Системы беспроводной связи и сигнализации через горную породу на электромагнитных и сейсмических волнах

Оглавление 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
СИСТЕМЫ  БЕСПРОВОДНОЙ  СВЯЗИ  
И  СИГНАЛИЗАЦИИ  
ЧЕРЕЗ  ГОРНУЮ  ПОРОДУ  
НА  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ 
И  СЕЙСМИЧЕСКИХ  ВОЛНАХ 
 
 
 
Монография 
 
Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РФ,  
доктора технических наук, профессора Г. Я. Шайдурова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2021 

 

Системы беспроводной связи и сигнализации через горную породу на электромагнитных и сейсмических волнах 
 

2 

УДК 621.396.945 
ББК 32.884.1 
        С409 
 
 
К о л л е к т и в  а в т о р о в: 
Г. Я. Шайдуров, Е. А. Кохонькова, Д. С. Кудинов, Г. Н. Романова,  
А. А. Щитников  
 
Р е ц е н з е н т ы:  
М. С. Хайретдинов, доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой сетевых информационных технологий Новосибирского государственного технического университета;  
В. П. Шувалов, доктор технических наук, профессор кафедры передачи 
дискретных сообщений Новосибирского государственного университета 
телекоммуникаций и информатики;  
С. А. Вохмин, кандидат технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой шахтного и подземного строительства Института горного дела, 
геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО СФУ 
 
 
 
 
 
 
С409           Системы беспроводной связи и сигнализации через горную 
породу на электромагнитных и сейсмических волнах : монография / Г. Я. Шайдуров, Е. А. Кохонькова, Д. С. Кудинов [и др.] ; под 
ред. Г. Я. Шайдурова. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2021. – 252 с.  
ISBN 978- 5-7638-4542-6 
 
Изложены вопросы теории и техники передачи сигналов через горные 
породы на основе использования электромагнитных и сейсмических колебаний 
низкой частоты в диапазоне 40–10 000 Гц.  
Приведены результаты экспериментальных работ на различных рудниках 
и шахтах. Дан аналитический обзор мирового состояния шахтной связи. 
Предназначено для специалистов в данной области техники и может быть 
использовано аспирантами и студентами вузов. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.396.945 
ББК 32.884.1 
 
ISBN 978-5-7638-4542-6                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2021 

 

 

Оглавление 

3 

 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................. 7 
 
СПИСОК  УСЛОВНЫХ  ОБОЗНАЧЕНИЙ  И  СОКРАЩЕНИЙ .................. 9 
 
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................ 12 
 
Г л а в а  1.  АНАЛИТИЧЕСКИЙ  ОБЗОР  СОСТОЯНИЯ  РЫНКА 
ШАХТНОЙ  СВЯЗИ ................................................................... 14 
1.1. Обзор целевых рынков ........................................................ 14 
1.2. Современные средства шахтной связи .............................. 27 
 1.2.1. Радиоволновые системы ......................................... 27 
 1.2.2. Излучающий кабель ................................................ 27 
 1.2.3. Комплекс шахтной аварийной связи ..................... 29 
 1.2.4. Зарубежный опыт .................................................... 32 
1.3. Аналитический обзор патентов  
в области подземной связи ................................................. 38 
Список использованной литературы к главе 1 ........................ 44 
 
Г л а в а  2.  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ  БЕСПРОВОДНОЙ 
ПЕРЕДАЧИ  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ  СИГНАЛОВ   
ЧЕРЕЗ  ГОРНЫЕ  ПОРОДЫ ...................................................... 49 
2.1. Постановка задачи передачи данных ................................. 49 
2.2. Распространение электромагнитного поля  
в полупространстве однородных горных пород .............. 50 
2.3. Квазистационарная модель поля. Обоснование  
выбора рабочей частоты канала ......................................... 53 
2.4. Анализ факторов, оказывающих влияние  
на затухание электромагнитного поля  
в горных породах ................................................................. 55  
2.4.1. Диэлектрические потери в сплошных средах ........ 55 
2.4.2. Данные об электропроводности  
и диэлектрической проницаемости горных пород .......... 58 
2.5. Системные соотношения в электромагнитном канале .... 61 
 

 

Системы беспроводной связи и сигнализации через горную породу на электромагнитных и сейсмических волнах 
 

