智能化矿井融合5G网络标准体系支撑煤矿高效安全发展

0、引言

数字化矿山是指利用信息技术将矿山全面数字化，实现矿山生产、管理、安全等各方面的智能化。数字化矿山可以提供更加准确、实时的数据信息，为决策者提供强有力的支持。地理信息系统（GIS）可以实现对矿山的全面监控，及时发现安全隐患，提高矿山安全性能。工业互联网是将互联网技术与工业生产相结合的一种新型模式。在矿山领域，工业互联网可以连接各种设备、传感器等，实现数据的共享与交流。通过工业互联网平台，矿山企业可以实现生产过程的全面优化，提高生产效率，降低能耗，作者参与智能化矿井融合 5G 网络标准体系建设云南省标准化研究项目并参与朱家湾煤矿智能化工作面改造设计工作，实现了减员增效，安全生产。

1、智慧煤矿的发展概述

矿井智能化是指利用先进的信息技术、通信技术、自动化技术等手段，实现矿井过程的全自动化、信息化、智能化。矿井智能化的意义在于提高生产效率、减少安矿井智能化已成为未来发展的必然趋势。然而，当前矿井智能化的发展还数据传输不及时等。因此，将 5G 技术引入智能化矿井[1]，可以大大提高矿 5G 技术是第五代移动通信技术，具有高速度、大容量、低延迟、高可靠性等特点。且延迟只有毫秒级。此外，5G 具有更高的可靠性，可实现更高效的无线频谱利用率。这些特点使得 5G 技术具有广泛的应用前景，如智能制造、矿井智能化等。

2、5G 与矿井融合的标准和规范

为了确保5G 技术与矿井的融合能够安全、可靠、高效地实现，需要遵循统一的网络、技术标准规范。

（1）技术要求：要确保5G 网络设备的可靠性和安全性，满足防爆、防水、防尘等要求，同时要确保网络设备的可维护性和可扩展性。

（2）网络架构：要建立完善的网络架构，包括核心网、汇聚层、接入层等，实现数据的快速传输和可靠交换。

按照行业/大类和标准状态进行分类统计，统计结果见表 1。

由表1 可知，智能化矿井融合 5G 网络标准体系中共计各类标准 530 个。其中：技术类标准19 个，占总数的比重为 3.58%；地质保障系统标准 70 个，占总数的比重为 13.21%；掘进系统标准 55 ↑ ，占总数的比重为 10.38%；综采系统标准74 个，占总数的比重为13.96%；主运系统标准71 个，占总数的比重为13.40%；辅运系统标准 32 个，占总数的比重为 6.04%；综合保障系统标准78 个，占总数的比重为14.72%；矿井安全管理标准59 个，占总数的比重为11.13%；5G 通信标准 38 个，占总数的比重为 7.17%；5G 管理标准 34 ↑ ，占总数的比重为 6.42%。智能化矿井融合 5G 网络标准体系中不同大类的标准在标准总数中所占的比重详见图 1。

（3）技术基础标准统计表

将技术基础标准中的第二层标准进行分类统计，统计结果见表2。

3、5G 网络架构与性能

5G 网络架构主要由核心网、汇聚层和接入层组成。核心网负责整个网络的路由和数据处理，汇聚层负责将接入层的数据汇总并传输到核心层，接入层则负责将各种终端设备连接到网络。在性能要求方面，5G 网络应具备高速率、大容量、低延迟等特点，同时要具备高可靠性和安全性。

目前，大部分矿山信息数据的传输均是采用光纤电缆有线传输，这种传输方式在设备运转时经常造成光纤电缆线被压坏，并且出现信息孤岛不能进行全矿井系统性的分析、处理。5G 通信技术的应用将使得矿山的通讯更加快捷、高效、安全。5G 网络具有高速、低延迟等特点，可以满足矿山生产过程中对通讯的需求。例如，在采矿过程中可以利用 5G 网络实时传输数据，确保生产过程中数据传输的稳定性；同时可以利用5G 网络实现远程控制和管理，提高生产效率和管理水平。人工智能技术是智慧矿山发展的关键技术之一。利用人工智能技术可以对大量数据进行处理和分析，从而为决策者提供强有力的支持。例如，利用巡检机器人学习算法可以对煤矿的瓦斯浓度，残余瓦斯含量等内容进行测定，并对生产数据进行处理和分析，判定作业环境的安全性并实时预警；利用自然语言处理技术可以实现智能语音交互，提高生产和管理效率。互联网技术在智慧矿山发展中的应用将会成为未来的发展趋势。通过引入互联网技术可以实现矿山生产的智能化、数字化和绿色化，提高生产效率和管理水平；同时也可以促进矿业的可持续发展和安全性能的提升。在未来的发展中应不断加强技术创新和管理创新，推进智慧矿山的进一步发展。

