关键词:
透地通信
磁感应
无线起爆
线圈
涡流损耗
摘要:
爆破是矿产开采中至关重要的一环,起爆效果的好坏直接影响开采的效率。透地无线起爆方式安全、高效,适用于大范围矿区的起爆工作。磁感应透地通信透地传输信道稳定,不存在多径效应,设备体积可控,适合于在地面发射设备和地下接收设备之间建立可靠的透地无线通信,传输透地无线起爆信号。基于磁感应技术的磁感应透地无线起爆系统具有广阔的应用前景。为此,本文针对磁感应透地无线起爆技术进行了系统研究,完成的主要工作包括:
(1)为了在矿区开采时实现安全便携的透地无线起爆,本文提出地上发射端采用密绕小直径线圈的磁感应透地无线起爆方案。建立了地面发射线圈与地下接收线圈等效耦合电路分析模型,推导了地下接收端负载电压的表达式。由于地面发射线圈与地下接收线圈间的相对位置关系不是平行共轴,因此,推导了考虑涡流效应的具有一般位置关系的线圈间互感系数表达式。基于具有一般位置关系的线圈间互感系数表达式发现,地面发射线圈采用横放模式存在爆破盲区,为此,地面发射线圈应采用竖放模式。根据地下接收线圈负载电压公式分析了发射线圈半径与匝数、发射信号频率和垂直透地深度对系统地下接收端负载电压和水平覆盖距离的影响。仿真结果表明,发射线圈采用竖放模式的透地无线起爆系统的水平覆盖距离可达到200~300m。随着透地深度的增加,系统的水平覆盖距离逐渐降低,但可以通过适当增加发射线圈半径和匝数以及降低发射信号频率的方式提高透地无线起爆系统的水平覆盖距离,以满足在不同规模矿区开采应用场景下的透地无线起爆需求。
(2)为了进一步提高发射端的便携性和灵活性,避免由于增大线圈尺寸带来的安装、散热等问题,本文提出了在发射端采用双密绕小直径线圈的磁感应透地无线起爆方案。建立了发射端采用双密绕小直径线圈的磁感应透地无线起爆方案地面发射线圈与地下接收线圈等效耦合电路分析模型,推导了地下接收端负载电压的表达式。当两个发射线圈内电流反向时透地无线起爆系统失效,因此,需保证两个发射线圈电流同向。对发射线圈调谐电容的作用进行了讨论,分别推导了调谐电容不同补偿情况下地下线圈负载电压表达式。仿真分析了发射信号功率、发射线圈间水平距离、信号频率、线圈尺寸和透地深度对系统水平覆盖距离的影响。仿真结果表明,采用双密绕小直径线圈的磁感应透地无线起爆方案在不增加发射信号功率以及降低单个发射线圈的匝数和半径的情况下,系统的透地覆盖性能仍可以得到可靠保障。
(3)为了对爆破后可能存在的未起爆雷管进行检测与排查,提高磁感应透地无线起爆系统的安全性,本文提出一种基于磁感应技术的无人机盲炮信号检测系统。系统利用无人机搭载的接收线圈检测由地下雷管发射线圈所发射的透地信号实现对盲炮的检测。建立了基于磁感应技术的无人机盲炮信号检测系统地下发射线圈与地面接收线圈等效耦合电路分析模型,推导了地面接收端负载电压的表达式。无人机搭载的接收线圈可有不同的倾斜角度,为此,推导了在不同倾斜角度下无人机搭载的接收线圈与地下发射线圈间的互感系数,结果表明无人机搭载的接收线圈水平放置时与地下发射线圈间耦合最强,最有利于对地下雷管发射线圈所发射透地信号的检测。仿真分析了发射功率、无人机飞行高度、信号频率、线圈尺寸和透地深度对无人机盲炮检测系统检测范围的影响,为基于磁感应技术的无人机盲炮信号检测系统的设计提供了理论依据。