4 

2.6. Электромагнитный канал передачи сообщений  
в направлении «земля – горная выработка»  
с использованием длинномерной антенны ....................... 65 
2.7. Численные оценки организации ЭМ каналов связи  
в шахтах на частоте 1 кГц и 8 кГц ..................................... 71 
2.8. Оценки дальности передачи информации  
«сверху вниз» через горную породу от дипольного 
магнитного источника без учета токов смещения ........... 76 
2.9. Энергетические оценки индукционного 
канала передачи с учетом токов смещения ...................... 78 
Список использованной литературы к главе 2 ........................ 83 
 
Г л а в а  3.  РЕЗУЛЬТАТЫ  ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО   
МОДЕЛИРОВАНИЯ .................................................................. 84 
3.1. Исходные предпосылки ...................................................... 84 
3.2. Вычислительное моделирование передающей  
ЭМ антенны для однородной среды ................................. 89 
3.3. Симметричная модель передающей антенны ................... 99 
3.4. Излучение при помощи магнитной рамки  
для однородной среды ...................................................... 102 
3.5. Оценка зависимости уровня магнитного поля  
от электропроводности сплошной среды ....................... 108 
3.6. Энергетические оценки канала связи для сред  
с низкоомными рудными залежами................................ 112 
Список использованной литературы к главе 3 ...................... 114 
 
Г л а в а  4.  АППАРАТНОЕ  ОБЕСПЕЧЕНИЕ  
ДЛЯ  РЕАЛИЗАЦИИ  СИСТЕМЫ  ОПОВЕЩЕНИЯ   
НА  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ  ВОЛНАХ ............................. 115 
4.1. Структура системы ............................................................ 115 
4.2. Подавление промышленных помех ................................. 117 
4.3. Методы кодирования информации .................................. 121 
4.4. Методы модуляции ЭМ канала ........................................ 124 
Список использованной литературы к главе 4 ...................... 129 
 
Г л а в а  5.  РЕЗУЛЬТАТЫ  ИСПЫТАНИЙ  
И  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ  ИССЛЕДОВАНИЙ  
НА  РУДНИКАХ  «ИРТЫШСКИЙ»  И  «МАЛЕЕВСКИЙ»   
(ВОСТОЧНЫЙ  КАЗАХСТАН) .............................................. 130 
5.1. Результаты испытаний на руднике «Иртышский»  
(апрель 2017) ..................................................................... 130 

Оглавление 

5 

5.2. Рудник «Малеевский» (февраль 2018) ............................ 137 
5.3. Описание топологии рудника  
и подготовка эксперимента .............................................. 141 
5.4. Описание процесса установки аппаратуры  
и постановки эксперимента ............................................. 144 
5.5. Результаты экспериментальных работ в шахте .............. 146 
5.5.1. Горизонт 13 ............................................................. 146 
5.5.2. Результаты экспериментов на горизонте 14 ........ 148 
5.5.3. Результаты экспериментов на горизонте 16 ........ 151 
5.5.4. Результаты экспериментов  
на горизонтах 17 и 18 ............................................. 154 
5.5.5. Результаты экспериментов на горизонте 11 ........ 158 
 
Г л а в а  6.  ПЕРЕДАЧА  СООБЩЕНИЙ  
НА  СЕЙСМИЧЕСКИХ  ВОЛНАХ ........................................ 163 
6.1. Аналитический обзор ........................................................ 163 
6.2. Физические основы сейсмического канала  
передачи информации ...................................................... 166 
6.3. Приемники сейсмических волн ........................................ 170 
6.4. Физические основы поглощения  
упругих волн в средах ...................................................... 172 
6.5. Энергетические параметры сейсмического канала ........ 174 
6.5.1. Однородный массив ................................................ 174 
6.5.2. Слоистая среда ........................................................ 178 
6.5.3. Расчет параметров  
линейной группы приемников .............................. 181 
Список использованной литературы к главе 6 ...................... 183 
 
Г л а в а  7.  МОДУЛЯЦИЯ  И  КОДИРОВАНИЕ   
СЕЙСМИЧЕСКИХ  СИГНАЛОВ ........................................... 184 
7.1. Модуляция сообщений ...................................................... 184 
7.2. Демодуляция ОФМ-сигнала ............................................. 187 
7.3. Корреляционная обработка сигнала ................................. 189 
7.4. Компьютерная модель сейсмоакустической системы ... 192 
7.5. Оптимизация рабочей частоты сейсмического канала .. 194 
Список использованной литературы к главе 7 ...................... 196 
 
