煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略研究

摘要：煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)是利用4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦井下無線通信的系統(tǒng)，具有提高通信質(zhì)量、保障礦工安全、提高生產(chǎn)效率和降低投資成本等優(yōu)勢。隨著時(shí)代的進(jìn)步，煤礦安全生產(chǎn)對于通信等各方面提出更高的要求，這就需要進(jìn)一步完善4G無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并朝著更加先進(jìn)的方向轉(zhuǎn)型，最大限度為煤礦井下生產(chǎn)提供充分的通信保障，從而促進(jìn)煤礦企業(yè)穩(wěn)定健康的發(fā)展?；诖耍疚膰@煤礦井下的特征，對煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：煤礦井下；4G無線通信系統(tǒng)；設(shè)計(jì)策略

一、引言

井下通信系統(tǒng)是煤礦安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵保障，主要包括有線通信系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、泄漏通信等。隨著技術(shù)的發(fā)展與革新，4G無線通信系統(tǒng)已經(jīng)成為煤礦井下管理與運(yùn)營的主要組成部分，有利于提高煤礦井下通信質(zhì)量、促進(jìn)煤礦井下信息化建設(shè)、提升煤礦井下安全生產(chǎn)水平、提高煤礦井下應(yīng)急救援效率。隨著4G/5G無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，未來，煤礦井下通信系統(tǒng)將更加智能化、高效化，為煤礦安全生產(chǎn)提供更有力的保障。

二、煤礦井下的特征

煤礦井下是指在地下一定深度范圍內(nèi)，進(jìn)行煤炭資源開采、生產(chǎn)和作業(yè)的區(qū)域。煤礦井下空間有限，環(huán)境惡劣，存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保障煤炭開采過程的安全、高效進(jìn)行，煤礦井下需要進(jìn)行通風(fēng)、排水、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)。煤礦井下特征體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

第一，惡劣的環(huán)境。煤礦井下的環(huán)境惡劣，主要包括高溫、高濕、高粉塵、高噪聲等。這些惡劣環(huán)境對礦工的身體健康和生命安全構(gòu)成威脅，需要采取有效的防護(hù)措施。

第二，復(fù)雜的地質(zhì)條件。煤礦井下的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，有巖漿巖、沉積巖等巖層結(jié)構(gòu)，包括斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造。這些復(fù)雜的地質(zhì)條件對煤礦井下的開采作業(yè)帶來極大挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行地質(zhì)勘探和監(jiān)測，以確保煤礦開采過程的安全。

第三，高度的風(fēng)險(xiǎn)性。煤礦井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高，主要包括瓦斯爆炸、煤塵爆炸、礦井水災(zāi)、頂板事故等。這些事故可能導(dǎo)致礦工傷亡、設(shè)備損壞，甚至引發(fā)礦難，需要加強(qiáng)安全管理，同時(shí)提升礦工的安全意識(shí)和技能水平。

第四，特殊的作業(yè)方式。煤礦井下的作業(yè)方式具有特殊性，主要包括采煤、掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)?。這些作業(yè)方式需要使用專門的設(shè)備和工具，如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、輸送機(jī)等。煤礦井下的作業(yè)方式的特殊性要求煤礦工人需要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，以確保作業(yè)安全[1]。

三、煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略

目前，煤礦井下通信系統(tǒng)普遍存在通信技術(shù)落后、通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全、通信設(shè)備老化、通信系統(tǒng)安全防護(hù)不足、通信管理體制不健全等問題。為了提高煤礦安全生產(chǎn)水平，需要針對這些問題，加強(qiáng)煤礦井下通信系統(tǒng)的研究和技術(shù)創(chuàng)新，完善通信管理制度，提高通信設(shè)備性能，確保煤礦井下通信系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。4G無線通信技術(shù)的應(yīng)用已非常成熟，其因強(qiáng)大的功能和穩(wěn)定的傳輸能力，能夠有效改善煤礦井下通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

（一）系統(tǒng)規(guī)劃

在設(shè)計(jì)煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)之前，需要對礦井的地理環(huán)境、礦井結(jié)構(gòu)、通信需求等進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和分析，以制定合理的系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案。具體流程如下：

第一，礦井地理環(huán)境調(diào)查。對礦井地理環(huán)境的調(diào)查應(yīng)包括礦井的深度、寬度、長度，以及礦井內(nèi)的通風(fēng)、排水、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)施。此外，還需要了解礦井所處的地理位置、地形地貌、氣候條件等因素，以便在系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案中充分考慮這些因素對通信系統(tǒng)性能的影響。

