斜溝煤礦智慧礦山4G通訊網絡的應用

康志華

(山西西山晉興能源公司 斜溝煤礦， 山西 興縣 033299)

斜溝礦井是一座年產1 500萬t的現(xiàn)代化礦井，隨著傳統(tǒng)能源行業(yè)改革步伐的加大，斜溝煤礦也在建設智慧型標桿礦井上加大力度，智慧型礦山的建設首要解決的是煤礦各個生產系統(tǒng)的通信網絡的建設問題，只有將煤礦井下各個生產系統(tǒng)的數據準確、快速地傳輸到生產調度指揮系統(tǒng)的管控云平臺，礦山管理者和決策者才能實現(xiàn)對礦山的全面管控。因此，采用先進通信技術，滿足井下安全生產特殊需求，構建一個信號覆蓋廣、數據傳輸快的礦山通信網絡是斜溝煤礦建設智慧礦山的基礎工作。

1 井下無線通信系統(tǒng)概況

斜溝煤礦原有的主要通信網絡采用的是基于TD-SCDMA標準的礦用井下3G 無線通信網絡，在當時技術條件下初步實現(xiàn)了井下人員分布定位、移動通話、安全信息發(fā)布和重要設備數據傳輸監(jiān)控等功能。3G 無線通信網絡使斜溝煤礦的生產調度指揮能力進一步提升，應急協(xié)調能力有了可靠數據依據。該礦3G無線通信建設優(yōu)勢展現(xiàn)在擴充了各生產系統(tǒng)數據容量，實現(xiàn)了數據傳輸質量和速率的提高，但是隨著現(xiàn)代化礦井生產技術和開采設備數字化集控程度的提高，原有的3G 通信網絡在傳輸速率、帶寬容量和信號覆蓋上已經不能滿足智慧礦山建設的需求。

因此，采用“萬兆光纖環(huán)網+4G無線寬帶專網”的整合技術，建立一套統(tǒng)一通信“一張網”數據傳輸網絡，以解決智慧礦山大數據傳輸量大、速率高的問題。

2 4G無線通信系統(tǒng)的建設

2.1 4G通信網絡構架

選用KT319-eSCN230型通信系統(tǒng)作為4G系統(tǒng)的核心網，整個礦區(qū)的4G網絡布置拓撲圖見圖1.

由圖1可知，該礦4G通信網絡主要是由全礦調度中心、地面環(huán)網終端、井下應用終端等系統(tǒng)組成，其各自的功能如下:

1) 全礦調度中心。在調度指揮中心主要集中布置4G通信系統(tǒng)的SCN230型核心網管理機，主要功能是完成全礦通信用戶管理、數據交換、提供網絡接口等。同時，將礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網絡服務器、地測GIS系統(tǒng)的網絡服務器和網關服務器都放置在調度指揮的通信機房內，以便各系統(tǒng)網絡的集中分類管理以及故障查找，各個服務器通過IP網絡與各種系統(tǒng)的終端設備連接，最終通過網管服務器對全部系統(tǒng)進行操作配置、管理、維護等。

2) 地面環(huán)網終端。在礦區(qū)的生活區(qū)和辦公區(qū)附近分別安裝4臺E3232型基站和通信天線，每臺基站實現(xiàn)礦區(qū)半徑5 km的覆蓋，發(fā)射端口及功率為4×20 W. 其主要功能是調制解調地面基站發(fā)出的信號，同時完成信號的駐波監(jiān)測和放大規(guī)模，進而分析處理數據，再利用萬兆光纖環(huán)網和礦區(qū)地面基站相連接，實現(xiàn)4G無線信號的全覆蓋。

圖1 斜溝煤礦4G網絡布置結構拓撲圖

3) 煤礦井下各工作面用戶端。工作面是礦井4G通信的最末端，而井下5個工作面、輔運大巷、皮帶運輸大巷等，是安裝設備最多，安全要求最嚴格的地方。因此，在井下各個工作面安裝使用了礦用隔爆兼本安型的通信設備，井下通信基站由KT319-F1-H核心基站和KT319-F1覆蓋基站組成，主要安裝在5個生產工作面、輔運大巷、皮帶運輸大巷等，最后通過工業(yè)萬兆光纖與地面通信環(huán)網相連接。

2.2 井下工作面 4G 無線通信網絡布置

以18505智能化綜采工作面為例，該工作面儲量546萬t，可采走向3 326 m，工作面長度300 m，其4G無線網絡結構布置示意圖見圖2.

