еще немало времени и труда для того, чтобы создать хорошую полевую установку и разработать приемы наблюдений, учитывающие все особенности работы: низкую температуру, снежные бураны, отдаленность от жилья и т.д. А прежде всего придется изучить электрические свойства мерзлой почвы, знание которых совершенно необходимо для рационального проектирования" /б/.

Работы по радиоволновому просвечиванию в 1940 г. в районе Норильска показали незначительное затухание радиоволн при прохождении через многолетнемерзлые горные породы /7/.

Из зарубежных исследований этого периода, кроме упомянутых работ, известны эксперименты, проведенные в 1912 г. в Англии, в 1920-1924 гг. в США и в 1927-1928 гг. в Иедии /8/.

Этими работами заканчивается первый этап исследований возможности применения радиоволн в горном деле. Оценивая результаты работ этого этапа, необходимо отметить следующее:

1. Исследования, выполненные в 1923-1941 гг. в небольшом объеме и при несовершенном техническом оснащении, сыграли важную роль, доказав возможность передачи радиоволн длиной от 40 до 250 м сквозь горные породы на расстояние до 120 м.

2. Для всех первых опытов является характерным использование относительно высоких частот - единиц и десятков мегагерц, что, безусловно, ограничивало дальность распространения радиоволн в горных породах.

3. Одним из серьезных недостатков, характерным для работ этих лет, является отсутствие попыток увязать полученные экспериментальные материалы с положениями теории распространения радиоволн. Не рассматривались, в частности, такие важные вопросы, как поглощение радиоволн разной частоты в различных горных породах, не изучались электрические свойства горных пород, не учитывалось влияние горных выработок, в том числе оснащенных металлическими конструкциями, на распределение электромагнитного поля в горных выработках. В связи с этим не была выработана сколько-нибудь удовлетворительная методика измерений и интерпретации полученных материалов.

В 1946 г., после пятилетнего перерыва, вызванного Великой Отечественной войной, исследовательские работы в области применения радиоволн в шахтных условиях начинают проводиться в двух направлениях: геофизическом - во вновь созданном Всесоюзном научно-исследовательском институте разведочной геофизики (ВИРГ) и в Ленинградском горном институте (ЛГИ); шахтной радиосвязи - в Московском энергетическом институте (МЭИ) и в Западно-Сибирском филиале АН СССР (ЗОФАН).

Бурное развитие радиофизики и радиотехники в военные годы позволило вести работы, в общем, на более высоком, по сравнению с первым этапом, научном и техническом уровне. Результаты работ ВИРГ'а за период 1946-1949 гг. обобщены в докторской диссертации А.Г.Тархова /9/, а результаты работ ЛГИ за тот период изложены в кандидатской диссертации Г.А.Черемен-ского /10/, в которых разработана более эффективная методика интерпретации полученного материала с вычислением коэффициентов поглощения радиоволн и определением электрического сопротивления горных пород.

Краткий обзор основных вопросов теории и практики метода радиопросвечивания по работам периода 1946-1955 гг. был сделан А.Г.Тарховым /II/, который сформулировал основные требования, предъявляемые к аппаратуре радиоволнового просвечивания.

Исследования по шахтной радиосвязи, начиная с 1948 г., проводились под общим руководством академика Б.А.Введенского. Наиболее полное изучение вопросов распространения радиоволн в шахтах проводилось в МЭИ /12/. В 1949 г. были начаты исследования по подземной радиосвязи в Горно-геологическом институте ЗСФАН СССР под руководством М.М.Савкина /13,14/.

Оценивая работы 1946-1955 гг. по изучению распространения радиоволн в горных породах, можно сказать, что за этот период получен обширный материал по методу радиопросвечивания и шахтной радиосвязи, позволяющий сделать вывод о возможности прохождения радиоволн сквозь горные породы на расстояния до 150-300 м. Заметные успехи были сделаны и в создании совершенной по тому времени аппаратуры, уделялось также внимание и теоретическим рассмотрениям отдельных вопросов распространения радиоволн в горных породах, учитывалось влияние протяженных металлических конструкций (троллеев, кабелей, тросов, труб и т.д.), так называемых "направляющих", были выработаны методики измерений и интерпретаций полученных результатов для некоторых конкретных месторождений.

