5G通信系統在煤礦安全中的應用

趙德偉　劉適永

【摘要】? ? 從目前的發(fā)展情況來看，煤炭在我國能源行業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用。安全是煤礦開采中不可忽視的問題，因此受到了人們的廣泛關注。煤礦開采中最常見的是頂板事故、瓦斯事故、機電事故等，這些在煤礦開采中屬于比較嚴重的安全事故，除了影響煤礦企業(yè)的效益以外，最重要的是危及采礦人員的生命安全，所以，煤炭企業(yè)必須加大開采安全管理力度。隨著我國科技水平的不斷提高，5G技術得到了快速的發(fā)展，促進了我國煤礦安全技術水平的逐步提高，并成為新時代煤礦安全技術中的重要產物。在煤礦安全領域，如何正確使用5G通信技術來提高煤礦安全生產已成為企業(yè)的首要任務?；诖?，本文探討了5G通信系統在保障煤礦安全生產中的應用。

【關鍵詞】? ? 5G通信系統? ? 煤礦安全? ? 應用

引言：

在我國能源結構比例劃分中，煤炭約占70%左右，從短期我國發(fā)展的趨勢來看，該比例具有一定的持續(xù)性。因此，在未來能源運用中煤炭仍是主要來源。但是在煤炭開采過程中不可避免地存在諸多安全隱患，例如：瓦斯事故、頂板事故、機電事故等，對采礦人員的生命安全造成了一定的威脅，也嚴重影響了采煤的整體過程和企業(yè)的效益。經過多年來的創(chuàng)新和發(fā)展，我國煤礦安全防范技術得到了全面的完善，而5G新興技術的出現，加快了煤礦安全技術提升的腳步。因此，5G通信技術在煤礦安全中的應用是我國當前煤礦企業(yè)當前發(fā)展的重點。

一、5G技術及優(yōu)勢

5G技術又稱第五代移動通信技術。相比傳統的二代、三代、四代等技術，5G系統打破了傳統單一的無線接入技術，是非常重要的技術類別，主要融合了全新的無線接入技術和新興技術。在應用5G技術中，其技術具有一定的適應性，可以應對不同場景下的性能需求，通過組合不同技術的優(yōu)勢，可以有效解決傳統模式下單一技術的不足之處。換而言之，5G創(chuàng)新過程就是有效融合5G技術與網絡技術架構。無線技術具有規(guī)模大、內容多的特點，主要包含了天線陣列技術、多址技術和全頻譜接入技術。5G在網絡技術方面，主要是利用軟件定義組網和網絡功能虛擬化架構的模式，該模式可以滿足目前社會的需求。此外，5G移動網絡通信還包含正交頻分復用濾波技術、靈活的雙工技術、端到端的終端技術等。5G技術應用最大的優(yōu)勢是提升了第五代網絡通信系統的性能。相比二代、三代、四代技術，5G移動網絡通信技術具有多樣化的優(yōu)勢，例如更寬的頻譜、更低的延遲、更高的可靠性，重點是具有更高的安全性以及傳輸速度和傳輸容量。

二、5G通信系統在煤礦安全中的作用

（一）加快信息傳播速度

5G技術最顯著的特點是信息傳播速度快。在煤礦企業(yè)生產過程中，需要對其安全進行全方位監(jiān)控，監(jiān)控數值是影響安全生產的關鍵。5G通信在信息高速傳播的優(yōu)勢下簡化了煤礦各種數據的監(jiān)控。5G通信在開采過程中的應用，可實現對礦井實時監(jiān)測，全面掌握礦井內的瓦斯含量以及分布情況，然后對開采地區(qū)進行合理的劃分，找出適合開采區(qū)域，降低安全事故發(fā)生的幾率。以礦井中的承載設備為例，在信息監(jiān)測中，需要對設備的承載能力進行實時監(jiān)測并做好數據記錄，一旦與標準數據偏差就會增加安全風險的概率，在第一時間將信息發(fā)送至調度室，再盡快組織操作人員撤離現場，盡可能地降低人員傷亡。同時，可以精確到事故發(fā)生的位置，專業(yè)人員可對其進行全面的檢查，找出存在問題，降低事故造成的損失。5G通信技術與探測技術結合的前提是掌握采區(qū)地質情況，并及時分析檢測數據并傳輸檢測結果，以確保采礦的平穩(wěn)運行。因此，5G通信在煤炭行業(yè)中的應用，不但可以在第一時間內上報發(fā)生的事故，同時還可以詳細分析災害程度，為救援工作提供了一定的便利。5G監(jiān)控技術在可靠性、功能消耗方面發(fā)揮著關鍵性的作用，加快了傳輸的速度，促進了井下各種作業(yè)應用的實施。