第二，礦井結(jié)構(gòu)分析。需要對礦井內(nèi)的巷道、硐室、工作面等結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，了解礦井內(nèi)的生產(chǎn)布局、工作流程、設(shè)備配置等情況。此外，還需關(guān)注礦井內(nèi)可能存在的通信盲區(qū)，如巷道交叉口、設(shè)備存放區(qū)等，以便在系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案中針對這些區(qū)域進(jìn)行特殊處理。

第三，通信需求分析。包括礦工之間的通信需求、礦工與地面管理人員之間的通信需求、礦井安全監(jiān)測與控制的通信需求等。通過對通信需求的分析，可以為制定系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

第四，根據(jù)對礦井地理環(huán)境、礦井結(jié)構(gòu)、通信需求的調(diào)查和分析結(jié)果，制定科學(xué)、合理的煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案。在方案中，應(yīng)充分考慮礦井的特點(diǎn)和需求，明確通信系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)、技術(shù)路線、設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等內(nèi)容[2]。

（二）基站選址和布局

第一，基站選址，應(yīng)遵循以下原則：1.選擇光線傳播損耗小的位置：在礦井內(nèi)選擇基站位置時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇光線傳播損耗較小的地方，從而降低信號(hào)衰減，提高信號(hào)質(zhì)量，保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。2.信號(hào)覆蓋范圍大：在選擇基站位置時(shí)，應(yīng)充分考慮信號(hào)覆蓋范圍?；镜牟季謶?yīng)能覆蓋礦井的主要工作區(qū)域，確保礦工在作業(yè)過程中能夠順暢地進(jìn)行通信。

第二，基站布局優(yōu)化，應(yīng)從以下幾個(gè)方面綜合考慮：1.基站的數(shù)量：在礦井內(nèi)部署4G無線通信基站時(shí)，需要根據(jù)礦井的規(guī)模、巷道布局、通信需求等因素合理確定基站的數(shù)量。過多的基站會(huì)增加建設(shè)成本，過少的基站可能導(dǎo)致通信盲區(qū)。2.基站位置：在確定基站位置時(shí)，除了考慮信號(hào)傳播損耗和覆蓋范圍外，還需關(guān)注礦井內(nèi)的生產(chǎn)布局、工作流程、設(shè)備配置等因素。值得注意的是，應(yīng)避免將基站設(shè)置在通風(fēng)、排水、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)施的通道上，以免影響礦井的正常運(yùn)行。3.基站布局：在布局基站時(shí)，應(yīng)充分利用礦井內(nèi)的巷道、硐室等結(jié)構(gòu)，使基站之間的信號(hào)覆蓋范圍相互補(bǔ)充，盡量避免信號(hào)盲區(qū)。此外，還要考慮基站的可及性，方便日后的維護(hù)和管理[3]。

（三）基站設(shè)備選型

第一，防水特性。煤礦井下的基站設(shè)備應(yīng)具備良好的防水性能，以應(yīng)對礦井內(nèi)的高濕度環(huán)境。設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)選擇采用防水設(shè)計(jì)、密封性能好的設(shè)備，確保設(shè)備在水分侵蝕下仍能保持穩(wěn)定的工作性能。此外，還需注意設(shè)備內(nèi)部元器件的防水性能，避免因水汽侵入元器件導(dǎo)致設(shè)備故障。

第二，防塵特性。煤礦井下的基站設(shè)備應(yīng)具備較強(qiáng)的防塵能力，以應(yīng)對礦井內(nèi)的高粉塵環(huán)境。設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)選擇采用防塵設(shè)計(jì)、密封性能好的設(shè)備，確保設(shè)備在粉塵影響下仍能保持正常的通信性能。此外，還需注意設(shè)備內(nèi)部元器件的防塵性能，避免粉塵堆積導(dǎo)致設(shè)備故障。

第三，防爆特性。煤礦井下的基站設(shè)備應(yīng)具備防爆性能，以防止因火花、靜電等原因引發(fā)的礦井火災(zāi)和爆炸事故造成通信中斷。設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)選擇符合防爆標(biāo)準(zhǔn)、采用防爆設(shè)計(jì)的設(shè)備，確保設(shè)備在爆炸等特殊情況下仍能正常工作。此外，還需注意設(shè)備內(nèi)部元器件的防爆性能，避免因元器件故障引發(fā)的安全事故。

