5G通信系统在煤矿安全中的应用

赵德伟　刘适永

【摘要】    从目前的发展情况来看，煤炭在我国能源行业中发挥着非常重要的作用。安全是煤矿开采中不可忽视的问题，因此受到了人们的广泛关注。煤矿开采中最常见的是顶板事故、瓦斯事故、机电事故等，这些在煤矿开采中属于比较严重的安全事故，除了影响煤矿企业的效益以外，最重要的是危及采矿人员的生命安全，所以，煤炭企业必须加大开采安全管理力度。随着我国科技水平的不断提高，5G技术得到了快速的发展，促进了我国煤矿安全技术水平的逐步提高，并成为新时代煤矿安全技术中的重要产物。在煤矿安全领域，如何正确使用5G通信技术来提高煤矿安全生产已成为企业的首要任务。基于此，本文探讨了5G通信系统在保障煤矿安全生产中的应用。

【关键词】    5G通信系统    煤矿安全    应用

引言：

在我国能源结构比例划分中，煤炭约占70%左右，从短期我国发展的趋势来看，该比例具有一定的持续性。因此，在未来能源运用中煤炭仍是主要来源。但是在煤炭开采过程中不可避免地存在诸多安全隐患，例如：瓦斯事故、顶板事故、机电事故等，对采矿人员的生命安全造成了一定的威胁，也严重影响了采煤的整体过程和企业的效益。经过多年来的创新和发展，我国煤矿安全防范技术得到了全面的完善，而5G新興技术的出现，加快了煤矿安全技术提升的脚步。因此，5G通信技术在煤矿安全中的应用是我国当前煤矿企业当前发展的重点。

一、5G技术及优势

5G技术又称第五代移动通信技术。相比传统的二代、三代、四代等技术，5G系统打破了传统单一的无线接入技术，是非常重要的技术类别，主要融合了全新的无线接入技术和新兴技术。在应用5G技术中，其技术具有一定的适应性，可以应对不同场景下的性能需求，通过组合不同技术的优势，可以有效解决传统模式下单一技术的不足之处。换而言之，5G创新过程就是有效融合5G技术与网络技术架构。无线技术具有规模大、内容多的特点，主要包含了天线阵列技术、多址技术和全频谱接入技术。5G在网络技术方面，主要是利用软件定义组网和网络功能虚拟化架构的模式，该模式可以满足目前社会的需求。此外，5G移动网络通信还包含正交频分复用滤波技术、灵活的双工技术、端到端的终端技术等。5G技术应用最大的优势是提升了第五代网络通信系统的性能。相比二代、三代、四代技术，5G移动网络通信技术具有多样化的优势，例如更宽的频谱、更低的延迟、更高的可靠性，重点是具有更高的安全性以及传输速度和传输容量。

二、5G通信系统在煤矿安全中的作用

（一）加快信息传播速度

5G技术最显著的特点是信息传播速度快。在煤矿企业生产过程中，需要对其安全进行全方位监控，监控数值是影响安全生产的关键。5G通信在信息高速传播的优势下简化了煤矿各种数据的监控。5G通信在开采过程中的应用，可实现对矿井实时监测，全面掌握矿井内的瓦斯含量以及分布情况，然后对开采地区进行合理的划分，找出适合开采区域，降低安全事故发生的几率。以矿井中的承载设备为例，在信息监测中，需要对设备的承载能力进行实时监测并做好数据记录，一旦与标准数据偏差就会增加安全风险的概率，在第一时间将信息发送至调度室，再尽快组织操作人员撤离现场，尽可能地降低人员伤亡。同时，可以精确到事故发生的位置，专业人员可对其进行全面的检查，找出存在问题，降低事故造成的损失。5G通信技术与探测技术结合的前提是掌握采区地质情况，并及时分析检测数据并传输检测结果，以确保采矿的平稳运行。因此，5G通信在煤炭行业中的应用，不但可以在第一时间内上报发生的事故，同时还可以详细分析灾害程度，为救援工作提供了一定的便利。5G监控技术在可靠性、功能消耗方面发挥着关键性的作用，加快了传输的速度，促进了井下各种作业应用的实施。

