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 «Эвенкия-
геофизика» (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. Ко-
хонькова, 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. Де-
гилевич 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;  

Список условных обозначений и сокращений 

11 

A – величина смещения породы; 
t – время;  
σ2
ш – дисперсия шума; 
Q – коэффициент направленного действия; добротность системы;  
ОФМ – относительная фазовая модуляция;  
SSB – Single-sideband modulation (ОБП – модуляция с одной боковой 
полосой); 
ФАП – автоматическая подстройка фазы;  
ФД – фазовый детектор; 
ПГ – подстраиваемый генератор; 
ФНЧ – фильтр низких частот; 
ЭГ – эталонный генератор;  
АКФ – автокорреляционная функция; 
ВКФ – взаимно корреляционная функция;  
ИДД – индукционно-динамический двигатель; 
ЭДУ – электродинамическое усилие;  
ФС – ферромагнитный сердечник;  
ЭМС – электромагнитная совместимость;  
E, K – полные эллиптические интегралы первого и второго рода; 
RES – функция взаимной корреляции; 
КВК – коэффициент взаимной корреляции;  
P – давление сейсмического удара;  
Ф – геометрический коэффициент;  
РММ – регрессивная математическая модель;  
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;  
Vrms – среднеквадратичное напряжение сигнала. 

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

12 

  
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Несмотря на прогресс технологий подземной выработки полезных 
ископаемых, аварии в рудниках и шахтах регулярно происходят во всем 
мире. Одним из существенных элементов обеспечения безопасности работ 
является наличие надежной связи между диспетчером и всем работающим 
персоналом, а также обеспечение средствами сигнализации об опасности 
и круглосуточный мониторинг состояния забоев и воздуха.  
Сегодня в мире широко используются разнообразные средства связи – 
проводные, радиосвязь, электромагнитная. Однако в случае аварии 
в виде обвала горной породы, как правило, проводные линии разрушаются, 
а радиосвязь, реализуемая как волноводная система вдоль выработок, нарушается 
по причине завалов горной породы.  
Электромагнитный канал связи, реализуемый на низких частотах 
1 000–10 000 Гц, обычно работает «сверху вниз» напрямую через горную 
породу, но требует развертывания на поверхности длинномерных передающих 
антенн или индуктивных петель. Несмотря на неудобство прокладки  
таких антенн, это единственный канал, способный передать засыпанному 
персоналу какую-либо информацию. 
Гораздо сложнее обстоит дело с обратным каналом связи «снизу-
вверх», так как пространство, где скапливается персонал шахты, чаще 
всего, небольшое и установить в нем антенну больших размеров не удастся, 
в то время как электромагнитное поле такого излучателя падает с расстоянием 
как от дипольного источника по закону (R/r)3, где R – линейный размер 
антенны передатчика; r – расстояние до точки приема. К тому же электромагнитный 
излучатель в этом случае является возможным объектом          
искрообразования, т. е. дополнительным источником опасности.  
Решение проблемы – это создание канала связи на сейсмических 
волнах. Антенна вибратора сейсмоисточника размером ≤ 0,5×0,5 м2 по сути 
есть точечный источник. В отличие от электромагнитного диполя, упругие 
волны этого источника затухают по закону третьей степени расстояния.  
Попытки создания сейсмического канала связи проводятся в США. 
В Сибирском федеральном университете авторам данной книги на основе 
опыта в сейсморазведке удалось создать и успешно испытать опытный  
образец сейсмического канала связи на различных шахтах и рудниках  

 

Введение 

13 

России. Этот проект был реализован при финансовой поддержке программы 
«СТАРТ» и НВИЦ «Радиус» (г. Красноярск).  
Судя по отзывам участников Международной выставки в Лас-Вегасе 
(США) в сентябре 2016 г., это была уникальная разработка, заинтересовавшая 
специалистов Австралии, Южной Африки и Канады. В настоящее 
время опытный образец передан в НВИЦ «Радиус». По результатам выставки 
был заключен контракт на разработку и поставку оборудования 
электромагнитного канала «сверху вниз» с канадской фирмой «Radio Mine 
Systems», и в конце 2017 г. опытный образец подобной системы был успешно 
испытан на одном из рудников Восточного Казахстана и передан 
заказчику. 
Сегодня уже можно поставить задачу двухсторонней шахтной связи 
в оба конца, т. е. «сверху вниз» электромагнитный канал, а «снизу вверх» – 
сейсмический. В ряде случаев, когда поверхность земли по разным причинам 
не позволяет развернуть крупногабаритные ЭМ антенны, возможна 
реализация сейсмического канала «сверху вниз».  
К сожалению, снабдить сейсмоприемником каждого работающего 
в движении этот канал не позволяет, поскольку необходимо использовать 
сейсмоприемник контактного типа. Как вариант – ретрансляция сейсмо-
сигнала в шахте в радиодиапазоне.  
В монографии изложены теоретические основы организации обоих 
видов каналов, даны оценки энергетических соотношений, соображения по 
выбору рабочих частот, аппаратные проблемы реализации. 

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

14 

 
Г л а в а  1 

 
АНАЛИТИЧЕСКИЙ  ОБЗОР   
СОСТОЯНИЯ  РЫНКА  ШАХТНОЙ  СВЯЗИ 
 
 
1.1. Обзор целевых рынков 
 
Ч и л и 
За последние 10 лет в Чили частота несчастных случаев в горнодобывающей 
промышленности снизилась более чем в три раза. 
На сегодняшний день по показателям уровня смертности и частоты 
несчастных случаев Чили не уступает развитым странам. 
Широкое распространение на чилийском рынке получило оборудование 
для передачи данных через горные породы подземных рудников 
и шахт компании Mine Site Technologies (MST) Global. 
Основным каналом дистрибуции оборудования для передачи данных 
через горные породы в Чили является продажа через крупные компании 
(системные интеграторы различных типов оборудования в горной промышленности). 

Каждые два года в Чили проводится крупнейшая в латиноамериканском 
регионе выставка горнодобывающей отрасли – EXPOMIN. 
В 2016 г. объем горнодобывающей отрасли Чили составил $ 21,5 млрд, 
что на 9 % ниже показателя 2015 г. В краткосрочной перспективе прогнозируется 
рост объемов горной добычи до отметки в $ 24,7 млрд к 2021 г. 
Среднегодовой темп роста отрасли составит 4 % (рис. 1.1). 
 

 
 
Рис. 1.1. Горнодобывающая отрасль Чили, $ млрд * – прогнозные значения 
 
Большинство медных шахт в Чили открытые, иными словами, они не 
являются потенциальными покупателями рассматриваемой продукции. По 
данным на конец 2012 г., на шахты открытого типа приходилось порядка 
85 % совокупного числа шахт в стране.