Новый этап в развитии метода радиоволнового просвечивания наступил в 1955 г., когда Совет Министров СССР издал специальное постановление, обязывающее Министерство геологии и охраны недр, Министерство высшего образования и Академию наук СССР принять меры по скорейшей разработке нового метода и внедрению его в производство. Разработка шахтного варианта была возложена на Московский геолого-разведочный институт (МГРИ), екважинного - на Всесоюзный институт техники разведки (ВИТР). Институту физики Земли АН СССР (ИФЗ) было поручено обеспечить разработку теории метода радиопросвечивания.

Работы МГРИ позволили углубить методику интерпретации данных радиопросвечивания, изучить характер искажающего влияния искусственных проводников, наметить рациональный диапазон частот для работы в разных условиях /15/. Работы ВИТР позволили определить коэффициент поглощения электромагнитных волн в различных горных породах /16/.

С 1957 г. в области радиопросвечивания начинает проводить исследования Центральный научно-исследовательский геолого-разведочный институт /17/. В последующие годы разработкой метода радиопросвечивания занимались ВИТР, ЛГИ, УФ АН, МГРИ, МГУ, ВИРГ, ЦНИГРИ и другие институты. Проводится значительный объем экспериментальных исследований, разрабатываются основы теории, выпускается аппаратура радиопросвечивания /18/.

Экспериментальные работы этого этапа по радиоволновому просвечиванию показали, что на частотах 0,1-3 МГц может быть обеспечена дальность до 200-300 метров /19,20/. В этот период в ИГД СО АН СССР совместно с СКВ завода "Геофизика" была разработана и серийно выпущена аппаратура бесконтактной высокочастотной связи "Шахтер" для горноспасательных работ в рудничном искробезопасном исполнении, которая с некоторыми модификациями применяется и до настоящего времени.

Следующий этап исследований в области шахтной радиосвязи наступил после Постановления Совета Министров СССР и ВЦСПС от 7 июля 1967 г. № 615, обязывающего Сибирское отделение АН СССР совместно с соответствующими организациями министерств радиопромышленности, угольной промышленности и высшего и среднего специального образования СССР обеспечить выполнение в 1967-1969 гг. научно-исследовательских работ по созданию горноспасательной и аварийной беспроводной радиосвязи в шахтах. В результате этого были активизированы научно-исследовательские работы в области шахтной радиосвязи в Московском горном институте (МГИ), Харьковском институте радиоэлектроники (ХИРЭ), ВНИИГД, ВостНИИ МУП СССР и в других организациях, причем координация исследований была возложена на Институт горного дела СО АН СССР (ИГД СО АН СССР).

МГИ проводил теоретические и экспериментальные исследования, которые позволили сформулировать рекомендации для осуществления способов аварийной и горноспасательной связи; предложен диапазон рабочих частот (14-300 кГц): определен, как наиболее перспективный, вид модуляции на одной боковой полосе (0Ш). Разработан инженерный метод расчета наземных стелющихся антенн для связи между дневной поверхностью и подземной выработкой. Изготовлены образцы приемо-передающей аппаратуры на 17 кГц с ОПБ и на 300 кГц с ЧМ и получены дальности речевой связи через массив горных пород с использованием портативных рамок до 200-400 м в условиях Подмосковного угольного бассейна и гипсовых шахт. Результаты работ МГИ обобщены в кандидатских диссертациях: Н.В.Рубцова /21/, в которой рассмотрены вопросы распространения низкочастотных электромагнитных колебаний по полю шахты; Э.В.Свешникова /22/, содержащей теоретические и экспериментальные исследования поверхностных излучателей больших размеров; В.Ф.Петрова /23/, где рассмотрены условия распространения электромагнитных колебаний в горном массиве, и Л.Н.Свиридова /24/, в которой исследованы методы интроскопии массива между горными выработками посредством измерения фаз электромагнитных волн.