（二）促进煤炭安全技术创新

物联网自身的优势比较多样化，能够将采矿中的各种信息设备与连接人、机、物的网络相结合。5G正在推动物联网技术在煤矿安全中的应用，为开采过程中设施设备的升级提供了保障，开发出新型的煤矿安全监控系统，提高监测过程的灵敏度和结果的准确性，在一定程度上解决了传统监控系统的不足之处。为了保障煤矿开采的安全性，需要加强处理信息故障、系统封闭问题。此外，煤矿物联网技术的广泛应用，加快了与开放网络连接的概率，促进数据之间的高度集成，扩大整个网络的覆盖范围，从而提高煤矿自动化的综合水平，达到安全监控的目的。

三、5G通信系统在煤矿安全中存在的问题

（一）煤矿5G通信系统管理问题

目前5G无线通信系统已经得到了煤矿企业的广泛认可。如果在运用过程中仅使用语音和视频功能，很难最大化发挥5G技术的优势，从而导致可利用资源的浪费。随着5G使用频率的增多，相关管理和研发人员必须进一步加强研究，开发出相关的应用系统，例如：远程操作、自动驾驶，并完善相关制度。目前的5G煤矿通信规范已经建立，为井下生产数据的实时跟踪提供了一定的保障。对相关系统应用在煤矿开采中可能造成的风险和安全隐患，需要在第一时间内进行适当的修订，并发布相关的规定和技术指南。

（二）抗干扰技术难点

在煤炭开采中运用电容和电感滤波器，能够有效提高设备抑制干扰的能力。由于电容和电感自身具有储能的特点，为了确保该设备使用的安全性，需要在运用中限制电容和电感值。因此，为了防止安全事故，需要增强煤矿5G通信系统的干扰抑制能力，该问题是目前安全技术研究的关键。

（三）矿用5G上下行带宽问题

地面用5G设备在数据下载中的应用比较广泛，对上传数据的需求量少。因此，地面5G通信技术性能很强，下行带宽远大于上行带宽，因此，5G设备主要用于下载数据，为了确保井下使用的5G设备上行带宽大于下行带宽，必须对其进行改造以满足煤矿的使用需求。

四、5G通信系统在煤矿安全中的应用对策

（一）基本要求

为保证煤矿开采的安全性，需要加大5G通信技术的应用力度，实现矿井地表与井下两方面的安全性，使其符合煤矿安全生产标准，以及煤矿通信要求和标准，这是才能更好地保障煤矿的安全，促进煤矿安全开采。 因此，5G通信系统在应用过程中，必须满足这些基本要求。

（二）组网要求

为了提高通信信号的传输效率，除了确保无线传输稳定性和可靠性以外，还需要提高煤矿5G通信系统能的独立性和独网性，换句话说，5G通信系统不受外界网络断开或故障因素的影响，一直保持稳定、安全运行。因此，煤矿管理部门要根据公司自身需求情况，对该系统进行全面的评估，看其否满足企业相关要求，然后再提交审核。即使在煤矿开采中后期连入公共网络，都不会影响网络的独立、独网性。

（三）结合煤矿安全的需要制定相应的系统

煤矿开采中涉及的安全因素比较多样化。5G通信技术的应用需要建立相关的安全管理体系，并全面贯穿到整个开采过程。首先，在保障煤矿安全生产的过程中，需要加强现代煤炭工业一体化、自动化生产，在确保生产安全的前提下提高开采效率。在感知和控制层面需要加强生产系统、安全系统、供电系统和生产计划系统的管理。其次，创建通用系统的前提是完善系统数据库，在数据传输集成层面，标准数据库由专家数据和分析数据两部分组成，而关系数据库主要是由基础管理数据和标准业务数据组成。最后，在应用控制层中，重点构建完善的安全管理体系。也就是在传统模块的基础上，将智能安全管理分为物联网信息安全管理、煤矿安全评估管理、机电设备管理、重大灾害预防管理、矿山环境信息管理、导航分析管理六部分。结合这六点创建出具有完整的系统，保证采矿作业的效率和安全性。

