5G通信技术在综采工作面的应用研究

摘要：运用5G新技术赋能煤炭工业转型升级，能够提升自动化、智能化水平，降低资源消耗，保障安全生产，实现煤炭行业质量、效率和动力方面的变革。该文就5G通信技术在综采工作面方面的应用展开了相关研究，通过深入分析井下采煤工作面的难点，致力于为煤炭企业打造新的经济增长点，延展产业与价值链，开拓新的盈利增长空间。

关键词：5G通信技术；综采工作面；应用；研究

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.050

中图分类号：TN 929.5 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）07-0-03

Research on the Application of 5G Communication Technology

in Fully Mechanized Mining Faces

LAN Wei， ZHANG Tao

（Shaanxi Zhiyin Technology Co.， Ltd.， Xi'an 710077， China）

Abstract： Empowering the transformation and upgrading of the coal industry with 5G new technology can improve automation and intelligence levels， reduce resource consumption， ensure safe production， and achieve changes in the quality， efficiency， and power of the coal industry. This article conducts relevant research on the application of 5G communication technology in fully mechanized mining faces. Through in-depth analysis of the difficulties in underground coal mining， we are committed to creating new economic growth points for coal enterprises， extending the industry and value chain， and exploring new profit growth opportunities.

Keywords： 5G communication technology; fully mechanized mining face; application; research

在数字化时代的浪潮中，5G技术以其高速率、低延迟和广连接的独特优势，引领着全球通信技术的新革命。特别是在煤矿这一具有特殊工作环境和高安全要求的行业，5G技术的引入，预示着生产方式的变革，也为提升安全生产水平、促进行业智能化升级提供了新思路。

1 5G通信技术在综采工作面的应用背景

1.1 煤矿智能化是大势所趋

煤矿智能化转型正随着技术进步而成为大势所趋，代表了煤炭行业对高效、安全生产的追求。煤炭产业，历史上因其工作环境的复杂性、事故灾难的频发及恶劣的安全形势，长期面临生产效率低下和人员安全难以保障的双重困境。2020年12月发布的《关于开展首批智能化示范煤矿建设的通知》，明确提出了建设少人无人智能化示范煤矿的目标。煤矿智能化转型成为推动能源科技创新、培育转型升级新动能的战略任务。

1.2 智能综采工作面是智能矿山建设核心

传统的综采工作面依赖有线网络进行设备间的数据通信，在某种程度上限制了生产效率的提升和安全生产的保障。随着5G通信技术的引入，智能综采工作面实现了从有线到无线的巨大跨越，为煤矿生产提供了更为灵活、高效的通信解决方案。中国联通的改革尝试为智能综采工作面的发展提供了新的思路。通过在工作面部署“1个核心控制系统加9个子系统”的模式，将传统的综采设备控制系统进行了升级改造，实质上将整个综采工作面转化为一个高度自动化的大型机器人。大型机器人的“大脑”，即综采工作面自动化顺槽集中控制系统，能够接收操作人员通过人机交互发出的各项指令，实现对采煤作业的指挥、井下调度及一键启停，同时对采煤工作面的设备运行情况进行实时监控。组成的子系统则像是机器人的四肢，负责执行对运行设备的远程控制[1]。

5G通信技术的应用，就如同为大型机器人搭建了一条信息传输的高速公路，确保操作指令可以高速、可靠地传递至控制器，实现对采煤机精确控制。大幅提升了综采工作面的操作效率和安全性，使得操作人员可以在更安全的位置——井上或硐室进行作业控制，有效保障了矿工的生命安全。智能综采工作面的建设，是煤矿生产向智能化、自动化方向迈进的重要一步，代表了煤炭行业对高效安全生产的追求，也是智能矿山建设理念在实践中的具体体现。

1.3 5G﹢综采工作面实现煤矿颠覆性变革

5G技术与综采工作面的结合，实现了煤矿领域的颠覆性变革，深刻影响了煤矿的生产方式和工作环境。以往恶劣的煤矿作业环境不仅对工人的身体健康构成威胁，尤其是长期暴露在井下作业环境中可能引发呼吸道职业病，同时，传统的采煤方式需要工人直接对综采工作面的设备进行手动操作，劳动强度大，而且存在较高的安全风险。5G技术被引进后，凭借其高速的下行和上行速率、广泛的连接能力以及低延迟的特性，彻底改变了这一状况。通过对综采设备的实时监控和自动化控制，5G+综采工作面极大地提高了生产效率，同时显著降低了工人的劳动强度和安全风险。

