矿井通信系统的组合应用分析

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【摘要】本文根据煤矿行业对通信产品的要求，介绍了目前煤矿使用的几种通信系统，产品功能、特点和应用环境。说明了井下使用两套通信系统的原因和规划，并分析了其在井下布置位置和方式及使用分析。

【关键词】井下无线通信；WLAN；自动化

引言

矿井通信系统作为矿井生产安全重要装备，在井下生产中扮演者越来越重要的角色，随着目前通信技术的快速发展，出现了众多新的通信系统。选择一种适合煤矿井下特殊环境的无线通信系统，对于实现井下生产及调度高效性和安全性，提高企业的信息化和自动化水平起着至关重要的作用。

1.煤矿行业对通信产品的要求

1.1 特性方面

煤矿井下环境特殊，适用于井下的通信系统有以下几个特点：井下空间狭小，可供布置设备空间有限，所以产品体积必须小，重量轻。井下有瓦斯危险性，通信产品须经过防爆认证。井下湿度大，粉尘浓度高，通信产品必须严格满足防水、防尘、耐腐蚀的要求。由于产品可能布置于机电硐室内，与强电设备距离较近，故抗电磁干扰能力要强。

1.2 功能方面

煤矿领导通过该系统及时了解井下人员及生产的情况，通过调度系统下达命令。井下人员通过通信系统及时向上级领导汇报现场情况，执行命令及处理问题。灾害发生时，根据地面指示及时疏散人员与组织抢险救援等。

2.现阶段主要井下通信系统特点

目前现阶段井下主要移动通信系统主要有：

2.1 有线通信

作为矿井最基本通信方式，通话质量好，安全稳定，同时也作为六大系统所要求的通信系统。设备简单可靠。

2.2 无线通信

（1）小灵通（PHS）：是固定电话的延伸，现阶段我国煤矿使用广泛，主要用于已建成矿井及老矿井。以语音通信为主，数据业务差，系统容量小，功能单一，主要用于语音通信，但对于数据传输较为困难，其未来因政策问题面临频率被取消的可能。

（2）WIFI（无线局域网）：基于标准的工业以太网传输网络，采用TCP/IP、WiFi、SHDSL等协议的通信系统，较为成熟，支持厂家多，应用广泛，价格适中。语音数据业务均可提供，系统容量大，通用化高，价格相对低廉；语音质量一般，保密性差。可与其他系统以太网络共用链路。

主要技术参数：工作频段2.4GHz；用户容量2000个；基站覆盖范围；100-500m。

（3）CDMA（码分多址）：矿用产品标准包括CDMA（2.5G）TD-SCDMA、WCDMA（3G）。道综合使用频分和码分多址技术，抗干扰能力强，低功率谱密度。该系统支持厂家较多，应用较为广泛。价格比WIFI略贵。语音数据业务均可提供，系统容量较大，通信质量好，价格较高。

主要技术参数：载波带宽1.25MHz；PN码片速率1.2288Mc/s；用户容量1000个；基站信号覆盖范围600-800m。

（4）4G无线通信系统：新一代高速率通信系统，支持超过5MHz信号带宽，技术先进，是无线通信系统未来发展方向，目前没有矿用型号，未来有望取代现矿用3G产品。

3.井下两套通信系统的应用分析

目前矿井井下通信系统使用3G或者WIFI用于井下环境，基本能满足井下语音通信的要求，但随着我国矿井自动化信息化水平不断提高，新建的大型矿井逐渐开始考虑井下少人或无人工作面开采，目前井下生产部分岗位已实现无人值守，无人/少人化工作面试未来工作面发展方向，这就需要在井下工作面、巷道等布置大量不知无线传感器，辅助采煤机及运输设备协通过工作。由于井下物联网的逐步实现，包括无人化工作面将在采煤机、刮板输送机、顺槽胶带输送机上使用大量无线传感器作为采集状态参量的装置，需要在采面布置工业以太网络，但由于工作面本身环境及经常移动所限，不易过多布置固定敷设的传感器及电缆，所以可采用WLAN网络作为无人化工作面的主要或者辅助生产网络。

未来矿井需完善物流配送系统，从物料采购到仓储再到运输全过程均需要监控。地面车辆运送出库入库，井下机车运送物料配送过程的全程路线状态的监控等，（未来向着井下无人化运输方向发展）