（二）促進煤炭安全技術創(chuàng)新

物聯網自身的優(yōu)勢比較多樣化，能夠將采礦中的各種信息設備與連接人、機、物的網絡相結合。5G正在推動物聯網技術在煤礦安全中的應用，為開采過程中設施設備的升級提供了保障，開發(fā)出新型的煤礦安全監(jiān)控系統，提高監(jiān)測過程的靈敏度和結果的準確性，在一定程度上解決了傳統監(jiān)控系統的不足之處。為了保障煤礦開采的安全性，需要加強處理信息故障、系統封閉問題。此外，煤礦物聯網技術的廣泛應用，加快了與開放網絡連接的概率，促進數據之間的高度集成，擴大整個網絡的覆蓋范圍，從而提高煤礦自動化的綜合水平，達到安全監(jiān)控的目的。

三、5G通信系統在煤礦安全中存在的問題

（一）煤礦5G通信系統管理問題

目前5G無線通信系統已經得到了煤礦企業(yè)的廣泛認可。如果在運用過程中僅使用語音和視頻功能，很難最大化發(fā)揮5G技術的優(yōu)勢，從而導致可利用資源的浪費。隨著5G使用頻率的增多，相關管理和研發(fā)人員必須進一步加強研究，開發(fā)出相關的應用系統，例如：遠程操作、自動駕駛，并完善相關制度。目前的5G煤礦通信規(guī)范已經建立，為井下生產數據的實時跟蹤提供了一定的保障。對相關系統應用在煤礦開采中可能造成的風險和安全隱患，需要在第一時間內進行適當的修訂，并發(fā)布相關的規(guī)定和技術指南。

（二）抗干擾技術難點

在煤炭開采中運用電容和電感濾波器，能夠有效提高設備抑制干擾的能力。由于電容和電感自身具有儲能的特點，為了確保該設備使用的安全性，需要在運用中限制電容和電感值。因此，為了防止安全事故，需要增強煤礦5G通信系統的干擾抑制能力，該問題是目前安全技術研究的關鍵。

（三）礦用5G上下行帶寬問題

地面用5G設備在數據下載中的應用比較廣泛，對上傳數據的需求量少。因此，地面5G通信技術性能很強，下行帶寬遠大于上行帶寬，因此，5G設備主要用于下載數據，為了確保井下使用的5G設備上行帶寬大于下行帶寬，必須對其進行改造以滿足煤礦的使用需求。

四、5G通信系統在煤礦安全中的應用對策

（一）基本要求

為保證煤礦開采的安全性，需要加大5G通信技術的應用力度，實現礦井地表與井下兩方面的安全性，使其符合煤礦安全生產標準，以及煤礦通信要求和標準，這是才能更好地保障煤礦的安全，促進煤礦安全開采。 因此，5G通信系統在應用過程中，必須滿足這些基本要求。

（二）組網要求

為了提高通信信號的傳輸效率，除了確保無線傳輸穩(wěn)定性和可靠性以外，還需要提高煤礦5G通信系統能的獨立性和獨網性，換句話說，5G通信系統不受外界網絡斷開或故障因素的影響，一直保持穩(wěn)定、安全運行。因此，煤礦管理部門要根據公司自身需求情況，對該系統進行全面的評估，看其否滿足企業(yè)相關要求，然后再提交審核。即使在煤礦開采中后期連入公共網絡，都不會影響網絡的獨立、獨網性。

（三）結合煤礦安全的需要制定相應的系統

煤礦開采中涉及的安全因素比較多樣化。5G通信技術的應用需要建立相關的安全管理體系，并全面貫穿到整個開采過程。首先，在保障煤礦安全生產的過程中，需要加強現代煤炭工業(yè)一體化、自動化生產，在確保生產安全的前提下提高開采效率。在感知和控制層面需要加強生產系統、安全系統、供電系統和生產計劃系統的管理。其次，創(chuàng)建通用系統的前提是完善系統數據庫，在數據傳輸集成層面，標準數據庫由專家數據和分析數據兩部分組成，而關系數據庫主要是由基礎管理數據和標準業(yè)務數據組成。最后，在應用控制層中，重點構建完善的安全管理體系。也就是在傳統模塊的基礎上，將智能安全管理分為物聯網信息安全管理、煤礦安全評估管理、機電設備管理、重大災害預防管理、礦山環(huán)境信息管理、導航分析管理六部分。結合這六點創(chuàng)建出具有完整的系統，保證采礦作業(yè)的效率和安全性。

