煤矿井下通信技术的研究与应用

引言

煤矿井下作业环境复杂多变，存在高风险、高干扰等特点，通信技术作为保障井下生产安全与高效运行的关键支撑，其重要性不言而喻。有效的井下通信能实现实时调度、环境监测、应急救援等功能，对减少安全事故、提升生产效率意义重大。

一、煤矿井下通信技术现状与特点

1.1 现有主流通信技术

在煤矿井下复杂的环境中，多种通信技术各司其职，共同支撑着井下通信网络。漏泄通信技术凭借漏泄电缆外导体的特殊设计，如开设漏泄槽或采用疏编织结构，让电缆内部传输信号能漏泄到外部空间，实现与移动接收机的信号交互。这种技术在 VHF、UHF 频段表现出色，能为井下狭长巷道提供稳定的信号覆盖，有效解决了常规无线信号在封闭空间传播受阻的难题。射频识别（RFID）技术则聚焦于人员与设备的精准定位及识别。通过在人员安全帽、设备关键部位安装 RFID 标签，地面基站可实时读取标签信息，从而清晰掌握井下人员的位置分布、行动轨迹以及设备的运行状态，为生产调度与安全管理提供关键数据支持。

1.2 煤矿井下环境对通信技术的特殊要求

煤矿井下环境恶劣，对通信技术提出了严苛挑战。抗干扰性能是首要考量因素，井下各类电气设备运转产生的强电磁干扰，如同笼罩在通信信号上的阴霾，极易造成信号失真、中断。这就要求通信技术具备强大的抗干扰能力，如采用屏蔽线缆、抗干扰编码等技术手段，确保信号在复杂电磁环境中稳定传输。防爆性能关乎井下作业安全，任何微小的电火花都可能引发瓦斯爆炸等严重事故。传输距离也是关键，井下巷道蜿蜒曲折，距离可达数千米甚至更远。通信技术需具备长距离传输能力，同时要克服信号在传输过程中的衰减问题，对信号进行放大增强，保证信号能从井底深处稳定传输至地面控制中心。

二、煤矿井下通信关键技术研究

2.1 抗衰减与抗干扰通信技术

针对煤矿井下信号衰减快、电磁干扰强的问题，抗衰减技术通过优化信号传输路径与增强信号强度实现稳定通信。中继放大技术在巷道关键节点部署中继设备，对衰减信号进行放大再生，延长传输距离；分布式天线系统则将多个天线单元分散布置，通过信号分集接收减少阴影衰落影响。抗干扰技术聚焦于消除电磁干扰对信号的破坏，自适应跳频技术可实时监测干扰频段，自动切换至无干扰频率信道。

2.2 本安型通信设备设计与制造技术

本安型通信设备的核心是在电路设计与结构制造上实现防爆安全。电路设计采用限流、限压技术，通过精密电阻、稳压二极管等元件将电路中的能量限制在安全阈值内，即使发生短路或电火花，也不会引燃井下可燃性气体。设备外壳采用隔爆结构，通过间隙隔爆与耐压设计，将内部可能产生的爆炸能量限制在壳体内，防止火焰外泄。制造过程中严格控制材料选择与工艺精度，例如选用耐高温、抗腐蚀的合金材料，确保设备在潮湿、粉尘环境下的稳定性。设备需通过严苛的防爆认证测试，验证其在极端工况下的安全性能，从设计到制造的全流程保障井下作业安全。

2.3 多技术融合的异构网络架构构建技术

多技术融合的异构网络旨在整合不同通信技术的优势，构建全方位覆盖的井下通信系统。通过核心网关实现漏泄通信、无线传感器网络、RFID 等技术的协议转换与数据互通，形成语音通信、数据监测、定位追踪的一体化网络。网络架构采用分层设计，感知层负责环境与设备数据采集，传输层通过多技术协同实现信号接力传输，应用层则根据不同业务需求提供定制化服务。动态资源调度技术可根据业务优先级分配网络带宽。

