斜沟煤矿智慧矿山4G通讯网络的应用

康志华

(山西西山晋兴能源公司 斜沟煤矿， 山西 兴县 033299)

斜沟矿井是一座年产1 500万t的现代化矿井，随着传统能源行业改革步伐的加大，斜沟煤矿也在建设智慧型标杆矿井上加大力度，智慧型矿山的建设首要解决的是煤矿各个生产系统的通信网络的建设问题，只有将煤矿井下各个生产系统的数据准确、快速地传输到生产调度指挥系统的管控云平台，矿山管理者和决策者才能实现对矿山的全面管控。因此，采用先进通信技术，满足井下安全生产特殊需求，构建一个信号覆盖广、数据传输快的矿山通信网络是斜沟煤矿建设智慧矿山的基础工作。

1 井下无线通信系统概况

斜沟煤矿原有的主要通信网络采用的是基于TD-SCDMA标准的矿用井下3G 无线通信网络，在当时技术条件下初步实现了井下人员分布定位、移动通话、安全信息发布和重要设备数据传输监控等功能。3G 无线通信网络使斜沟煤矿的生产调度指挥能力进一步提升，应急协调能力有了可靠数据依据。该矿3G无线通信建设优势展现在扩充了各生产系统数据容量，实现了数据传输质量和速率的提高，但是随着现代化矿井生产技术和开采设备数字化集控程度的提高，原有的3G 通信网络在传输速率、带宽容量和信号覆盖上已经不能满足智慧矿山建设的需求。

因此，采用“万兆光纤环网+4G无线宽带专网”的整合技术，建立一套统一通信“一张网”数据传输网络，以解决智慧矿山大数据传输量大、速率高的问题。

2 4G无线通信系统的建设

2.1 4G通信网络构架

选用KT319-eSCN230型通信系统作为4G系统的核心网，整个矿区的4G网络布置拓扑图见图1.

由图1可知，该矿4G通信网络主要是由全矿调度中心、地面环网终端、井下应用终端等系统组成，其各自的功能如下:

1) 全矿调度中心。在调度指挥中心主要集中布置4G通信系统的SCN230型核心网管理机，主要功能是完成全矿通信用户管理、数据交换、提供网络接口等。同时，将矿井视频监控系统的网络服务器、地测GIS系统的网络服务器和网关服务器都放置在调度指挥的通信机房内，以便各系统网络的集中分类管理以及故障查找，各个服务器通过IP网络与各种系统的终端设备连接，最终通过网管服务器对全部系统进行操作配置、管理、维护等。

2) 地面环网终端。在矿区的生活区和办公区附近分别安装4台E3232型基站和通信天线，每台基站实现矿区半径5 km的覆盖，发射端口及功率为4×20 W. 其主要功能是调制解调地面基站发出的信号，同时完成信号的驻波监测和放大规模，进而分析处理数据，再利用万兆光纤环网和矿区地面基站相连接，实现4G无线信号的全覆盖。

图1 斜沟煤矿4G网络布置结构拓扑图

3) 煤矿井下各工作面用户端。工作面是矿井4G通信的最末端，而井下5个工作面、辅运大巷、皮带运输大巷等，是安装设备最多，安全要求最严格的地方。因此，在井下各个工作面安装使用了矿用隔爆兼本安型的通信设备，井下通信基站由KT319-F1-H核心基站和KT319-F1覆盖基站组成，主要安装在5个生产工作面、辅运大巷、皮带运输大巷等，最后通过工业万兆光纤与地面通信环网相连接。

2.2 井下工作面 4G 无线通信网络布置

以18505智能化综采工作面为例，该工作面储量546万t，可采走向3 326 m，工作面长度300 m，其4G无线网络结构布置示意图见图2.

图2 18505智能化工作面4G无线网络布置图

由图2可知，在18505智能化工作面的采煤机操控室安装了1台KT319-F1-H型核心基站，在主巷道、巷道转角处和工作面机头安装了KT319-F1型覆盖基站。同时在采煤机机头、机尾安装了高清摄像头，用于实时监控采煤机工作状态，在破碎机和运输皮带附近也安装了高清摄像头，用于监控皮带上落煤情况和有无大石块。通过在工作面重点位置安装4G通信基站实现了工作面无线全覆盖，能够将设备状态、工作面情况实时高清传输到控制室和调度中心，利用安装在采煤机、破碎机等设备上的各个传感器把设备的运行参数通过4G网络传输给控制室和调度中心，做到了全面掌控工作面状态。

3 4G无线通信系统的特点

3.1 信道容量大、稳定性强

该矿4G无线通信网络在技术路线上采用了TDD-LTE标准技术，具有连续演进能力及独立的频段分配，采用OFDM正交频分多址和MIMO多发多收技术降低了路径损耗，提高了单基站覆盖距离和信道容量，具有3G无线系统移动性好的优点，同时解决了3G系统带宽不足的缺点以及WIFI无线通讯移动性差、连接不稳定的问题。系统接入容量大、处理能力强，为无线高清摄像机、移动宽带终端等设备提供足够的带宽和连接稳定性。

3.2 万兆光纤环网速率快、兼容性好

该矿的4G无线通信网络以冗余的光纤千/万兆环网为主干通讯网络，通讯速率10 000 Mbit/s，30 ms的自愈时间短，通讯速率高，抗扰能力强。无线宽带网络以100 Mbit/s覆盖为接入主网，通讯带宽高、覆盖距离远，移动性强，满足了斜沟煤矿井下移动设备多的需求。同时所有设备的接口兼容性好，实现了全矿各子系统及数据接入的统一平台及数据的无缝对接。井上井下统一规划，专网设计，信息安全性好。

4 4G无线通信系统的应用

目前，4G无线通信网络已经广泛应用于斜沟煤矿地面工业场地、辅运大巷、主运大巷、23111综采工作面、18108综采工作面等生产区域，实现了井下排水系统、压风系统、井下运输系统、通风系统、综合自动化子系统、皮带机张力监测系统、大型设备故障诊断系统、井下供风供水供液在线监测系统、热风炉在线监测系统等的实时在线监测及设备实时在线故障预警。4G无线通信系统的应用，使原设备维护人员减少75%，降低了设备维修率。4G网络可实现设备实时诊断，设备厂商可通过该系统远程实时监控设备使用状况，如有异常，可提前安排维修，避免了设备故障扩大化，减少了设备的损坏率。经估算，每月可节省工作面维修时间约100次×3 h=300 h，增加生产时间约240 h，增加产量10天×1万t(天产煤量)=10万t，增加效益10万t×300元/t=3 000万元，节约人工成本12月×30人×1.5万元/人/月=540万元。

5 结 语

高带宽、高速率、稳定性强的4G无线通信网络是构建斜沟煤矿智慧矿山的重要基础设施，通过建立智慧矿山高速信息传输通道，该矿实现了全矿生产、安全、调度、经营等所有数据一网传输，为未来实现数据联动和大数据平台建设打下了坚实基础，同时提高了井下网络运行稳定性和安全性，有效减少了井下有线网络设备的投入和维护。井下4G无线网络的应用，使斜沟煤矿实现了井下重要生产区域实时监控、远程操作和维护，降低了设备故障率，提高了生产效率。