В ХЙРЭ исследовались направляющие свойства угольных пластов при передаче сигналов с помощью заземленных электрических диполей. Показана возможность эффективной передачи сигналов вдоль угольных пластов между горизонтальными и вертикальными диполями. Разработана методика и аппаратура для исследования помех в горных породах в диапазоне частот до 10 кГц, наиболее перспективном с точки зрения обеспечения максимальных дальностей передачи. Разработаны образцы кодоречевой и сигнальной аппаратуры для связи через горные породы в диапазоне частот 20-200 кГц и в диапазоне звуковых частот. Результаты работ ХИРЭ обобщены в кандидатских диссертациях И.Я.Журавлева /25/, рассматривающего беспроводную систему телеизмерения процентного содержания метана, В.И.Яцишина /26/, рассматривающего вопросы волноводного распространения электромагнитных волн вдоль угольных пластов, и Н.И.Жука /27/, исследовавшего передачу радиоволн через массив горных пород.

ВНИИГД исследовал характер и уровень электрических помех при использовании в качестве направляющих протяженные производственные металлические проводники на частоте от 10 до 100 кГц, разработал аппаратуру бесконтактной высокочастотной связи "Донецк-1М" на одной боковой полосе, в которой решены вопросы искробезопасности /28/.

ВостНИИ исследовал основные параметры каналов связи, в том числе по направляющим с разрывами /29/, которые могут иметь место при завалах. Проведенные работы показали, что передача информации возможна при существенных нарушениях направляющих.

В ИГД СО АН СССР были развиты исследования по связи в "чистых" горных выработках и вдоль угольного пласта с помощью серийной аппаратуры "Шахтер", снабженной дополнительными рамочными антеннами /30/.

0 состоянии работ за рубежом можно судить лишь по отдельным работам, появляющимся в печати. Широкий круг вопросов, связанных с использованием радио в геолого-разведочном и горном деле, затрагивается в книге немецкого геофизика В.Фрича "Основы радиогеологии" /31/, где рассмотрены вопросы распространения радиоволн в шахтах.

В работе О.К.Хеукока, Е.К.Мэдсена и С.Р.Харста /32/ приведены экспериментальные измерения скорости распространения, затухания и длины электромагнитных волн в различных горных породах. Обращено внимание на преимущество применения радиосигналов с частотной модуляцией.

В.Фричем /33/ были описаны работы, проводимые в германских рудниках с целью изучения распространения радиоволн в различных горных породах. В соляных месторождениях дальность радиосвязи на частоте 3 МГц составляла 14 км. Результаты исследования поглощения электромагнитных волн в земле при использовании скважинной аппаратуры изложены В.К.Притчеттом/34/.

Д.Г.Джермен-Джонс /35/ описывает проведенную работу по оконтуриванию нефтяных залежей, причем достигнуты глубины от 100 до 3000 м, но детали проведенных работ в печати не освещены. В.М.Баррет /36/ предложил метод, названный им "Радойл", для получения отраженных волн от слоя с пониженным сопротивлением, причем указывается на наличие селективного поглощения радиоволн для каждой среды.

В 1950-1952 гг. университет в Миннесоте (США) провел исследования условий распространения радиоволн в диапазоне частот 30-200 кГц на медных рудниках Монреаля и Мичигана. Максимальная дальность связи составила 450 м в твердых породах/37/.

Эль-Саидом /38/ проводились работы по радиопоискам подземных вод в пустынных районах Египта, в результате которых был определен водоносный горизонт на глубине около 900 м.

Работами Лаборатории горных исследований Трансвааля и Оранжевой республики (Южная Африка) достигнута дальность радиосвязи через массив горных пород на золотых рудниках до 765 м на частоте 335 кГц /39/.

Фирма Деко (США) на глубине 300 м под землей провела испытания системы Литком . Передатчик и приемник размещались на расстоянии 7 км. Передача велась на частоте 150 кГц через слой каменной соли при мощности передатчика 200 Вт. Отмечается, что слой земли хорошо экранировал линию связи от внешних помех.

Проведенный обзор выполненных до 1963 г. работ и собственные исследования позволили рекомендовать диапазон частот 100-200 кГц, как менее подверженный помехам и обеспечивающий большие дальности при наличии металлических "налравляющихи/40/.

В Австрии в I96I-I964 гг. университетом г. Инсбрук в шахтах Тироля проведены исследования условий распространения сверхдлинных волн частотой 3-30 кГц, сравнение электрических и магнитных диполей и их поведения в горном массиве /41/.