（四）安全監(jiān)測監(jiān)控系統

基于安全監(jiān)測系統的應用，提供了全方位的數據分析及管理支持，大大提高管理效率，降低管理成本，通過5G通信技術，快速共享多個關鍵井位數據。在平臺的基礎上進行了基本應用的更新，使系統應用具有GIS地圖與CAD的不間斷連接，簡化了用戶的傳統操作工作，控制了井底不同位置的實際工況。系統具有自動生成報告的功能，借助數據和報表工具，可以輕松提供數據表格式，報表是文本或數據表，同時還具有強大的顯示功能。系統監(jiān)控屏可顯示監(jiān)控設備及道路風速、礦塵、瓦斯?jié)舛鹊葏?，并提供了極大的操作便捷性，以此判斷采礦的安全性?；谙到y的自動化功能，還具有自動報警功能。通過對數據進行實時處理，利用數據處理算法，對危險情況進行預警及分析，如語音傳輸、報警，具有精確的自動控制和手動控制。對于系統的自動控制包括本地控制、風能阻斷控制和大數據分析，可以基于系統應用設置和數據信息控制，也可手動開啟和關閉，確保了系統控制的準確性和及時性。系統使用了大量的模塊，提高了系統的穩(wěn)定性，有助于系統的故障排除和維修。

（五）采掘工作面5G遠程控制方法

為了減少井下采礦工人數量，研究人員結合目前科技的創(chuàng)新，提出了一種用于采礦的無人5G遠程地面控制方法。其原理是在煤機前端安裝工業(yè)攝像頭和傳感器，并通過5G網絡的優(yōu)勢，將監(jiān)測的視頻、音頻和傳感器信號傳輸到5G煤機工作臺，地面操作人員只需要結合視頻、音頻、和傳感器全面掌握設備的運行狀況。該控制方法減少了煤礦井下采掘作業(yè)人員的數量，降低了人員事故發(fā)生的概率，將采掘工作轉移到地面，改善了作業(yè)人員的工作環(huán)境，為煤礦企業(yè)的安全生產提供了一定的保障。無人地面遠程控制的重點是信息傳輸系統，為了傳輸清晰、準確的信息，信息傳輸系統必須滿足大帶寬方面的使用要求;為了全方位的監(jiān)測采掘工作面，信息傳輸系統需要具有低延遲的功能;為了實現控制，信息傳輸系統必須具有一定的可靠性和穩(wěn)定性，為了便于移動采礦的使用和后期維護，需要正確使用無線接入方式，其主要是5G無線數據傳輸系統的優(yōu)點比較多，例如大帶寬、低時延、高可靠、無線接入等，是目前礦井實現無人地面遠程控制的首先方式。

（六）從技術角度進行優(yōu)化

基于當今信息技術的發(fā)展，5G、人工智能等在眾多行業(yè)中得到應用。礦業(yè)作為傳統行業(yè)，必須緊跟技術趨勢。在升級采礦設備和技術的同時，加大技術的研究和進一步投入，打造高效運作的采礦信息平臺。5G網絡平臺可用于內部監(jiān)測預警，并為隱患做好防患于未然，降低事故發(fā)生頻率。在實際應用中，需要關注煤礦生產建設的特點，還要根據安全事故，優(yōu)化設計參數和指標。瓦斯?jié)舛雀叩牡V井，必須安裝回風管道，以利于瓦斯的排出。對于遠距離通風系統，在風機安裝地點安裝輔助地下風機。通過增加噴霧器數量來增加粉塵的擴散。

（七）大數據推動煤礦安全開采

大數據的應用，我國很多企業(yè)已搭建了煤礦一體化管控平臺，通過打造工業(yè)互聯網來實現云平臺和大數據中心。如山東能源棗礦集團作為智能建設示范礦山，為煤炭企業(yè)的數據化建設提供了指導?；谕该鞯V山、雙預警信息平臺等，都離不開大數據技術的應用。5G數據可以減少井下和煤礦操作人員數量，重要的是可以保障現場人員的安全。采用遠程控制實施，減少了人員巡查的工作強度和危險性，強化了重大災害的防范和管理，實現了動態(tài)監(jiān)測的實效性，進而對風險達到有效的防控。至于未來的采煤系統，離不開5G技術支持。地下 5G 應用可以將生產控制向后移動，對于復雜的井下作業(yè)，大大降低了現場人員的工作強度，進而改變了傳統的井下生產方式，而且解決了傳統作業(yè)的高風險問題，促進了煤炭安全高效開采。

