鄭學(xué)召，孫梓峪，王寶元，郭 軍，徐承宇

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 國(guó)家礦山應(yīng)急救援西安研究中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著應(yīng)急救援技術(shù)的發(fā)展，近些年逐漸興起了一種新型救援技術(shù)——鉆孔救援[1]。該技術(shù)于救援工作初期在地面打直徑較小的鉆孔，利用可實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)碾p絞線牽拉生命信息探測(cè)儀，將之放入鉆孔之中，進(jìn)行井下人員生命信息辨識(shí)與定位，確認(rèn)生命信息后將會(huì)實(shí)施大直徑鉆孔作業(yè)進(jìn)行營(yíng)救。與以往的救援方式相比較，鉆孔救援可以快速的向受困人員輸送給養(yǎng)物資，提高生還率[2]。但該方法在救援過(guò)程中易受到煤巖、地層性質(zhì)的影響，當(dāng)?shù)刭|(zhì)偏軟時(shí)進(jìn)行作業(yè)易導(dǎo)致鉆頭偏移[3]，使得鉆孔作業(yè)形成的通道被破壞并形成堵塞，導(dǎo)致生命探測(cè)裝備出現(xiàn)測(cè)量偏差，無(wú)法精準(zhǔn)定位人員信息。目前常用的紅外成像系統(tǒng)穿透性差，遇到障礙物會(huì)失效[4]；音頻探測(cè)由于被困人員的聲音在煤巖介質(zhì)傳輸過(guò)程中衰減速度比較快，遇到水和泥土?xí)r將會(huì)失能[5]；光學(xué)探測(cè)儀需要將光纖傳感器放入被困人員周邊，當(dāng)距離較遠(yuǎn)或探測(cè)目標(biāo)區(qū)域孔隙較小時(shí)都將難以布設(shè)[6]，以上這些傳統(tǒng)方法都無(wú)法高效準(zhǔn)確地探測(cè)障礙物后有無(wú)生命活動(dòng)[7]。

超寬帶(ultra-wide band，UWB)雷達(dá)有良好的穿透性、抗干擾性，并且可以進(jìn)行非接觸式測(cè)量，帶寬極寬[8]，可很好的克服傳統(tǒng)聲光探測(cè)面臨的難題[9]，實(shí)現(xiàn)生命探測(cè)與井下定位[10]。該方法通過(guò)發(fā)射納秒級(jí)別的超寬帶脈沖進(jìn)行探測(cè)，對(duì)接受的回波進(jìn)行處理，獲取目標(biāo)的位置距離與生命信息，但是由于礦山救援過(guò)程中環(huán)境惡劣，煤巖賦存條件復(fù)雜，故應(yīng)用不多[11-12]。孫繼平等通過(guò)對(duì)超寬帶技術(shù)的研究，得出該技術(shù)擁有功耗較低、抗干擾性強(qiáng)、高帶寬的優(yōu)勢(shì)，可用于礦井應(yīng)急救援通信與人員定位[13]；MA等為了提高地震和其他災(zāi)害下人員救援效率，開展了基于超寬帶雷達(dá)對(duì)動(dòng)物和人員的區(qū)別研究，利用交叉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性，對(duì)使用超寬帶技術(shù)進(jìn)行井下人體生命識(shí)別提供了理論基礎(chǔ)[14]；XU等利用超寬帶雷達(dá)波回波信號(hào)獲取墻體后人員的呼吸頻率和距離信息，證明了超寬帶雷達(dá)進(jìn)行人員探測(cè)與生命救援的可靠性與有效性[15]；陳新科提出時(shí)間定位法與時(shí)間差定位法在超寬帶定位技術(shù)中的應(yīng)用，可實(shí)時(shí)了解井下人員與設(shè)備的位置狀態(tài)，相比以往技術(shù)精度提高，定位誤差控制在30 cm以內(nèi)[16]；郭繼坤等用參考獨(dú)立分量分析方法濾除雜波分量，使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)算法分解回波信號(hào)，分析生命特性曲線，重構(gòu)人體呼吸的波形特征信息，實(shí)現(xiàn)非接觸式生命探測(cè)與救援行動(dòng)，解決了以往井下環(huán)境中超寬帶信號(hào)雜波起伏較大的問題[17]；鄭學(xué)召等研究了超寬帶雷達(dá)在煤巖中傳播的物理參數(shù)——介電常數(shù)，指出當(dāng)煤體的變質(zhì)程度不同時(shí)，它的介電常數(shù)伴隨測(cè)試頻率的增加，先降低后升高[18]。以上學(xué)者的研究指出超寬帶雷達(dá)波在煤礦進(jìn)行生命探測(cè)的可行性，側(cè)重研究了超寬帶雷達(dá)在無(wú)線定位、生命信息辨識(shí)與探測(cè)方面的算法、技術(shù)升級(jí)以及物理參數(shù)對(duì)超寬帶雷達(dá)波衰減的影響。但是實(shí)驗(yàn)中的穿透介質(zhì)為墻體或空氣，條件較為理想，對(duì)超寬帶雷達(dá)波在煤體中的傳輸衰減研究尚不清楚。