第四，優(yōu)質(zhì)的品牌與售后服務(wù)。在選擇煤礦井下基站設(shè)備時(shí)，應(yīng)選擇具有良好口碑和較高市場份額的品牌。同時(shí)，要關(guān)注廠家的售后服務(wù)，確保在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)獲得廠家的技術(shù)支持和維修服務(wù)[4]。

（四）通信終端設(shè)備選擇

第一，續(xù)航能力。礦井下的通信終端設(shè)備通常需要長時(shí)間運(yùn)行，因此，其續(xù)航能力至關(guān)重要。在設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)選擇電池容量較大、充電效率較高的設(shè)備，確保設(shè)備在礦工作業(yè)期間能夠持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。同時(shí)，可以考慮選用太陽能充電或無線充電等環(huán)保、便捷的充電方式，提高設(shè)備的續(xù)航性能。

第二，通信性能。通信終端設(shè)備的通信性能直接影響礦工之間的通信質(zhì)量和效率。在設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)選擇具有較高通信速率、信號(hào)覆蓋范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)的設(shè)備，以確保礦井內(nèi)無線通信系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

第三，操作便利性。為了提高礦工的工作效率，通信終端設(shè)備應(yīng)具備易操作、人性化的設(shè)計(jì)。在設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)綜合考慮設(shè)備的重量、尺寸、按鍵布局等因素，選擇便于礦工攜帶和使用的產(chǎn)品。同時(shí)，設(shè)備的顯示屏應(yīng)具備較高的清晰度和亮度，以便礦工在在光線較暗的礦井環(huán)境下仍能清晰地查看信息。需要注意的是，也需要關(guān)注設(shè)備的擴(kuò)展性和兼容性。

（五）網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

煤礦井下的特殊環(huán)境對4G無線通信網(wǎng)絡(luò)提出了極高的挑戰(zhàn)：首先，礦井內(nèi)的通信距離較遠(yuǎn)，信號(hào)衰減嚴(yán)重；其次，礦井內(nèi)存在大量的金屬設(shè)備，容易產(chǎn)生電磁干擾；最后，礦井內(nèi)的環(huán)境復(fù)雜多變，通風(fēng)、排水、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)施的布局對通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和質(zhì)量均會(huì)產(chǎn)生影響。

針對煤礦井下的特殊環(huán)境，需要對4G無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，提高信號(hào)質(zhì)量，擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍，從具體的優(yōu)化方式而言，可采用增強(qiáng)型小區(qū)間切換技術(shù)、動(dòng)態(tài)信道選擇技術(shù)手段和其他網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略：

第一，增強(qiáng)型小區(qū)間切換技術(shù)。為了應(yīng)對煤礦井下通信距離遠(yuǎn)、信號(hào)衰減嚴(yán)重的問題，可以采用增強(qiáng)型小區(qū)間切換技術(shù)。該技術(shù)可以在不同基站之間實(shí)現(xiàn)無縫切換，確保終端設(shè)備在礦工移動(dòng)過程中始終保持良好的通信狀態(tài)。通過優(yōu)化小區(qū)間切換參數(shù)，可以降低切換失敗率，提高通信質(zhì)量和穩(wěn)定性。

第二，動(dòng)態(tài)信道選擇技術(shù)。煤礦井下的4G無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)信道選擇技術(shù)，以提高信號(hào)質(zhì)量，擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍。該技術(shù)可以根據(jù)實(shí)時(shí)的信道質(zhì)量信息，動(dòng)態(tài)選擇最優(yōu)的信道進(jìn)行通信。當(dāng)某個(gè)信道受到干擾或質(zhì)量下降時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)切換到其他信道，確保通信的穩(wěn)定性和可靠性。

第三，其他網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略。除了采用增強(qiáng)型小區(qū)間切換技術(shù)和動(dòng)態(tài)信道選擇技術(shù)外，還可以采取這些網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略：1.調(diào)整基站參數(shù)，提高信號(hào)發(fā)射功率和增益，降低信號(hào)衰減；2.采用智能天線技術(shù)，降低信號(hào)干擾，提高信號(hào)質(zhì)量；3.對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定期巡檢和優(yōu)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障[5]。

（六）安全保障

在設(shè)計(jì)煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮通信系統(tǒng)的安全性，如防止通信干擾、確保通信保密等。此外，還需制定應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)對可能出現(xiàn)的突發(fā)事件?？傊?，需多措并舉，保證煤礦井下的4G無線通信網(wǎng)絡(luò)具備如下性能：