2.4 应急通信保障与快速恢复技术

为在灾难发生之后确保通信链路畅通，使救援信息指令和救援过程中相关信息传输得以完成，所以研究应急通信技术非常有必要。应急通信技术通常采取平时建立多个通信冗余通道，设置好通信应急链路，这样在关键设备开通以后，还要设置应急通信链路，包括备用通信信道如光缆或者备用的无线基站等，以便灾难发生后进行自动切换。自适应恢复技术将自组织网络的算法和拓扑结构用于无线通信网络，利用冗余通信链路自适应恢复，如果有任意一个通信链路或通信节点出现问题时，此时就能够发现和建立新的传输链路，实现通信结构拓扑的自适应重建。现场救援应急通信技术的主要功能是使用便携式通信终端，这样就能保证在遇到灾难发生后，实现应急的设备架设。

三、煤矿井下通信技术应用

3.1 基于不同场景的通信系统设

根据煤矿井下多场景的不同需求来建立不同的通信系统。掘进面工作环境恶劣，设备频繁移动，工作环境粉尘大，选择能够抗干扰的无线 Mesh 网络配合本安型基站实现动态覆盖以保证掘进机与地面实时的数据通信，回采面考虑采煤机远程控制和人员定位的需求可以选择采用漏泄电缆与 RFID 定位系统，漏泄电缆来保障语音调度与重要数据的通信，RFID 标签实现人员和设备的实时定位。井下巷道是通道，可以采用光纤骨干网与无线中继相结合的方式，其中光纤来完成大容量数据的传输，无线中继解决盲点区域的覆盖，满足多区域协同通信需求。

3.2 系统集成与部署方案

一体化方案以层次化联接、安全共存为指导思想，低层是所有数据感知终端和传感器整合到网络中，通过统一数据接口连接到中间层，中间层采用光纤加无线融合网络，光纤用于接入重要巷道节点、无线网络覆盖矿井移动作业场所，实现数据流之间的平滑、透明传输，应用层建立一体化融合管控平台，各通信协议支持通信融合，可以实现不同系统平台的数据协同。按照上述原则，在危险性最大的区域率先安装应急通信设备，如避难硐室内安装卫星应急通信终端等，设置应急通信设备的安装符合防爆要求，应急通信基站设备、中继设备不得安装在周围有强电磁干扰的场所，采用光纤构建系统网络，则需要沿着巷道壁固定敷设光纤链路，做好光纤的保护措施，以便于系统全天候工作。

3.3 应用功能实现

主要功能：针对生产、运输安全保障的需求。语音功能可以实现组呼和点呼、呼点紧急通话，地面调度值班室可以与井下各区域进行联系，还可以在特殊紧急时进行群呼告警；数据功能可以实现主要设备的状态和环境监测数据的回传，如采煤机、运输机等设备运行的数据可以上传到井上，瓦斯传感器、温度传感器等监测数据出现异常时进行报警；图像功能可以通过本安摄像头进行特殊工位的拍摄，在 AI 算法的支持下进行异常工况的识别；应急功能可以在发生突发事故时快速地进行启用，迅速接入应急通信链路，显示遇险人员的位置，还可以进行救援指令的加密传送，以保障事故抢险的准确信息支撑。

结语

煤矿井下通信技术的研究与应用，为井下安全高效生产提供了关键支撑。现有技术及应用方案在抗干扰、防爆等方面取得进展，但仍需持续优化。未来应结合智能化技术，提升系统适应性与集成度，推动井下通信向更可靠、高效方向发展，助力煤矿行业安全智能化转型。

参考文献

[1]董丹，王超，李浩然.无线通信技术在煤矿井下人员定位系统安装中的应用[J].信息与电脑（理论版），2024，36（15）：145-148.

[2]李耀宗.无线通信技术在煤矿井下应急救援中应用[J].能源技术与管理，2020，45（05）：128-130.