因此，實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用可以合成信號(hào)源對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬的NS-187礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)中心頻率為400 MHz時(shí)的超寬帶雷達(dá)波分別在厚度為25，45，65，85 cm的褐煤、長(zhǎng)焰煤和貧瘦煤中的傳輸衰減信號(hào)，得出其正負(fù)峰值的變化規(guī)律，分析變質(zhì)程度、厚度對(duì)超寬帶雷達(dá)波衰減特性的影響。

1 傳輸衰減實(shí)驗(yàn)

1.1 NS-187礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)

NS-187礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)通過(guò)使用數(shù)字頻率和射頻信號(hào)源合成信號(hào)源，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬仿真并使用功率放大器放大[19]。其中的發(fā)射天線與射頻信號(hào)源相連接，接收天線與衰減器連接，兩者作為穿透煤體時(shí)信號(hào)的發(fā)射和接收裝置，將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減器后到達(dá)頻譜分析儀，進(jìn)行波形計(jì)算。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

煤樣分別取自陜西新能源神木分公司的褐煤與榆林綠能公司的長(zhǎng)焰煤，韓城桑樹坪煤礦的貧瘦煤。為了避免雷達(dá)波在傳輸過(guò)程中由于煤樣裂隙導(dǎo)致的信號(hào)衰減[20]，所以選用顆粒度較小、干燥的煤樣。對(duì)3種煤樣利用5E-MAG6700全自動(dòng)分析儀進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

NS-187礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)使用定向天線，使其與煤體貼合，使得雷達(dá)波可高效地穿透煤體[21]。當(dāng)雷達(dá)波在與體積較大存在明顯間隙的煤塊接觸時(shí)，這些煤塊之間的間隙和孔洞會(huì)使得雷達(dá)折射與反射作用增強(qiáng)，造成不必要的吸收衰減[22]，故實(shí)驗(yàn)中將煤體破碎為無(wú)較大孔洞與間隙，接觸較為緊密的小塊。

搭建高寬均1 m，長(zhǎng)(厚)2 m的長(zhǎng)方體模具，將煤體放入其中置于操作臺(tái)，模擬礦井塌方之后的煤體堆積形狀。使用制作好的模具，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)節(jié)煤樣的長(zhǎng)(厚)度、保證雷達(dá)發(fā)射波都穿過(guò)煤體。在煤樣的前后端布設(shè)發(fā)射接收天線，2部分天線與組裝柜連接，對(duì)監(jiān)測(cè)的信號(hào)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)分析，如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉NS-187系統(tǒng)，導(dǎo)出頻譜分析儀波形示意圖，保存數(shù)據(jù)，利用Origin進(jìn)行繪制。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/p>

2 不同變質(zhì)程度煤中雷達(dá)波傳輸衰減規(guī)律

2.1 褐煤中超寬帶雷達(dá)波的傳輸衰減

穿透厚度為25，45，65，85 cm時(shí)褐煤的頻率關(guān)系，如圖2所示。

圖2 褐煤在不同頻率下的雷達(dá)波穿透衰減

在圖2中，褐煤在不同頻率下雷達(dá)波的波形變化差異比較大。25 cm時(shí)，雷達(dá)波能量主要集中在200 MHz到600 MHz內(nèi)，500 MHz時(shí)最大；45 cm與25 cm時(shí)的能量主要集中區(qū)域較為相同，但其峰值比25 cm時(shí)小了2×105mV，且在200 MHz到600 MHz內(nèi)所占比例少于25 cm時(shí)所占比例。65 cm時(shí)，雷達(dá)波峰值位置向左偏移至200 MHz，最大值為2.5×105mV，在200～600 MHz內(nèi)雷達(dá)波幅值均呈下降趨勢(shì)，在天線頻率400 MHz時(shí)降至最低；85 cm時(shí)雷達(dá)波峰值與65 cm時(shí)位置相近，但大小降低105mV，同樣在天線頻率400 MHz附近達(dá)到最低，雷達(dá)能量主要集中在天線頻率的左側(cè)，此時(shí)為穿透效果好，繞射能力強(qiáng)的低頻[23]。