2 5G通信技术在综采工作面的应用体系构建

针对煤矿综采工作面，必须研究并设计一套新一代的高可靠、智能化5G通信体系，为煤矿智能开采提供坚实的通信支撑。体系通过完成典型使用环境的验证，确保系统在煤矿井下这一特殊且恶劣环境中运行的稳定性和可靠性，同时也保证了系统操作的简便性。体系要遵循《煤矿5G通信系统安全标志管理方案（试行）》和《煤矿5G通信系统安全技术要求（试行）》的相关要求，构建一套完整的煤矿智能开采5G通信网络系统。此外，通过采用5G作为煤矿井下的网络承载，开发了软件固化的5G基站、核心网、采集终端设备，提高无线通信系统在恶劣环境下的服务能力，形成一套完善的技术和软件，全面满足了煤矿工作面智能开采的需求。通信体系的设计考虑到系统的整体性和开放性，系统设计时需要充分考虑各个系统之间的相互关联及整合，以提高系统的整体利用效率，公开各种通信协议接口，保证系统间具有良好的互联、互操作能力。此外，体系的可靠性特别针对煤炭生产对安全生产的特殊要求，必须选用高可靠设备，同时采用国际上先进的5G通信技术和自动控制技术，为满足煤矿工作面智能开采的需求提供强有力的技术支持[2]。

3 5G通信技术在综采工作面应用的价值

3.1 经济效益

在煤矿综采工作面引入5G通信技术，带来的经济效益是显著而且多方面的，彻底改变了传统煤矿生产模式。借助5G的大带宽、低时延特性，煤矿工作面的通信体系实现了从有线到无线的跃进，直接对成本控制产生了深远影响iCW+2mc9i0XMCgNhSaszUQ==。传统有线通信方式在部署工作面时耗时长，成本高，5G技术的应用显著降低了时间成本。特别是在井上调测和井下部署环节，无线传输方式的高效性减少了煤矿对时间成本的消耗，提高了整体作业效率。

此外，煤矿工作面在切换地点过程中，原有的数据传输线缆频繁遭受破损，维修和更换成本极高，且因施工导致的工期延误等间接损失更是巨大。5G无线通信技术的应用，有效避免了这类成本浪费，减少了对昂贵线缆的依赖，同时显著缩短了施工工期，提升了生产效率。

采用5G通信技术后，煤矿设备如液压支架等可直接与5G基站通信，省去了中间连接设备和线缆，进一步降低了成本。更为重要的是，5G技术的应用实现了煤矿工作面的减员增效，通信维护人员数量大幅减少，人力成本得到了有效节约。同时，智能化综采的生产过程中设备自主感知运行和智能控制成为主流，减少了人工作业，降低了职工劳动强度，提升了生产效率。通过5G技术，煤矿工作面原有的有线通信体系网络开通、部署、维护、升级的难度和成本得到了显著降低，同时简化和强化了井下组网架构，提高了带宽，降低了时延，整体建设、使用、维护效率得到提升。

3.2 社会效益

5G通信技术在综采工作面的运用标志着煤矿开采技术的创新，为工人提供了更为安全、高效的工作环境。5G通信技术的推广应用减少了矿工在恶劣环境中的工作频率，降低了设备故障的发生率，从而保障了从业人员的安全与健康。同时，5G技术的应用还显著提升了煤炭工业的科技装备水平，不仅增强了行业的自信心和自豪感，也提高了煤矿职工的社会地位，助力煤矿从劳动密集型向技术密集型转型，增强了矿工和企业的荣誉感。此外，5G技术的引入为工作面的无线传输开辟了新途径，推动了综采装备技术水平和矿井自动化水平的全面升级，对于构建安全型矿井具有重大的意义[3]。

4 5G通信技术在综采工作面应用关键

技术分析

4.1 提高可靠性

基站利用终端设备的双频异频技术，构建双链路保护，显著增强了网络拓扑的健壮性。通过一体化设计，将核心网、BBU、RRU等产品集成于单个物理设备中，大幅减少了故障节点，从而简化了系统架构，提高了系统的整体可靠性。在终端设备的设计上，采用小型化策略，通过芯片级的设备和减少不必要的元器件，实现了5G模组与工作面通信设备的高效集成。软件层面的可靠设计，如预调度、控制解调门限、定制特殊波形以及小区合并技术，进一步确保了数据传输的可靠性。5G NR的免授权调度简化了鉴权过程，有效减少了鉴权时间，保障了数据传输的连续性和高效性。mini-Slot技术作为URLLC的时间资源单位，通过采用mini-Slot进行调度，极大缩短了数据的传输和处理时延，提升了响应速度。基于CBG的HARQ重传机制优化了重传效率和时效，有效提升了数据传输的可靠性。同时，通过多BWP选择，能够规避带宽内的干扰，终端根据干扰情况选择使用干扰较低的BWP，并在必要时切换工作的BWP，进一步增强了通信的可靠性。