（四）安全监测监控系统

基于安全监测系统的应用，提供了全方位的数据分析及管理支持，大大提高管理效率，降低管理成本，通过5G通信技术，快速共享多个关键井位数据。在平台的基础上进行了基本应用的更新，使系统应用具有GIS地图与CAD的不间断连接，简化了用户的传统操作工作，控制了井底不同位置的实际工况。系统具有自动生成报告的功能，借助数据和报表工具，可以轻松提供数据表格式，报表是文本或数据表，同时还具有强大的显示功能。系统监控屏可显示监控设备及道路风速、矿尘、瓦斯浓度等参数，并提供了极大的操作便捷性，以此判断采矿的安全性。基于系统的自动化功能，还具有自动报警功能。通过对数据进行实时处理，利用数据处理算法，对危险情况进行预警及分析，如语音传输、报警，具有精确的自动控制和手动控制。对于系统的自动控制包括本地控制、风能阻断控制和大数据分析，可以基于系统应用设置和数据信息控制，也可手动开启和关闭，确保了系统控制的准确性和及时性。系统使用了大量的模块，提高了系统的稳定性，有助于系统的故障排除和维修。

（五）采掘工作面5G远程控制方法

为了减少井下采矿工人数量，研究人员结合目前科技的创新，提出了一种用于采矿的无人5G远程地面控制方法。其原理是在煤机前端安装工业摄像头和传感器，并通过5G网络的优势，将监测的视频、音频和传感器信号传输到5G煤机工作台，地面操作人员只需要结合视频、音频、和传感器全面掌握设备的运行状况。该控制方法减少了煤矿井下采掘作业人员的数量，降低了人员事故发生的概率，将采掘工作转移到地面，改善了作业人员的工作环境，为煤矿企业的安全生产提供了一定的保障。无人地面远程控制的重点是信息传输系统，为了传输清晰、准确的信息，信息传输系统必须满足大带宽方面的使用要求;为了全方位的监测采掘工作面，信息传输系统需要具有低延迟的功能;为了實现控制，信息传输系统必须具有一定的可靠性和稳定性，为了便于移动采矿的使用和后期维护，需要正确使用无线接入方式，其主要是5G无线数据传输系统的优点比较多，例如大带宽、低时延、高可靠、无线接入等，是目前矿井实现无人地面远程控制的首先方式。

（六）从技术角度进行优化

基于当今信息技术的发展，5G、人工智能等在众多行业中得到应用。矿业作为传统行业，必须紧跟技术趋势。在升级采矿设备和技术的同时，加大技术的研究和进一步投入，打造高效运作的采矿信息平台。5G网络平台可用于内部监测预警，并为隐患做好防患于未然，降低事故发生频率。在实际应用中，需要关注煤矿生产建设的特点，还要根据安全事故，优化设计参数和指标。瓦斯浓度高的矿井，必须安装回风管道，以利于瓦斯的排出。对于远距离通风系统，在风机安装地点安装辅助地下风机。通过增加喷雾器数量来增加粉尘的扩散。

（七）大数据推动煤矿安全开采

大数据的应用，我国很多企业已搭建了煤矿一体化管控平台，通过打造工业互联网来实现云平台和大数据中心。如山东能源枣矿集团作为智能建设示范矿山，为煤炭企业的数据化建设提供了指导。基于透明矿山、双预警信息平台等，都离不开大数据技术的应用。5G数据可以减少井下和煤矿操作人员数量，重要的是可以保障现场人员的安全。采用远程控制实施，减少了人员巡查的工作强度和危险性，强化了重大灾害的防范和管理，实现了动态监测的实效性，进而对风险达到有效的防控。至于未来的采煤系统，离不开5G技术支持。地下 5G 应用可以将生产控制向后移动，对于复杂的井下作业，大大降低了现场人员的工作强度，进而改变了传统的井下生产方式，而且解决了传统作业的高风险问题，促进了煤炭安全高效开采。

