豹子沟煤业5G 无线通信系统的应用研究

王常军

（山煤国际能源集团股份有限公司煤业分公司蒲县豹子沟煤业，山西 临汾 041000）

网络是信号传递的基础，山西煤炭进出口集团豹子沟煤业有限公司与山西联通公司联合建设5G无线通信系统建设项目，采用对IPRAN 环网的改造及5G 基站的建设，实现煤矿4G+5G 网络的有效覆盖[1]。豹子沟煤业为推进“5G+智慧矿山”建设，在5G 无线通信系统建设的同时还引入矿用5G 本安手机、全功能型智能矿灯、矿用隔爆型无线转发器、矿用本安型4K 摄像仪、矿用本安型摄像仪等5G 设备，进一步提速智能调度系统的分析、决策与指令下达，实现井下生产作业、安全监测等热成像、红外线数据与地面智能化集中控制系统联通再升级，推动智慧矿山的建设。

1 工程概况

山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司由山西煤炭进出口集团对原山西煤炭进出口集团豹子沟煤业有限公司、山西蒲县利泰煤业有限公司、山西蒲县杨坡煤业有限公司及空白资源实施兼并重组的资源整合矿井。井田面积11.188 6 km2，生产能力90 万t/a，批准开采2～11 号煤层，保有资源/储量8691 万t，设计可采储量5295 万t，矿井服务年限42 a。瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井，水文地质类型属中等类型，9+10+11 号煤层自燃倾向性为Ⅱ类自燃，煤尘有爆炸性。

豹子沟煤业地面区域主要有生产区、办公区和生活区三大部分。生产区主要有洗煤车间、矿井水处理车间、机械设备维修车间、主井机房、变电站等部分；办公区主要有煤矿行政办公楼和党委办公楼；生活区主要有职工宿舍楼、职工食堂和上岗培训中心等[2]。

2 5G 无线通信系统建设的总体思路

豹子沟煤业与山西联通联合立项，深入调研，科学规划，确定5G 无线通信系统建设项目。通过对IPRAN 设备骨干环网的改造，来实现煤矿的通信需求，主要包括数据采集和上传系统、视频监控和监测系统、PLC 控制系统的网络通信；通过建设5G、NB、UWB 网络，依托5G 无线通信系统高速率和低时延特性，来实现煤矿的智能化作业，为实现智慧矿山奠定基础。

在该豹子沟煤业公司5G 无线通信系统的建设中以技术发展为驱动、以市场竞争为参考、以经济利益为基准，制定了煤矿行业相应网络指标要求。5G 室内覆盖主要采用室外宏站覆盖方式，5G 覆盖坚持室内外协同原则，矿区新建5G 宏站若干个，来对矿区地面区域进行深度覆盖。

豹子沟煤业公司5G 无线通信系统项目建设原则及思路：（1）组网，组网规划时考虑覆盖系统的高可靠性要求。（2）覆盖，确定天线的选型和合理布防，通过控制干扰的影响来保证覆盖。（3）容量，综合豹子沟煤业的业务需求进行规划。（4）性能，充分发挥室外站能力，实现对部分楼宇的5G 室内浅层覆盖。（5）扩容，预留扩容余地，以便建设后期可以进行相应的优化调整[3]。

3 5G 无线通信系统项目的方案制定

3.1 煤矿井上部分建设方案

豹子沟煤业公司5G 无线通信系统项目井上部分建设方案主要包括宏站规划、室内规划、信息传输规划三部分。

宏站规划：当前宏站站型有64T64R AAU 设备、32T32R AAU 设备、16T16R AAU 设备多种类型，当前基于智能化的智慧矿山建设对无线网络上下行速率、时延提出了更高要求，在该煤矿5G 项目建设中确定采用高容量的64T64R AAU 覆盖。

室内规划：室内规划覆盖方案以空间性整体覆盖为主，3 个配电室、3 个仓储、洗选车间、维修车间共8 处采用数字化室分设备覆盖，煤矿快速装车站1 处采用室外宏站覆盖，设备配备：BBU 2 台、RHUB 10 台、PRRU 42 台。

信息传输规划：豹子沟煤业公司以往采用中国联通4G 基站，本次新增站点在主线路上全部布设48 芯光缆；室分站点及支线路上全采用24 芯光缆，属矿区配线链路，保障后期业务的延续性[4]。

3.2 煤矿井下建设方案

煤矿井下设备的安装必须要考虑到矿用隔爆性能，基于井下安装空间的要求，要求设备具有小型化和低功耗的特点。基于以上情况，该项目井下建设方案采用数字化室分方案，采用BBU+集线设备（rHUB）+分布式的PicoRRU（天线一体化）方案布设[5]。

3.3 5G PRRU 外接天线的改造应用

当前考虑到无本安型设备，采用开发的已认证的隔爆型防爆壳进行防爆，但该隔爆型防爆壳会对PRRU 信号进行隔离，因此在该项目当中对PRRU进行外接天线的改造。改造完成后，单PRRU 与rHub 拉远距离可增大10 倍效果，达2 km 以上。

4 应用及效果分析

当前豹子沟煤业公司5G 无线通信系统项目已完成了全部的5G 基站及配套设施的建设，在10107综采工作面安装了5 个井下5G 防爆专用基站，已全部开通5G 信号，示意图如图1。

图1 10107 综采工作面5G 无线通信系统应用示意图

以该矿中央变电所区域和主斜井胶带运输机顺槽区域为例进行信号测试。测试结果表明：在中央变电所区域，距离基站300 m 处检测到5G 信号强度-108 dBm，信号格数0～2 格，下载和上传速率为215 Mbit/s、87 Mbit/s，信号覆盖半径为300 m，设备响应时延35 ms；在主斜井胶带运输机顺槽区域，距离基站250 m 处检测到5G 信号强度-118 dBm，信号格数0～1 格，下载和上传速率为15 Mbit/s、8 Mbit/s，信号覆盖半径为250 m，设备响应时延为37 ms。两区域中，中央变电所区域无明显阻挡物，但主斜井胶带运输机顺槽有较多障碍物进行阻挡。

通过中央变电所和主斜井胶带运输机顺槽两个不同区域的场景对比分析可知，明显障碍物可缩小5G 信号覆盖半径，衰减信号下载和上传速率，因此建设后期可根据检测结果来进行相应的优化调整。整体上来看，该煤矿建设的5G 基站的高速率和低时延完全可以满足该矿智能化建设的要求。

5 结语

豹子沟煤业公司大力建设井上井下“5G”网络，在10107 工作面安装了5 个井下5G 防爆专用基站，网络覆盖采煤区、皮带运输区、远程集中控制室和部分巷道、硐室。通过井上、井下5G 通信网络和大数据、云计算、物联网等智能化系统对接，可以实现井下语音、视频、数据一网承载，各种智能化操作系统信息一网传输，满足了井下大巷、综采工作面、掘进工作面等多种场景应用的信息化传输需求，保障了智能化矿山通信“高速公路”更快、更稳、更有效率。

5G 网络解决了时延问题后，采用可实时调整系统参数的全自动化放煤系统，能保证电液控装置、液压支架等放煤设备运行电流更稳定，矸石分离效果更好，原煤回收率可以相对提升5～6 个百分点，每个班多开采原煤1000 多吨。5G 无线通信系统项目的建设与应用为豹子沟煤业创造了经济效益。