基于煤矿光纤通信技术的研究与应用

舍晓东

【摘要】 过去的煤矿井下监测监控系统、人员定位监测系统均采用铜芯线缆作为主要通讯方式，随着网络科技发展结合煤矿的深部开采，铜芯线缆信号传输已不满足现在的煤矿发展，本文重点研究应用于煤矿井下采用光纤、光端收发器、千兆光纤以太网等作为信号传输系统，满足矿井信息化管理装备。

【关键词】 煤矿 光纤通信 以太网

Research and application of optical fiber communication technology based on coal mine

Abstract：The monitoring system， underground coal mine personnel positioning and monitoring system in the past using copper wire cable as the main means of communication， with deep network technology combined with the development of coal mining， copper core cable signal transmission has not meet the current development of the coal mine， this paper focuses on the research of application in coal mine by using optical fiber， optical fiber Ethernet， Gigabit transceiver as signal transmission system， to meet the mine information management equipment.

Key words： coal mine； optical fiber communication； Ethernet

一、概述

光纖通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。

1.1基本光纤通信系统

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。

1.2数字光纤通信系统

光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。

在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲”0”码和”1”码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。

二、基本构成

2.1光发信机

光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。

2.2光收信机

光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

2.3光纤或光缆

光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

2.4中继器

中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行整形。

2.5光纤连接器、耦合器等无源器件

由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km）。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

三、煤矿井下光纤通信的特点

在煤矿井下井下进行光纤通信，其系统构成和电路原理都与地面无异。只是在光缆和终端设备的制造方面，以及光缆的施工维护方面有一些特点。

3.1矿用阻燃光缆

煤矿井下使用的光缆，其外护套必须是阻燃的，以免发生火灾，火焰的蔓延仅在限定范围内，残焰或残灼在限定时间内能自行熄灭的光缆。根本特性是：在火灾情况下有可能被烧坏而不能运行，但可阻止火势的蔓延。通俗地讲，光缆万一失火，能够把燃烧限制在局部范围内，不产生蔓延，避免造成造成瓦斯爆炸、烧坏其他设备等更大的损失。

3.2本安型光端机

由于本安型电气设备的电路本身就是安全的，所产生的火花、电弧和热能都不会引燃周围环境爆炸性混合物，保证电器在其电源或内部储能元件短路时，产生的电火花不至于引爆达到起爆浓度的瓦斯，因此本安型电气设备不需要专门的防爆外壳，这样就可以缩小设备的体积和重量，简化设备的结构。

3.3光纤连接

目前煤矿井下连接光纤一般采用热熔为主，因煤矿井下有瓦斯、易爆炸，只能在通风良好的大巷内，而且要有瓦斯检查员现场实时监测瓦斯浓度。在采掘工作面及其他危险地点，只能线连接后，再移入使用巷道，给工作带来很大麻烦，因此在禹州枣园煤业有限公司采用新型快速连接器，能够很好解决现场布线作业和光纤到各个巷道的连接头。被广泛运用于井下现场需要快速连接的地方，为作业提供了一种快速稳定的连接。快速连接头现场组装因无需再进行胶水固化和研磨，这为工程师进行线路安装、维护和修理，以及井下采掘工作面工程提供了更快捷的帮助。 快速连接头的预埋式光纤和插芯端面的加工预研磨设计，保证了插芯端面的完美品质，因而有效保护用户设备接口的损坏，降低连接损耗。

四、煤矿选用光纤通信的优点

光纤通信有很多优点：它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在煤矿井下推广应用。

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

随着煤矿深部开采传输通信较长、信息点比较分散等程度来选择使用光纤，有利解决煤矿现代化。

五、煤矿光纤的应用

禹州枣园煤业有限公司目前井下安全监测监控系统、人员定位监测系统、语音广播系统、视频监控系统等已全部实现双纤双环网光纤通信技术与应用，井下敷设的光缆型号为20芯MGXTSV-20B矿用阻燃光缆，并且入井的光缆分两条巷道敷设，一条沿行人斜井、行人暗斜井、24采区轨道下山进入-340变电所，另一条沿皮带主斜井、皮带暗斜井、24采区皮带下山进入-340变电所，当一条光纤故障或拉断均实现正常通讯，杜绝通讯中断，避免造成井下各系统监控失效，停工停产等重大影响。井下在每一个水平、采区安装光纤交换机，并在-150变电所安装企业级千兆光纤以太网系统，使接收、发射通讯信号更加快，每循环周期由原来的45秒，缩短至6.5毫秒。

六、持续提升煤矿现代化

1、随着煤矿科技的发展，进一步提升矿井现代化程度，目前矿井通信联络系统还采用多芯铜线缆，在使用过程中非常笨重，下一步持续推广使用光纤通讯的成熟技术，目前回风立井已经使用光纤通信试运行阶段，因地面回风立井距数字程控调度交换机较远，敷设电话线不便利等原因，利用已敷设的光缆作为通信主干缆，使回风立井电话、视频图像、办公网络等已进入试运行，使用效果好及大面积推广，将井下各个区域、采掘头面实施改造和运用。

2、实现全矿井自动化管理及建设，将井下监测监控系统、人员定位、视频图像、供电控制等通過网络平台，集成汇集井上下各分支系统监控点的视频流、数据流、信息流，与矿区现有的信息化网络基础平台及其他子系统实现无缝对接，实现全矿井的数据采集、生产调度、经营管理、决策指挥的信息化、科学化，保证矿井安全生产、高效，提升企业的生产水平。整个系统分信息层、控制层和设备层三层体系结构。采用矿井目前所用的工业级千兆光纤以太环网技术保证系统的先进性、可靠性，并充分利用矿井的以太网资源，实现多网融合（如环境监测、人员定位、应急广播、调度电话、供电监控系统、视频监测、无线通信、设备监测、车辆监测等融入）。

3、地面网络实现光纤入户，提高办公效率、接入网络数字化电视、娱乐职工生活。作为通信传输系统的未来中坚力量，光纤的抗干扰性，抗电磁的特性更加迎合未来人类信息量大，精密度高的需求，而且低廉的价格使得光纤这种传输介质能得到很大范围的推广。但相对来说，光纤到户要很好的实现普及，还有好多问题要解决，比如发射以及接收端的技术以及硬件，还有传输系统的速度虽然可以提到G字节的速度上，但对于使用者来说，大信息量的处理，更需要更好的计算机来处理，因此，通信系统的提高，还一定程度上依赖于计算机技术的高速发展。

通过上述光纤通信的技术应用对煤矿、社会具有重大影响力，提高矿井对井下环境监测、地面的职工办公效率得到很大的方便，是计算机时代网络快速稳定，以太网可以很好的集成环境情况、井下人员监测情况和设备运转情况等，而后把这些信息传送到调度指挥中心，它可以高质高效地实时显示各子系统的监测监控信息状况和煤炭生产的各个环节情况，最后负责调度的相关人员在及时把控这些信息情况下，达到有效控制和调度指挥的目的，以此很好的确保煤矿企业的安全。