2.2 長(zhǎng)焰煤中超寬帶雷達(dá)波的傳輸衰減

穿透厚度為25,45,65,85 cm時(shí)長(zhǎng)焰煤的頻率關(guān)系，如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)焰煤在不同頻率下的雷達(dá)波穿透衰減

圖3中隨著長(zhǎng)焰煤厚度的增加，不同頻率下煤體的幅值都在降低，主要不同體現(xiàn)在減小幅度的不同，25 cm至45 cm時(shí)幅值減小最快，從6×105mV降至2.8×105mV，65 cm至85 cm降幅緩慢。雷達(dá)波在穿透25，45及65 cm厚的長(zhǎng)焰煤時(shí)，能量主要集中在400 MHz左右，且只有單道波峰；在85 cm時(shí)能量主要集中在400 MHz之前，有多道波峰出現(xiàn)，表明厚度增加到一定程度時(shí)，雷達(dá)波在低頻范圍內(nèi)的能量較為集中，傳輸?shù)乃p程度較小[23]。

2.3 貧瘦煤中超寬帶雷達(dá)波的傳輸衰減

穿透厚度為25，45，65，85 cm時(shí)貧瘦煤的頻率關(guān)系，如圖4所示。

圖4 貧瘦煤在不同頻率下的雷達(dá)波穿透衰減

在圖4中，貧瘦煤厚度為65 cm時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)多個(gè)明顯波峰，當(dāng)厚度為85 cm時(shí)，出現(xiàn)間隔很短且峰值大小相近，集中于天線頻率左側(cè)的波峰。說(shuō)明在同等厚度下，變質(zhì)程度更高的貧瘦煤有多個(gè)頻譜能量較為集中的波峰，隨著厚度的增加，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)更加適宜的探測(cè)頻率，表現(xiàn)為2個(gè)間隔很短且集中在低頻的波峰。

分析圖2～4中超寬帶雷達(dá)波穿透煤體之后能量峰值的變化，可以看出褐煤在4種厚度下的峰值能量小于長(zhǎng)焰煤，長(zhǎng)焰煤的峰值能量小于貧瘦煤。其原因是煤的變質(zhì)程度較低時(shí)，成煤作用所受到的壓力比較小，所以孔徑比較大，以大孔為主，其孔隙連通性好，吸附能力強(qiáng)，故雷達(dá)波衰減速度快。隨著變質(zhì)程度的加深煤體自身更加致密，由于煤體收縮，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于煤體強(qiáng)度會(huì)形成局部裂隙，這些裂隙以微孔為主，即微孔的孔隙發(fā)育程度更高，其雷達(dá)波逸散能力相比變質(zhì)程度低存在大孔隙的煤體而言較弱，故衰減程度降低[24]，表現(xiàn)為在不同距離下貧瘦煤的峰值均高于前兩者。

3 不同厚度煤雷達(dá)波的傳輸衰減規(guī)律

從正峰值、負(fù)峰值、頻譜能量、峰峰間隔4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)與厚度的關(guān)系分析雷達(dá)波衰減的變化規(guī)律，對(duì)比分析不同厚度下煤體對(duì)雷達(dá)波傳輸衰減的影響規(guī)律，對(duì)上述3種煤樣在不同厚度下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理，如圖5～10所示。

圖5 褐煤在4種厚度下的雷達(dá)波穿透衰減

圖5中，25 cm時(shí)正負(fù)峰值分別為1 182 mV，-578 mV；85 cm時(shí)正峰值371 mV，負(fù)峰值-74 mV。隨著煤厚的增加正負(fù)峰值都漸趨于零，衰減程度在增大。圖6中，在同一厚度下，其正峰值比褐煤大，負(fù)峰值比褐煤小，剩余能量較多；隨著雷達(dá)波穿透煤體厚度的增加，雷達(dá)波的剩余能量在減小，傳輸?shù)乃p程度在增大，與褐煤所得結(jié)論基本一致。圖7中，超寬帶雷達(dá)波的傳輸衰減規(guī)律與褐煤和長(zhǎng)焰煤的規(guī)律基本相同。