Г л а в а  8.  ИЗЛУЧЕНИЕ  СЕЙСМИЧЕСКИХ  СИГНАЛОВ ................... 197 
8.1. Обоснование выбора и метод расчета  
невзрывного излучателя сейсмических волн ................. 197 
 

Системы беспроводной связи и сигнализации через горную породу на электромагнитных и сейсмических волнах 
 

6 

8.2. Расчет экспериментального излучателя  
сейсмических волн ............................................................ 210 
8.3. Источник питания. Зарядное устройство  
и преобразователь напряжения ....................................... 212 
8.4. Принцип работы и определение временных  
закономерностей обратноходового преобразователя .... 221 
8.5. Методы сокращения времени заряда емкостного  
накопителя энергии (ЕНЭ) и повышения  
КПДпреобразователя ........................................................ 223 
Список использованной литературы к главе 8 ...................... 231 
 
Г л а в а  9.  РЕЗУЛЬТАТЫ  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ  РАБОТ  
ПО  СЕЙСМИЧЕСКОМУ  КАНАЛУ ..................................... 233 
9.1. Испытания макета аппаратуры АСС-1  
на угольной шахте «Комсомолец» (СУЭК-Кузбасс) 
25.06.2015–25.06.2015 гг.  ................................................ 233 
9.2. Результаты экспериментальных работ при передаче  
текстового сообщения в направлении «снизу вверх» ... 237 
9.3. Опытные работы на шахте ОАО СУЭК  
ШУ «Восточное» (пос. Липовцы, Приморский край)  
08.08.2016–12.08.2016 гг.  ................................................ 241  
9.4. Результаты испытаний на скважинах 
Минусинского учебно-испытательного  
полигона ООО «Эвенкиягеофизика» (г. Минусинск, 
Красноярский край) 29.07.2015–30.07.2015 гг.  ............ 243 
Список использованной литературы к главе 9 ...................... 249 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 251 

Предисловие 

7 

 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Предлагаемая книга обобщает материалы, проводимых авторами 
в Военно-инженерном институте Сибирского федерального университета 
в течение 2010–2017 гг. разработок в области создания беспроводных систем передачи информации напрямую через горную породу на основе электромагнитных и сейсмических колебаний.  
Экспериментальные работы на различных российских рудниках 
и шахтах (города Абаза, Ленинск-Кузнецкий, Черногорск, Владивосток, 
Республика Казахстан) показали реальную возможность осуществления 
двухсторонней системы передачи информации до глубин 1000 м.  
При разработке сейсмического канала связи авторы использовали 
опыт проведения исследований в области сейсморазведки, проводимых 
в 2010–2012 гг. совместно с ОАО «Енисейгеофизика» и с ООО «Эвенкиягеофизика» (кандидат технических наук В. А. Детков) по мегагранту Правительства РФ (Постановление № 218), что позволило впервые и в достаточно 
короткие сроки реализовать действующий канал сейсмической связи.  
На Всемирной выставке шахтного оборудования в Лас-Вегасе (США, 
сентябрь 2016 г.) система АСС-1 вызвала большой интерес специалистов 
различных стран, что подтвердило приоритет нашей страны в этой области. 
В г. Красноярске работы по подземной связи были начаты в 1970-х гг. 
и проводились в НПО «Сибцветметавтоматика» и ЦКБ «Геофизика» 
(Г. Ф. Игнатьев). В 1990-х гг. из этих предприятий выделилась группа во 
главе с В. А. Кочневым, создавшим научно-внедренческий инженерный 
центр «Радиус». За прошедшие годы это предприятие разработало и внедрило 
электромагнитные системы связи и сигнализации на более чем 60 шахтах 
и рудниках России. По инициативе В. А. Кочнева к этим работам была 
подключена научная группа Сибирского федерального университета, 
включающая авторов настоящей книги, которые разработали первую действующую систему сейсмической, а затем и электромагнитной связи на 
новой элементной базе.  
Большой вклад в разработку, исследования и испытания внесли сотрудники Научно-образовательного центра «Иридий» Военно-инженерного 
института СФУ и научно-исследовательской лаборатории электроакустики 
СФУ Г. Н. Романова, Д. С. Кудинов, Ю. С. Воронцов, А. А. Щитников, 