第一，煤礦井下的4G無線通信系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，以保證通信質(zhì)量。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮通信信號(hào)的傳輸路徑和可能受到的干擾源，并針對性地采用合適的抗干擾技術(shù)，如自適應(yīng)均衡、信道編碼等，以降低通信干擾對系統(tǒng)性能的影響。同時(shí)，應(yīng)定期對通信系統(tǒng)進(jìn)行檢測和維護(hù)，確保系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

第二，煤礦井下的4G無線通信系統(tǒng)涉及礦井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、調(diào)度指令等敏感信息，因此通信保密至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)采用加密算法對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸，確保信息傳輸?shù)陌踩?。同時(shí)，對通信設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的權(quán)限管理，防止未經(jīng)授權(quán)的用戶接入系統(tǒng)。此外，應(yīng)定期對通信系統(tǒng)進(jìn)行安全檢查和升級(jí)，以應(yīng)對新的安全威脅。

第三，應(yīng)建立完備的應(yīng)急預(yù)案。在設(shè)計(jì)和運(yùn)行煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)制定應(yīng)急預(yù)案，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的突發(fā)事件，如設(shè)備故障、通信中斷等。應(yīng)急預(yù)案應(yīng)包括應(yīng)急組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)急響應(yīng)流程、應(yīng)急資源配置等多方面的內(nèi)容。同時(shí)，應(yīng)定期組織應(yīng)急演練，提高系統(tǒng)及人員的應(yīng)急響應(yīng)能力和協(xié)同處理能力，確保在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)能夠迅速、有效地進(jìn)行處置。

（七）系統(tǒng)維護(hù)與管理

為確保煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要建立健全的維護(hù)和管理制度，定期對通信設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)，確保設(shè)備性能良好。

第一，為了保證煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要建立健全的維護(hù)管理制度，包括設(shè)備維護(hù)、故障處理、巡檢、保養(yǎng)等方面的規(guī)定。同時(shí)，應(yīng)明確各級(jí)維護(hù)人員的職責(zé)和分工，確保各個(gè)環(huán)節(jié)的工作都GJk1/TDjwRcraC2zjdvrkg==能得到有效執(zhí)行。此外，應(yīng)制定詳細(xì)的維護(hù)計(jì)劃和標(biāo)準(zhǔn)操作流程，為維護(hù)人員提供明確的流程和技術(shù)指導(dǎo)。

第二，定期對通信設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)。煤礦井下環(huán)境惡劣，通信設(shè)備容易出現(xiàn)故障。因此，定期對通信設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)至關(guān)重要。檢查和維護(hù)工作包括對設(shè)備的外觀、結(jié)構(gòu)、性能等方面進(jìn)行全面檢查，以及對設(shè)備的電池、天線、饋線等關(guān)鍵部件進(jìn)行定期保養(yǎng)。通過這些措施，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除設(shè)備故障，確保設(shè)備性能良好。

第三，在煤礦井下，通信設(shè)備故障可能會(huì)影響到礦工的生命安全。因此，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備故障處理和搶修工作的管理，具體包括：建立快速響應(yīng)的故障報(bào)修機(jī)制，確保故障信息能夠及時(shí)反饋給維護(hù)人員；加強(qiáng)維護(hù)人員的技能培訓(xùn)，提高故障診斷和處理能力；完善備品備件的儲(chǔ)備和配送機(jī)制，確保故障設(shè)備能夠迅速得到修復(fù)[6]。

四、結(jié)束語

綜上所述，煤礦井下是煤炭開采、生產(chǎn)和作業(yè)的區(qū)域，環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜，作業(yè)方式有高度的風(fēng)險(xiǎn)性。因此，工作人員在設(shè)計(jì)煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮礦井的特殊環(huán)境和通信需求，合理規(guī)劃基站選址和布局，選擇適合的通信設(shè)備，提供滿足礦工需求的通信業(yè)務(wù)，并確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

作者單位：彭飛 國能新疆屯寶礦業(yè)有限責(zé)任公司

彭飛（1977.09-），男，漢族，新疆烏魯木齊，本科，工程師，研究方向：礦井通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王昆.煤礦井下無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].能源技術(shù)與管理，2022，47（03）：188-190.

[2]劉曾輝.無線通信在煤礦井下的應(yīng)用實(shí)踐[J].長江信息通信，2022，35（05）：183-185.

[3]潘明亮.煤礦井下4G無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022，12（03）：89-91.

[4]李超.煤礦井下4G通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].河南科技，2021，40（01）：48-50.

[5]肖媛.煤礦井下無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用[J].煤，2019，28（03）：41-42.