圖2 18505智能化工作面4G無線網絡布置圖

由圖2可知，在18505智能化工作面的采煤機操控室安裝了1臺KT319-F1-H型核心基站，在主巷道、巷道轉角處和工作面機頭安裝了KT319-F1型覆蓋基站。同時在采煤機機頭、機尾安裝了高清攝像頭，用于實時監(jiān)控采煤機工作狀態(tài)，在破碎機和運輸皮帶附近也安裝了高清攝像頭，用于監(jiān)控皮帶上落煤情況和有無大石塊。通過在工作面重點位置安裝4G通信基站實現(xiàn)了工作面無線全覆蓋，能夠將設備狀態(tài)、工作面情況實時高清傳輸到控制室和調度中心，利用安裝在采煤機、破碎機等設備上的各個傳感器把設備的運行參數通過4G網絡傳輸給控制室和調度中心，做到了全面掌控工作面狀態(tài)。

3 4G無線通信系統(tǒng)的特點

3.1 信道容量大、穩(wěn)定性強

該礦4G無線通信網絡在技術路線上采用了TDD-LTE標準技術，具有連續(xù)演進能力及獨立的頻段分配，采用OFDM正交頻分多址和MIMO多發(fā)多收技術降低了路徑損耗，提高了單基站覆蓋距離和信道容量，具有3G無線系統(tǒng)移動性好的優(yōu)點，同時解決了3G系統(tǒng)帶寬不足的缺點以及WIFI無線通訊移動性差、連接不穩(wěn)定的問題。系統(tǒng)接入容量大、處理能力強，為無線高清攝像機、移動寬帶終端等設備提供足夠的帶寬和連接穩(wěn)定性。

3.2 萬兆光纖環(huán)網速率快、兼容性好

該礦的4G無線通信網絡以冗余的光纖千/萬兆環(huán)網為主干通訊網絡，通訊速率10 000 Mbit/s，30 ms的自愈時間短，通訊速率高，抗擾能力強。無線寬帶網絡以100 Mbit/s覆蓋為接入主網，通訊帶寬高、覆蓋距離遠，移動性強，滿足了斜溝煤礦井下移動設備多的需求。同時所有設備的接口兼容性好，實現(xiàn)了全礦各子系統(tǒng)及數據接入的統(tǒng)一平臺及數據的無縫對接。井上井下統(tǒng)一規(guī)劃，專網設計，信息安全性好。

4 4G無線通信系統(tǒng)的應用

目前，4G無線通信網絡已經廣泛應用于斜溝煤礦地面工業(yè)場地、輔運大巷、主運大巷、23111綜采工作面、18108綜采工作面等生產區(qū)域，實現(xiàn)了井下排水系統(tǒng)、壓風系統(tǒng)、井下運輸系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、綜合自動化子系統(tǒng)、皮帶機張力監(jiān)測系統(tǒng)、大型設備故障診斷系統(tǒng)、井下供風供水供液在線監(jiān)測系統(tǒng)、熱風爐在線監(jiān)測系統(tǒng)等的實時在線監(jiān)測及設備實時在線故障預警。4G無線通信系統(tǒng)的應用，使原設備維護人員減少75%，降低了設備維修率。4G網絡可實現(xiàn)設備實時診斷，設備廠商可通過該系統(tǒng)遠程實時監(jiān)控設備使用狀況，如有異常，可提前安排維修，避免了設備故障擴大化，減少了設備的損壞率。經估算，每月可節(jié)省工作面維修時間約100次×3 h=300 h，增加生產時間約240 h，增加產量10天×1萬t(天產煤量)=10萬t，增加效益10萬t×300元/t=3 000萬元，節(jié)約人工成本12月×30人×1.5萬元/人/月=540萬元。

5 結 語

高帶寬、高速率、穩(wěn)定性強的4G無線通信網絡是構建斜溝煤礦智慧礦山的重要基礎設施，通過建立智慧礦山高速信息傳輸通道，該礦實現(xiàn)了全礦生產、安全、調度、經營等所有數據一網傳輸，為未來實現(xiàn)數據聯(lián)動和大數據平臺建設打下了堅實基礎，同時提高了井下網絡運行穩(wěn)定性和安全性，有效減少了井下有線網絡設備的投入和維護。井下4G無線網絡的應用，使斜溝煤礦實現(xiàn)了井下重要生產區(qū)域實時監(jiān)控、遠程操作和維護，降低了設備故障率，提高了生產效率。