圖6 長(zhǎng)焰煤在4種厚度下的雷達(dá)波穿透衰減

從圖8分析可知，在3種煤樣的正峰值隨厚度增加呈下降趨勢(shì)。當(dāng)煤層厚度從25 cm增加至45 cm時(shí)，3種煤樣的衰減幅度最大，這是由于分層傳輸效果在起始階段較為明顯[25]；在45 cm以后，正峰值下降緩慢，分層傳輸效果對(duì)其影響較小。對(duì)于負(fù)峰值的變化，3種煤樣無(wú)明顯規(guī)律。在45 cm處，長(zhǎng)焰煤有一個(gè)比較明顯的凸點(diǎn)，此時(shí)的長(zhǎng)焰煤負(fù)峰值均高于左右兩側(cè)的褐煤與貧瘦煤，但是整體的變化趨勢(shì)與褐煤和貧瘦煤一致，均呈增大趨勢(shì)。

圖8 不同厚度下3種煤樣的正負(fù)峰值變化

從圖9分析可知，隨著煤體厚度的增加，3種煤樣的頻譜能量均減小。褐煤的頻譜能量在不同距離情況下的頻譜能量均最低，長(zhǎng)焰煤次之，貧瘦煤頻譜能量最高，即頻譜能量的高低與煤的變質(zhì)程度呈正相關(guān)關(guān)系。其中褐煤和長(zhǎng)焰煤的變化趨勢(shì)相似，其頻譜能量隨厚度增加，先快速下降，然后緩速增長(zhǎng)，最后減至最小值。煤樣厚度為25 cm時(shí)，3種煤樣的頻譜能量均為最大值，原因是煤層薄，能量在煤層間隙中進(jìn)行的反射、折射和衍射等作用次數(shù)少，所以對(duì)能量的吸收較差，所以大部分能量可以被穿透出去。65 cm時(shí)，煤樣的頻譜能量小幅度升高，是因?yàn)榇藭r(shí)分層傳輸效果[25]比煤層厚度的影響作用大，導(dǎo)致煤體減弱了對(duì)雷達(dá)波的吸收。

圖9 不同厚度下3種煤樣的頻譜能量變化

從圖10分析可知，不同厚度下3種煤樣峰峰間隔之間并未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律，即正峰值與負(fù)峰值出現(xiàn)的時(shí)間與距離的增加并無(wú)明顯規(guī)律。

圖10 不同厚度下3種煤樣的峰峰間隔變化

4 結(jié) 論

1)3種煤樣的變質(zhì)程度為：貧瘦煤>長(zhǎng)焰煤>褐煤，其衰減關(guān)系為：褐煤>長(zhǎng)焰煤>貧瘦煤。在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為雷達(dá)波在穿透不同距離下貧瘦煤的能量峰值均高于褐煤與長(zhǎng)焰煤，即超寬帶雷達(dá)波在不同變質(zhì)程度的煤樣中傳輸衰減程度與煤的變質(zhì)程度呈反比關(guān)系。

2)在25 cm和45 cm時(shí)，雷達(dá)波的傳輸衰減幅度較為明顯，衰減較快；在65 cm及85 cm時(shí)，雷達(dá)波傳輸衰減幅度變小，依然保持衰減趨勢(shì)。證明隨著3種煤體厚度的增大，雷達(dá)波的傳輸衰減越嚴(yán)重，即煤體厚度與雷達(dá)波的傳輸衰減呈正比關(guān)系。

3)當(dāng)長(zhǎng)焰煤與貧瘦煤的厚度大于65 cm時(shí)，長(zhǎng)焰煤頻率幅值關(guān)系圖中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)小于等于400 MHz，間隔很短的波峰；而貧瘦煤在200 MHz與500 MHz處會(huì)出現(xiàn)2個(gè)較為明顯，且幅值接近的波峰，說(shuō)明在變質(zhì)程度較高的厚煤體在低頻范圍內(nèi)有多個(gè)適合選擇的傳輸頻率。