4.2 提高抗干扰能力

井下环境复杂，尤其是粉尘多的情况下，干扰问题较为突出。为了有效消除组网中潜在的强干扰，可采用虚拟小区技术和更加严格的资源及干扰管理方案。虚拟小区技术通过其独特的传输机制，在拓扑网络中很好地抑制了干扰。同时，通过SSB跳频技术提升了终端的同步能力，进一步通过CORESET和SearchSpace来进行控制信道的抗干扰处理。这些措施共同提升了5G通信在综采工作面的性能，确保了通信的稳定可靠，从而为煤矿的安全生产和高效运营提供了坚实的技术支撑。

4.3 完善井下工作面5G网络整体系统规划部署

在完善煤矿综采工作面的5G网络整体系统规划部署中，必须坚持“统一规划、安全经济、全面覆盖、精细设计”的原则。确保5G网络能够高效、安全地服务于煤矿的特定需求。首先，无线频段的选择关乎网络的覆盖范围和穿透力，采用2.6 GHz和3.5 GHz TDD模式的5G无线频率，因带宽大、频率相对较低的特点而具有良好的穿透力，而且产业链完善、经济实惠。其次，无线基站的选型注重小型化、高集成度和低功耗，易于部署和维护，同时考虑到双频异频及双链路备份保护，增强了网络的可靠性和灵活性。在组网方式上，采用双网双平面的策略，进一步强化了工作面网络的健壮性。最后，对于核心网的建设，小型化、低功耗的设计理念同样适用，确保了网络的易维护性和易部署性。

4.4 技术创新点

5G通信技术在煤矿综采工作面的技术创新展示出多方面应用潜力和优势。

（1）通过创新煤矿综采面设备的分布式协同控制技术，基于智能感知、智能决策、智能控制等理论，研究和实现了基于多源数据融合的分布式协同控制策略。

（2）针对煤矿工作空间狭小的特点，构建的5G通信网络克服了传统井下通信的局限，通过建立无线信道路径损耗和多径衰落模型，精确揭示了电波传播的衰减特性和传输机理。选择最佳的传输频带参数，使用矿用隔爆兼本安型基站和通信终端设备组网，构建了一个安全、简洁且可灵活扩展的通信网络。

（3）所构建的5G通信网络具备以下技术优势：高可靠性确保了无单点故障影响，满足工作面业务系统的需求；高度集成的设备简化了改造和认证过程；高安全性符合国家煤矿安全指标；设备的小体积和轻重量便于部署；通过光纤环网连接，基站接传输设备能利用现有的光纤设备，通过光纤环网的自愈功能实现更高的可靠性和鲁棒性。

（4）一体化设备的低成本特性，在部署和维护成本上均较传统5G分布式基站更为经济。

5 5G通信技术在综采工作面的应用前

景分析

在国家和相关地方政府的大力推动下，煤炭企业5G技术在煤矿领域的实际部署和应用测试已经展开。5G技术在煤炭开采领域内带来的场景驱动特征十分明显，其实施涵盖了技术研发、供应链优化、基础设施建设、智能终端与应用开发、以及商业化运营等多个环节的一个完整产业生态。5G技术的引入，与传统数据传输方式相比，显著提高了数据利用率，减少了延时，提高了可靠性，提升了经济效益。在煤矿井下恶劣的环境中，5G通信网络能够保障煤炭生产过程中信息的高效传输。探索5G技术在煤矿的深入应用，有助于加速煤炭行业的新旧动能转换，推动煤炭企业向高质量发展迈进。5G技术在煤矿综采工作面应用具有广阔前景。

6 结束语

在如今数字化、智能化快速发展的背景下，5G技术的应用标志着煤矿产业转型升级迈出重要一步。随着应用的深入推进，5G技术将引领煤矿行业迈上更高效、更安全、更绿色的发展道路。这也是当前煤矿企业、技术供应商需要共同努力的方向。

参考文献

[1] 毛馨凯，刘万远．5G技术在智能采煤工作面的应用研究[J]．工矿自动化，2021，47（1）：39-41．

[2] 李沛宏，高晨航．5G通信控制的智能化综采工作面关键技术研究[J]．内蒙古煤炭经济，2023（19）：49-51．

[3] 侯振堂，侯尚武，翟军民，等．5G技术在智慧煤矿自动化系统中的应用[J]．电子技术（上海），2021（8）：94-95．