Представляют интерес данные, полученные в 1968 г. в соляных шахтах ФРГ /42/, подтверждающие возможность беспроводной связи на расстояниях до 4,2 км на частоте 5 МГц и до 2 км на частоте 30 МГц при использовании электрических антенн длиной до 12 м.

В 1969 г. опубликованы работы по экспериментальным исследованиям распространения электромагнитных колебаний в угольных шахтах в диапазоне частот от 50 до 1000 кГц, проведенным в Англии и показавшим, что затухание радиоволн при распространении вдоль пласта угля слабо зависит от частоты и составляет 0,1 Нп/м для частоты 60 кГц, 0,07 Нп/м для частоты 170 кГц и 0,15 Нп/м для частоты 300 кГц /43/.

Последние годы наибольший объем работ за рубежом выполнен по горноспасательной шахтной радиосвязи Горным бюро США. Исследования наиболее широко развернулись после несчастного случая на шахте Фармингтон в 1968 г., когда Горное бюро G111A заключило специальный контракт с Национальной инженерной академией на проведение исследований с целью изыскания возможностей совершенствования методов и средств спасения горняков, попавших в завалы на подземных горных предприятиях. Был выполнен значительный объем экспериментов в подземных условиях ряда угольных шахт, в результате которых оценена вероятность получения достоверных сигналов с глубины до 300 м /44/. Разработана опытная аппаратура на частоты 350, 520 и 820 кГц, испытания которой в 1982 г. подтвердили принципиальную работоспособность системы, нуждающейся, однако, в дальнейшем совершенствовании /45/.

Известны работы по радиосвязи через массив горных пород, проводимые исследовательским центром Горной палаты ЮАР /46/.

Анализ состояния изученности закономерностей распространения радиоволн в горных породах показывает, что возможности организации радиоканала для передачи информации в горных породах ограничены из-за большого затухания сигнала. Исследования распространения радиоволн в районах многолетнемерзлых горных пород почти не проводились, за исключением работ А.А.Петровского в 1940 г., которые носят оценочный характер. Но в то же время, благодаря меньшей электропроводности мерзлых горных пород, имеются предпосылки увеличения дальности радиосвязи в районах Крайнего Севера. Это подтверждается и зарубежными исследованиями распространения радиоволн в породах с низкой электропроводностью.

Работы по распространению радиоволн в горных породах показали, что при заданной частоте, мощности и чувствительности приемопередающих устройств электрические характеристики горных пород являются основными параметрами, определяющими дальность передачи радиоволн, следовательно, исследование их в условиях многолетнемерзлых толщ является задачей первостепенной важности.

Выводы

1. Оптимальный диапазон частот при шахтной радиосвязи в районах многолетнемерзлых горных пород по сравнению со средней полосой сдвигается в область более высоких частот, что подтверждает основные теоретические выводы, полученные во 2 разделе.

2. Эффективная электропроводность многолетнемерзлого масо сива составляет примерно 10 См/м для осадочных горных пород, сложенных песчаниками, и Ю-4 См/м для кристаллических много-летнемерзлых горных пород.

3. При электропроводности мерзлых горных пород порядка 10 См/м и дальности передачи 200 м оптимальная частота при работе с рамками лежит в диапазоне 200-600 кГц.

4. Коэффициенты затухания радиоволн в массиве осадочных многолетнемерзлых горных пород находятся в пределах 0,01 Нп/м на частоте 20 кГц и увеличиваются до 0,02 - 0,03 Нп/м на частоте 200 кГц.

5. Дальность передачи через массив горных пород увеличивается с уменьшением рабочих частот и в существенной мере определяется ориентацией антенн. Наибольшая дальность достигнута при применении горизонтальных рамок (240 м) и вертикальных электрических диполей (215 м). При использовании направляющих передача информации может быть осуществлена на расстояние до 6-8 км.