（八）矿井监控系统在实际操作中的应用

矿井监控系统在矿井排水自动化中发挥着重要作用，可以对排水系统实施监控，并接收不同的水位信号，确保管理者实时监控排水系统的整体运行，为矿井管理提供了决策的依据。在当前水位和操作下，传统的移动传输带宽具有一定的局限性，主要是借助传感器和视频对水位信号进行检测。随着近些年移动网络技术的不断创新和发展，完善了实时传输监测信号的功能，但是受带宽和网速的限制，能够支持的监测视频的质量有限。受现场条件的影响，视频监控不能反映现场变化。通过5G通信技术的应用，可实时对监控区域进行全方位的连续检测，并且传输速率也非常快，使控制中心能够及时捕捉监测物体，并评估各区域的运行现状，为监控人员做出正确判断提供良好的依据，真正发挥远程监控系统的作用。

（九）在煤炭中对 5G 系统的应用，对 5G 加大资源的注入

在煤矿安全方面，要实现5G通信技术的合理发展，有必要将5G技术全面推广。目前国内煤矿安全创新较少，对于5G通信未得到充分的利用。基于现代信息化技术的发展，需要依托5G专业人员，与煤矿安全技术人员进行全面的交流，根据煤矿开采环境及自身特点进行研究，使5G技术与煤矿安全生产可以进行有效的结合。对于安全生产及5G技术应用，需要相关研究应加大资金投入，对技术人员进行培训。为研究人员建立奖励制度，确保人员可以积极参与，同时基于5G技术的创新思维，将在煤矿安全生产中得到有效的应用。专业人士需要深入了解5G特点，使5G技术使用起来更加流畅。基于新设备和新技术的使用，需要及时对相关专业技术人员进行培训，使专业技术与安全生产可以更好地融合。

（十）重视成本管控

5G网络系统的实施，需要大量投资成本。因此，在建设时，需要结合工程需求制定出不同的策略，通过探索找出成本最低的策略，大幅降低5G网络建设成本，从而降投资成本。为了促进供应商和企业的快速扩网，需要发挥电信运营商的作用，全面融入到矿井5G网络的建设工作中，实现了网络共享，降低了建设成本，提高了网络应用功能。

（十一）抗干扰要求

在煤矿开采过程中，5G通信系统如果用于用户语音和视频网络信号传输方面的功能，则需要根据矿井的要求，规范多基站移动通信系统通用规范文件，并加大检查力度，以此确定电磁的兼容性。例如：只有原机型获得并网授权后，才可以进行防爆改装，然后在根据煤矿开采要求进行兼容试验。

五、结束语

目前，5G技术在煤矿生产中虽然得到了广泛的应用，但是仍然存在不少问题，为了加快5G技术的发展，只能在生产应用中不断完善通信技术。更重要的是，5G技术是我国各行各业研究的重点，也是全面实现信息化的关键点。在煤炭产业发展中，现代信息技术的应用可以提高开采安全，有效推进现代化煤矿建设的智慧化和自动化建设与发展，提高开采技术和开采效率，壮大企业核心力量，为实现煤炭行业多元化发展提供一定的保障。

作者单位：赵德伟    刘适永    枣庄矿业（集团）有限责任公司蒋庄煤矿

参  考  文  献

[1]宋革非.5G通信系统在煤矿安全中的应用[J].矿业装备，2021（05）：16-17.

[2]孙继平.煤矿智能化与矿用5G和网络硬切片技术[J].工矿自动化，2021，47（08）：1-6.

[3]常琳，鄭慧莹，李鸣.煤矿5G通信系统的安全性研究[J].煤矿安全，2021，52（08）：137-141+146.