 

Системы беспроводной связи и сигнализации через горную породу на электромагнитных и сейсмических волнах 
 

8 

Е. Б. Королькова, К. А. Артемьев, А. Н. Фомин, О. А. Майков, Е. А. Кохонькова, В. С. Потылицын.  
Успех этих работ во многом определился и участием сотрудников 
Научно-внедренческого инженерного центра «Радиус» (генеральный директор А. В. Кочнев, сотрудники С. В. Дрокина, В. Н. Трегубов, С. Н. Дегилевич и др.).  
Всем им авторы приносят искреннюю благодарность. 

Список условных обозначений и сокращений 

9 

 
 

 
СПИСОК  УСЛОВНЫХ  ОБОЗНАЧЕНИЙ  
И  СОКРАЩЕНИЙ 
 
 
АСС-1 – аварийная система связи; 
НДС – налог на добавочную стоимость; напряженно-деформированное 
состояние; 
ЧС – чрезвычайная ситуация;  
ЭДС – электродвижущая сила;  
H – напряженность магнитного поля; глубина зоны присоединенного 
грунта; матрица Адамара; 
I – ток; 
N – число витков в катушке; 
R – радиус витка, радиус сферического включения; 
r – расстояние;  
α – коэффициент поглощения;  
µ – магнитная проницаемость среды;  
ε – диэлектрическая проницаемость среды;  
f – частота;  
σ – электропроводность;  
П – передатчик;  
ПА – передающая антенна; 
Ф – передаточная функция;  
ЭМ – электромагнитный;  
U – напряжение, электродвижущая сила;  
С/П – отношение «сигнал/помеха»;  
E – напряженность электрического поля; электрические шумы Земли;  
Pош – вероятность ошибки;  
qам – отношение «сигнал/помеха» для амплитудной модуляции;  
qчм – отношение «сигнал/помеха» для частотной модуляции; 
qфм – отношение «сигнал/помеха» для фазовой модуляции;  
q – отношения «сигнал/помеха»;  
L – длина кабеля, индуктивность;  
l – длина проводника;  
j – плотность тока;  
tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь; 
δ – глубина проникновения электромагнитного поля в среду;  

 

Системы беспроводной связи и сигнализации через горную породу на электромагнитных и сейсмических волнах 
 

10 

S – площадь приемной магнитной антенны; площадь витка; расстояние вертикального смещения тела под действием силы тяжести; сейсмические шумы Земли;  
a – радиус рельса; 
p – момент диполя; вероятность ошибки приема кодовой комбинации;  
K – коэффициент отражения от поверхности сферы; коэффициент 
трансформации преобразователя напряжения;  
k – волновое число;  
T – температура по Кельвину; время передачи одного байта информации; время наблюдения;  
Pп – мощность помехи; 
Pш – мощность собственных шумов приемника;  
Pc – мощность полезного сигнала;  
M – магнитный момент антенны;  
W – число витков;  
F – модуль функции от частоты и расстояния; сила Ампера; сила 
удара; частота;  
РЭШ – вентиляционный ствол шахты;  
ТТЕ – Trough-the-Earth (система передачи данных через землю); 
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;  
ОФМн – относительная фазовая манипуляция;  
ЧМн – частотная манипуляция;  
ФМн – фазовая манипуляция;  
АМ – амплитудная модуляция;  
DMR – цифровой стандарт передачи данных;  
БПМ – ближнепольная магнитная связь;  
СА – сейсмоакустический;  
υP – скорость распространения продольной волны упругих колебаний;  
υS – скорость распространения поперечной волны упругих колебаний; 
ρ – плотность среды; удельное электрическое сопротивление среды;  
λ – длина волны;  
G – величина зазора; чувствительность сейсмоприемника;  
C – пропускная способность канала связи, емкость конденсатора;  
d – расстояние между центрами проводников катушек; средний диаметр катушки; расстояние между элементами приемной фазированной решетки;  
B – магнитная индукция;  
αp – коэффициент поглощения продольных упругих волн;  
αs – коэффициент поглощения поперечных упругих волн;  
m – масса;  
τ – длительность импульса;