Разработанная на основе проведенных исследований аппаратура шахтной радиосвязи "Север" позволяет осуществлять радиосвязь через массив горных пород на расстоянии до 100 м, прошла испытания на шахте Сангарская Якутской АССР и рекомендована ПО Якутуголь Министерства угольной промышленности СССР к внедрению в производство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации исследованы основные вопросы распространения радиоволн в горных выработках угольных шахт Крайнего Севера для создания радиоканала передачи информации. При этом осуществлена теоретическая и экспериментальная оценка условий распространения электромагнитных колебаний в полупроводящей среде и определены электрические характеристики мерзлых горных пород как в лабораторных, так и в естественных условиях на радиочастотах, от достоверности которых в значительной степени зависят параметры радиоканала передачи информации. Полученные результаты исследований могут быть использованы для радиосвязи, телеуправления, телеизмерения и телесигнализации на шахтах Крайнего Севера.

Изучены закономерности изменения электрических свойств льда, являющегося неотъемлемой частью мерзлых горных пород, и мерзлых горных пород от температуры и частоты электромагнитного поля. Результаты экспериментальных исследований показали, что электрические характеристики мерзлых горных пород и льда представляют собой комплекс свойств, чрезвычайно чувствительный к изменению температуры и частоты электромагнитного поля. Установлено, что электрические параметры льда резко подвержены частотной дисперсии, особенно в диапазоне частот до 100 кГц. Найдено, что электрическое сопротивление пресного льда на частотах выше 100 кГц незначительно изменяется от температуры и находится в пределах 2.10^ - 5«10^ Ом.м, а диэлектрическая проницаемость льда на частотах выше 50 кГц при температурах ниже -5°С не превышает 10. Диэлектрические потери резко уменьшаются с ростом частоты и понижением температуры. Выведены формулы зависимости электрического сопротивления льда от температуры для фиксированных частот электромагнитного поля, а также общая формула одновременной зависимости от температуры и частоты, которая оказалась справедливой в интервале температур от -4 до -20°С в диапазоне частот от I до 200 кГц.

Установлено, что диэлектрическая проницаемость образцов песчаников - наиболее представительных пород, слагающих область угольных месторождений криолитозоны, - в диапазоне частот 0,11,0 МГц уменьшается с 15-30 до 5-15 при отрицательных температурах, причем наибольшие изменения наблюдаются у мелкодисперсных пород.

Экспериментально исследовано распространение электромагнитных полей различных частот в горных выработках на ряде горных предприятий Крайнего Севера, которое показало возможность передачи сигналов на расстояния, превышающие 200 м, в "чистой" горной выработке и свыше 3 км с использованием направляющих, то есть по всему полю. Найдено, что электропроводность осадочных мерзлых горных пород в районе угольных шахт Крайнего Севера и в районе г. Якутска составляет Ю"3 См/м, а коэффициент поглощения радиоволн для этих же пород на частоте 200 кГц находится в пределах 0,017 - 0,027 Нп/м. Электропроводность кристаллических горных пород, как эффузивных, так и изверженных, составляет Ю"""4 См/м.

Выполненные теоретические исследования распространения электромагнитного поля электрического и магнитного диполей в мерзлых горных породах с учетом токов смещения и проводимости для различных значений электропроводности и диэлектрической проницаемости и построенные на этом основании зависимости составляющих электромагнитного поля от частоты и расстояния позволяют проводить интерпретирование экспериментальных результатов и определять электрические характеристики среды, а также оптимальные частоты связи, расстояние и наиболее эффективную составляющую электромагнитного поля при осуществлении радиосвязи через мерзлые породы. Показано, что в мерзлых горных породах токи смещения становятся соизмеримыми с токами ПРОВОДИЛО мости, начиная с частоты 100 кГц для электропроводности 10 См/м, что делает невозможным расчет по упрощенным формулам. Кроме того, меридианальные и азимутальные (а для малых значений электропроводности и радиальные) составляющие электромагнитного поля с увеличением частоты не уменьшаются, как это имеет место в талых породах, а увеличиваются за счет влияния токов смещения, что смещает оптимальные частоты связи в более высокочастотный диапазон.

Определения диэлектрической проницаемости горных пород в естественных условиях показали, что для уменьшения ошибок измерения на частотах до 3 МГц определение диэлектрической проницаемости в полевых условиях необходимо проводить на максимально возможных расстояниях между точками измерений при разносе частот от 4 до 10.

Оценка влияния слоя протаивания на затухание радиоволн, проведенная импедансным методом, позволила установить, что слой протаивания мощностью до б м в диапазоне частот до 100 кГц при о электропроводности 10" См/м практически не влияет на затухание радиоволн при их распространении между выработкой и дневной поверхностью, но с увеличением частоты и электропроводности его влияние резко возрастает.