同时可将现有一些使用无线系统的监控子系统纳入WLAN系统，如井下无轨胶轮车监控、人员定位灯系统等。

故在井上下除需要自动化环网（主要负责生产、安全监控）、3G/4G无线网络（主要负责调度通信、个人业务等）还需要一个专门服务于井下物联网系统的无线网络。在这种情况下，WLAN系统可以很好的作为以上几种网络的补充。

WLAN作为井下物联网的主要传输通道，可将井下无线传感器、射频设备以及由于安装位置所限不易布线的传感器等均接入井下无线网络，同时确保与其他生产、辅助、安全系统各不相互干扰。

目前井下无线通信网络主要是WIFI、2G/3G居多。4G移动通信系统正在开发阶段，不久就会有相应产品投入使用。

目前陕煤集团小保当矿井井下通信系统规划方案采用4G+wifi规划。其4G系统主要为语音及人员定位使用，wifi系统作为井下物联网的主要传输通道。其井下无人化工作面中，刮板输送机，智能带式输送机所需要的无线传感器预留备用通道。还有井下全程物流配送系统等。

4.井下通信系统的布置与使用

由地面主机至井下基站的通信干线采用矿用阻燃光缆传输，可以通过井下工业自动化环网用以太网方式传输或者直接通过下井光缆传输。前者容易实现综合运行与管理，但由于井下工业自动化环网是一个集监控、通信、自动化于一体的综合传输平台，其Qos质量较传统的专用传输通道要低，可能会因为总带宽有限，矿井扩建后传输业务量持续增加，突发传输业务量高等原因造成临时通信的延时或质量下降。后者为传统传输方式，通过独立光纤传至井下，成为一个独立的系统，不受未来扩建或突发业务量变化的影响，与地面传输方式相同，抗干扰性、可靠性显著提高。

井下设备的布置：在井下主要胶带运输巷道及辅助运输巷道沿线设置基站。井下主要变电所内设置基站，采面可设置基站。

若井下巷道内有较大紧急避难硐室，信号不易覆盖到时，可以单独在硐室内设置基站。

井下本安基站供电电源127V，变电所中基站可由隔爆照明综保供电。巷道内或硐室内基站由就近大巷照明用综保供电。

在采区布置基站时，理论上信号虽可以覆盖到整个采面，但由于目前工作面长度一般都在几公里少则也有1公里，其供电电缆由于电压所限，不能全部由变电所直接供电，部分基站需要由采面设备直接提供127V电源（照明综保或者组合开关均可提供）。但由于煤矿井下可能会存在瓦斯超限的问题，一旦瓦斯浓度超过一定值（1.5%），井下安全监控系统会切断采区内全部非本质安全型设备，基站会失电，只能靠自身配有的电池持续一段时间，不能保证井下通信连续及可靠性，所以只能将基站布置在采区入口处，可由采区变电所提供电源。信号可以覆盖采区几百米左右，在这种情况下深入采区部分只能由有线通信与之相互配合。

在工业场地内可采用蜂窝网络全向天线覆盖，巷道内可以采用带状网络覆盖，采用定向天线。

此外可以利用通信终端使井下无线通信与井下人员定位完美融合，移动终端作为无线通信系统的独立接收单元，本身就具备无线定位功能，可以准确地将井下各区域的人员动态位置情况实时准确的传输到地面监控中心。

5.结语

井下wLAN与3G/4G网络的配合使用系统可以提供较大系统容量和优秀通信质量，并可提供语音、数据、图像、视频、人员定位等多种业务，完全符合煤矿井下特殊环境对通信系统的要求，也符合当前通信技术发展的主流趋势，其应用对于矿井通信的建设与发展具有重要的意义。

参考文献

[1]孙继平.矿井通信技术与系统[J].煤炭科学技术，2010.

[2]王安义，刘丽君，等.TD-SCDMA技术在煤炭行业中的应用分析[J].工矿自动化，2011（10）.

[3]孙继平.矿井宽带无线传输技术研究[J].工矿自动化，2013（02）.

作者简介：田心（1981―），男，北京人，大学本科，工程师，主要从事煤矿电气自动化、通信方面工程设计工作。