（八）礦井監(jiān)控系統在實際操作中的應用

礦井監(jiān)控系統在礦井排水自動化中發(fā)揮著重要作用，可以對排水系統實施監(jiān)控，并接收不同的水位信號，確保管理者實時監(jiān)控排水系統的整體運行，為礦井管理提供了決策的依據。在當前水位和操作下，傳統的移動傳輸帶寬具有一定的局限性，主要是借助傳感器和視頻對水位信號進行檢測。隨著近些年移動網絡技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，完善了實時傳輸監(jiān)測信號的功能，但是受帶寬和網速的限制，能夠支持的監(jiān)測視頻的質量有限。受現場條件的影響，視頻監(jiān)控不能反映現場變化。通過5G通信技術的應用，可實時對監(jiān)控區(qū)域進行全方位的連續(xù)檢測，并且傳輸速率也非?？?，使控制中心能夠及時捕捉監(jiān)測物體，并評估各區(qū)域的運行現狀，為監(jiān)控人員做出正確判斷提供良好的依據，真正發(fā)揮遠程監(jiān)控系統的作用。

（九）在煤炭中對 5G 系統的應用，對 5G 加大資源的注入

在煤礦安全方面，要實現5G通信技術的合理發(fā)展，有必要將5G技術全面推廣。目前國內煤礦安全創(chuàng)新較少，對于5G通信未得到充分的利用。基于現代信息化技術的發(fā)展，需要依托5G專業(yè)人員，與煤礦安全技術人員進行全面的交流，根據煤礦開采環(huán)境及自身特點進行研究，使5G技術與煤礦安全生產可以進行有效的結合。對于安全生產及5G技術應用，需要相關研究應加大資金投入，對技術人員進行培訓。為研究人員建立獎勵制度，確保人員可以積極參與，同時基于5G技術的創(chuàng)新思維，將在煤礦安全生產中得到有效的應用。專業(yè)人士需要深入了解5G特點，使5G技術使用起來更加流暢?；谛略O備和新技術的使用，需要及時對相關專業(yè)技術人員進行培訓，使專業(yè)技術與安全生產可以更好地融合。

（十）重視成本管控

5G網絡系統的實施，需要大量投資成本。因此，在建設時，需要結合工程需求制定出不同的策略，通過探索找出成本最低的策略，大幅降低5G網絡建設成本，從而降投資成本。為了促進供應商和企業(yè)的快速擴網，需要發(fā)揮電信運營商的作用，全面融入到礦井5G網絡的建設工作中，實現了網絡共享，降低了建設成本，提高了網絡應用功能。

（十一）抗干擾要求

在煤礦開采過程中，5G通信系統如果用于用戶語音和視頻網絡信號傳輸方面的功能，則需要根據礦井的要求，規(guī)范多基站移動通信系統通用規(guī)范文件，并加大檢查力度，以此確定電磁的兼容性。例如：只有原機型獲得并網授權后，才可以進行防爆改裝，然后在根據煤礦開采要求進行兼容試驗。

五、結束語

目前，5G技術在煤礦生產中雖然得到了廣泛的應用，但是仍然存在不少問題，為了加快5G技術的發(fā)展，只能在生產應用中不斷完善通信技術。更重要的是，5G技術是我國各行各業(yè)研究的重點，也是全面實現信息化的關鍵點。在煤炭產業(yè)發(fā)展中，現代信息技術的應用可以提高開采安全，有效推進現代化煤礦建設的智慧化和自動化建設與發(fā)展，提高開采技術和開采效率，壯大企業(yè)核心力量，為實現煤炭行業(yè)多元化發(fā)展提供一定的保障。

作者單位：趙德偉? ? 劉適永? ? 棗莊礦業(yè)（集團）有限責任公司蔣莊煤礦

參? 考? 文? 獻

[1]宋革非.5G通信系統在煤礦安全中的應用[J].礦業(yè)裝備，2021（05）：16-17.

[2]孫繼平.煤礦智能化與礦用5G和網絡硬切片技術[J].工礦自動化，2021，47（08）：1-6.

[3]常琳，鄭慧瑩，李鳴.煤礦5G通信系統的安全性研究[J].煤礦安全，2021，52（08）：137-141+146.