Основными практическими результатами диссертации являются: - разработка методики и создание измерительной установки для исследования электрических характеристик мерзлых горных пород, позволяющей изучать образцы горных пород в диапазоне частот от I кГц до 20 1МГц в интервале температур от +20 до -20°С;

- определение оптимальных частот связи при работе с вертикальными электрическими диполями и рамками;

- определение электрических параметров мерзлых горных пород в естественных условиях залегания;

- выбор наиболее эффективных антенных систем в условиях угольных шахт Крайнего Севера, которыми оказались магнитные антенны;

- определение предельной дальности распространения радиоволн в горных выработках как при наличии направляющих, так и при их отсутствии.

Реализация исследований заключается в создании экспериментального образца и составлении технических требований на разработку аппаратуры шахтной радиосвязи для угольных шахт Крайнего Севера, которая рекомендована ПО Якутуголь МУП СССР к внедрению в производство.

Полученные результаты исследований могут быть использованы для проектирования радиоканалов передачи информации в целях контроля горного давления, теплового, газового, пылевого режимов шахт и управления технологическими процессами на шахтах Крайнего Севера при внедрении автоматических систем управления.

Важнейшими задачами дальнейших исследований при этом являются :

1. Изучение физики явления распространения электромагнитных колебаний в мерзлых горных породах в широком диапазоне частот в целях обнаружения новых эффектов.

2. Теоретическое и экспериментальное (включая моделирование) изучение распространения радиоволн в близких к реальным условиям, когда мерзлые горные породы неоднородны и не поддаются исследованию математическими методами.

3. Создание современной измерительной портативной аппаратуры с автономным питанием , работающей в широком диапазоне частот и удобной для использования в горных выработках и скважинах.

4. Разработка условий оптимизации передачи информации в районах залегания мерзлых толщ.

Решение этих вопросов позволит приблизить шахты Севера к тому типу, в каком видят "шахту будущего" ученые нашей страны /105/.

1. Бренев И.В. Начало радиотехники в России. - М.: Сов.радио,1970.

2. Юхницкий Ф.Я. Телеграфия без проводов. СПБ: Изд. Риккера,1904.

3. Lowy Н#, Leimbach G# Eine elektrodinamische Methode zur

4. Erforchung des Erdinnern (Erste Mitteilung). I.Physik Zeitschr., 1910, H 11.

5. Leimbach G» Elektrische Wellen und Schwingunden zur Erforschung des Erdinnern. Zeitschrift d» Vereines deutscher Ingenieure, 1914, S.1298-1300.

6. Петровский A.A. и др. Однометрические работы Института прикладной геофизики. Тр. Ин-та прикл. геофиз., вып. 5, 1930.

7. Петровский A.A. К определению нижней границы вечной мерзлоты электрометрическими методами. Тр. Комиссии по изуч. вечной мерзлоты. Т. 3. 1934.

8. Петровский A.A., Достовалов Б.Н. Первые опыты просвечиваниявечной мерзлоты электромагнитными волнами. Тр. Ин-та мерзлотоведения АН СССР. Т. У. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1947, с. I2I-I60.

9. Шмид Т. Радиосвязь в шахтах и практическое применение переносных радиотелефонов. Горный журнал, 1959, 15, № 728.

10. Диссертация на соискание уч, степени к.т.н. Фонды ЛГИ, 1950.

11. Тархов А,Г, Радиоволновой метод электроразведки. Тр.МГРИ,т. 28. 1955.

12. Мамонкин Н.Г. Шахтная радиосвязь. Отчет № 94/48. Фонды1. МЭИ, 1948.

13. Савкин М.М. Распространение радиоволн в подземных горныхвыработках. В кн.: Радиосвязь и высокочастотная телемеханика в горной промышленности. Новосибирск: Наука, 1964.

14. Савкин М.М. От геофона до самонастраивающейся системы управления. В кн.: Четверть века работы ИГД СО АН СССР", Новосибирск: Наука, 1969, с. 126-135.