4、5G 技术在煤矿智能化建设中的应

4.1 5G 在矿井中的应用场景

5G 技术在矿井中具有广泛的应用场景，主要包括以下几个方面：

（1）井下数据采集：通过 5G 网络连接各种传感器和监测设备，实时采集井下的温度、湿度、水位、气体浓度等数据，传输到地面进行处理和分析。

（2）井下传输：利用 5G 网络实现井下各种数据的高速传输，包括矿井生产数据、安全监测监控数据、人员定位数据等，提高传输效率和实时性。

（3）数据处理和显示：通过对采集的数据进行及时处理和分析，生成相关报表和图表，为管理人员提供快速决策的依据。同时，利用 5G 网络将处理后的数据传输到各种显示设备上，方便人员了解井下情况。

（4）应急救援：在发生矿难时，利用5G 网络实现应急指挥和救援力量的快速调动，提高救援效率。

4.2 5G+自主采煤

朱家湾煤矿 152201 智能化回采工作面改造设机械智能化开采，一次采全高，开采煤层，工作面倾斜剩余长 5 电牵引采煤机，装机总功率 730KW，适应式液压支架，适应采高 2.0-3.6m，长 700t/h，长度200m，装机功率采煤机、刮板机、超前支护、组合开关程控制、综采设备的协同运行方式等方减员提效，实现安全、高效生产。相关传感器经过适当的校准采煤机机身智能化传感技术如图 2 所示。

工作面井下集控中心安装在距离设备列车1300 米处，设置集控主机、显示器、数据服务器、交换机等设备，分别对液压支架、采煤机、刮板输送机“三机”、泵站、胶带输送机、供电系统、语音通讯系统等设备进行远程管控[3]。显示器分别显示数据总集成画面、采煤机动作画面、采煤机摄像仪视频显示、集成泵站、“三机”设备、胶带输送机、语音通讯系统等操作。可以实现工作面的远程控制、数据查询、记录、上传等功能。

4.3 5G 远距控制

控制功能主要实现对液压支架、采煤机、刮板输送机的远程控制，实现对顺槽皮带运输机、泵站的集中远程控制。（1）液压支架远程控制

以电液控计算机的主画面和工作面的视频画面为辅助通过操作支架远程操作台实现单架降、移、升动作的手动控制功能，还能实现包括液压支架成组推溜、成组拉架、成组喷雾等控制延时不超过500m 。此功能主要用于人工干预。实现采煤时中部跟机动作控制，包括支架降、移、升、喷雾成组控制功能。显示所有支架立柱压力，推移行程，控制模式。显示所有支架控制器的急停状态、通信状态、驱动器与支架控制器通信状态[4]。可以在井下集控中心显示工作面液压支架姿态。

（2）采煤机远程控制

依据采煤机工况及工作面视频等数据，操作采煤机远程控制操作台，实现对采煤机的远程控制，远程控制功能包括采煤机启/停，控制延时不超过 500ms，采煤切割深度，行走速度，滚筒高度等内容，煤机自动记忆割煤。实现在顺槽和地面集控中心对采煤机电机运行电流、温度、置左右滚筒高度、主泵温度，实时远程自动监测、监控，还包括对采煤机启停运行状态、采煤机顺槽入到综合自动化平台，实现采煤机工况实时显示、远程操作控制、综采设备间联动、记忆切状态数据的分析和评估，实现采煤机的自动化控制。为了防止误操作，顺槽集控中心享有操作优先权，地面系统对设备的操作需顺槽集控系统授权。

（3）工作面三机、顺槽皮带运输机集中自动化控制

实现与工作面三机控制器的双向通信，实现对运输机、转载机及破碎机等设备的集中控制。在集中控制该系统实现对刮板运输机、转载机、破碎机的顺起逆停和单独启停两种控制功能[2]。实现工作面整个运输系统运行数据采集、监视；实现与顺槽皮带运输机控制系统的双向通信，实现三机集控时与皮带运输机的联锁控制，当皮带机停止时，立即停止三机的运行；三机就地控制时，不受皮带机的控制。远程集控模式下可实现刮板运输机与采煤机的闭锁，即当刮板运输机停止时，立即停止采煤机的运行。具备根据三机保护状态进行警告和停机功能，并进行故障记录。集中控制系统具有远程启动、停止和故障复位功能。

4.4 多系统联动（1）载荷联动

采煤机与运输系统具备载荷联动功能，集控中心实时监测到运输系统工作电流状况，当负荷较大时，集控系统将自动减慢采煤机的牵引速度，减少煤量。采煤机工况监测。

采煤机配备机载瓦检仪，当监测到的瓦斯浓度达到设定值（在规定值以下），采煤机具备自主减速和停机的功能。（3）采煤机与支架联动

通过电液控系统实时监测支架的护帮板状态（支护压力和收回状态）和自动化系统依据护帮板的实时状态，防止采煤机与支架之间碰撞。通过支架传感器监测到的数据，系统自动分析支架的状态，达到支架与采煤机互锁的效果。

5 结束语

朱家湾煤矿智能化改造前每班割 3 刀，每采煤班配备 20 人，改造后每班割 5 刀，每采煤班配备 6 人。通过智能化改造前后，日产量、人员、工效对比，发现 5G 智能化改造后，日产量提升66.7%，减员 70%，工效增加 420%，提升效果明显。工人劳动强度大大降低，采煤机实现自主割煤，液压支架自动跟机移架，自动推溜。