15. Даев Д.С., Финягин О.М., Сердинов А.И., Коваленко Н.Д. Разработка методики радиоволнового просвечивания (шахтный вариант). Сводный отчет за 1956-1958 гг. Фонды МГРИ, 1959.

16. Силин Н.П., Коробкина Р.А», Маров Г.П. Скважинное радиоволновое просвечивание на золотоносных месторождениях Центрального Алдана. В кн.: Методика и техника разведки. Л., 1966, № 55, с. 5-14.

17. Петровский А.Д. Об одном способе интерпретации результатоврадиоволнового просвечивания. Тр. ЦНИГРИ, вып. 23. М., 1959.

18. Светов Б.С., Петровский А.Д. и др. Электромагнитные методыразведки в рудной геофизике. М.: Недра, 1966.

19. Рубцов Н.В. Исследование низкочастотных электромагнитныхполей в массиве горных пород для шахтной радиосвязи: Автореферат кандидатской диссертации, МГИ,1970.-19 с.

20. Свешников Э.В. Исследование условий передачи с поверхностив шахты и рудники электромагнитных колебаний специальными излучателями: Автореферат кандидатской диссертации, МГИ, 1970. -.20 с.

21. Петров В.§. Исследование условий распространения электромагнитных полей в горном массиве для создания систем аварийной шахтной связи: Автореферат кандидатской диссертации, МГИ, 1971. 22 с.

22. Свиридов Л.Н. Исследование и разработка методов интроскопиимассива между горными выработками посредством измерения фаз электромагнитных волн: Автореферат кандидатской диссертации, МГИ, 1971. 21 с.

23. Журавлев И.Я. Исследование параметров беспроводного каналасвязи для систем телеизмерения концентрации метана в шахтной атмосфере: Автореферат кандидатской диссертации, Киевский политехнический ин-т, 1969. 20 с.

24. Яцишин В,И. Исследование беспроводного канала в толще горных пород для шахтной аварийной и горноспасательной связи: Автореферат кандидатской диссертации, ХИРЭ, 1971. -18 с.

25. Жук Н.И. Исследование оптимальных условий передачи электромагнитных сигналов низкой частоты через массив горных пород между поверхностью шахты и горными выработками. -Кандидатская диссертация. Харьков: ХИРЭ, 1975. 190 с.

26. Никитин В.И., Лужнёв Ю.М., Куркин Н.С. Аппаратура высокочастотной связи пДонецк-1Мм. Уголь Украины, 1974, №10, с. 30-31.

27. Малин В.А. Исследование каналов передачи информации об очагах эндогенных пожаров в угольных шахтах. Кандидатская диссертация. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1971. - 166 с.

28. Малин В.А., Савкин М.М., Яковицкая Г.Е. Беспроводная передача в угольных шахтах. В кн.: Беспроводные и комбинированные каналы передачи информации в шахтах. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1973, с. 7-19. Деп. в ВИНИТИ, № 6534-73.

29. Fritch V. Gründlage der Funkgeologie, 1939«

30. Haycock O.C.^ Madsen E.C., Hurst S.R. Propagation of electromagnetic waves in earth. Geophysics, V. XIV, Ho. 2, 1949«

31. Fritch V. Ausbreitung Hertzscher Wellen in geologischen

32. Zeitern. Bergbau Technik, 1952, N 12,

33. Pritchett W.C. Attenuation of radio frequency waves throughthe earth. Geophysics, 1952, V. XVIII, NO. 2.

34. Germen-Gons D.T. Geophysical Methods of prospecting.

35. Reweines of Petroleum Technology, 1952, V. 12.

36. Barret W.M. Radoil. World Petroleum, 1952, V. 23, Ho. 3.

37. Felegi E.W. Underground Radio Communication in Lake Superior

38. District Mines. Mining Engineering, 1953, Ho. 5, p.518-521.

39. El-Said M.A.H. Geophysical prospection of underground waterin the desert by means of electromagnetic fringes. -Proceedings of the JRE, 195б, V. 44, Ho. 1.

40. Mc Adam R. Wireless communication underground. Colliery

41. Guard., 1962, 204, Ho. 5256, p. 54-57.

42. Jahn H. Funktechnik und Electroakustik Sowie Sonderanlagender Drahtnachrichtentechnik im Bergbau. Bergbaurechnik,41