康志華

(山西西山晉興能源公司 斜溝煤礦， 山西 興縣 033299)

斜溝礦井是一座年產(chǎn)1 500萬t的現(xiàn)代化礦井，隨著傳統(tǒng)能源行業(yè)改革步伐的加大，斜溝煤礦也在建設(shè)智慧型標(biāo)桿礦井上加大力度，智慧型礦山的建設(shè)首要解決的是煤礦各個生產(chǎn)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)問題，只有將煤礦井下各個生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速地傳輸?shù)缴a(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)的管控云平臺，礦山管理者和決策者才能實現(xiàn)對礦山的全面管控。因此，采用先進(jìn)通信技術(shù)，滿足井下安全生產(chǎn)特殊需求，構(gòu)建一個信號覆蓋廣、數(shù)據(jù)傳輸快的礦山通信網(wǎng)絡(luò)是斜溝煤礦建設(shè)智慧礦山的基礎(chǔ)工作。

1 井下無線通信系統(tǒng)概況

斜溝煤礦原有的主要通信網(wǎng)絡(luò)采用的是基于TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的礦用井下3G 無線通信網(wǎng)絡(luò)，在當(dāng)時技術(shù)條件下初步實現(xiàn)了井下人員分布定位、移動通話、安全信息發(fā)布和重要設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控等功能。3G 無線通信網(wǎng)絡(luò)使斜溝煤礦的生產(chǎn)調(diào)度指揮能力進(jìn)一步提升，應(yīng)急協(xié)調(diào)能力有了可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。該礦3G無線通信建設(shè)優(yōu)勢展現(xiàn)在擴(kuò)充了各生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和速率的提高，但是隨著現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)技術(shù)和開采設(shè)備數(shù)字化集控程度的提高，原有的3G 通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率、帶寬容量和信號覆蓋上已經(jīng)不能滿足智慧礦山建設(shè)的需求。

因此，采用“萬兆光纖環(huán)網(wǎng)+4G無線寬帶專網(wǎng)”的整合技術(shù)，建立一套統(tǒng)一通信“一張網(wǎng)”數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，以解決智慧礦山大數(shù)據(jù)傳輸量大、速率高的問題。

2 4G無線通信系統(tǒng)的建設(shè)

2.1 4G通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

選用KT319-eSCN230型通信系統(tǒng)作為4G系統(tǒng)的核心網(wǎng)，整個礦區(qū)的4G網(wǎng)絡(luò)布置拓?fù)鋱D見圖1.

由圖1可知，該礦4G通信網(wǎng)絡(luò)主要是由全礦調(diào)度中心、地面環(huán)網(wǎng)終端、井下應(yīng)用終端等系統(tǒng)組成，其各自的功能如下:

1) 全礦調(diào)度中心。在調(diào)度指揮中心主要集中布置4G通信系統(tǒng)的SCN230型核心網(wǎng)管理機(jī)，主要功能是完成全礦通信用戶管理、數(shù)據(jù)交換、提供網(wǎng)絡(luò)接口等。同時，將礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、地測GIS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)服務(wù)器都放置在調(diào)度指揮的通信機(jī)房內(nèi)，以便各系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的集中分類管理以及故障查找，各個服務(wù)器通過IP網(wǎng)絡(luò)與各種系統(tǒng)的終端設(shè)備連接，最終通過網(wǎng)管服務(wù)器對全部系統(tǒng)進(jìn)行操作配置、管理、維護(hù)等。

2) 地面環(huán)網(wǎng)終端。在礦區(qū)的生活區(qū)和辦公區(qū)附近分別安裝4臺E3232型基站和通信天線，每臺基站實現(xiàn)礦區(qū)半徑5 km的覆蓋，發(fā)射端口及功率為4×20 W. 其主要功能是調(diào)制解調(diào)地面基站發(fā)出的信號，同時完成信號的駐波監(jiān)測和放大規(guī)模，進(jìn)而分析處理數(shù)據(jù)，再利用萬兆光纖環(huán)網(wǎng)和礦區(qū)地面基站相連接，實現(xiàn)4G無線信號的全覆蓋。

圖1 斜溝煤礦4G網(wǎng)絡(luò)布置結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3) 煤礦井下各工作面用戶端。工作面是礦井4G通信的最末端，而井下5個工作面、輔運(yùn)大巷、皮帶運(yùn)輸大巷等，是安裝設(shè)備最多，安全要求最嚴(yán)格的地方。因此，在井下各個工作面安裝使用了礦用隔爆兼本安型的通信設(shè)備，井下通信基站由KT319-F1-H核心基站和KT319-F1覆蓋基站組成，主要安裝在5個生產(chǎn)工作面、輔運(yùn)大巷、皮帶運(yùn)輸大巷等，最后通過工業(yè)萬兆光纖與地面通信環(huán)網(wǎng)相連接。

2.2 井下工作面 4G 無線通信網(wǎng)絡(luò)布置

以18505智能化綜采工作面為例，該工作面儲量546萬t，可采走向3 326 m，工作面長度300 m，其4G無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布置示意圖見圖2.

圖2 18505智能化工作面4G無線網(wǎng)絡(luò)布置圖

由圖2可知，在18505智能化工作面的采煤機(jī)操控室安裝了1臺KT319-F1-H型核心基站，在主巷道、巷道轉(zhuǎn)角處和工作面機(jī)頭安裝了KT319-F1型覆蓋基站。同時在采煤機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾安裝了高清攝像頭，用于實時監(jiān)控采煤機(jī)工作狀態(tài)，在破碎機(jī)和運(yùn)輸皮帶附近也安裝了高清攝像頭，用于監(jiān)控皮帶上落煤情況和有無大石塊。通過在工作面重點(diǎn)位置安裝4G通信基站實現(xiàn)了工作面無線全覆蓋，能夠?qū)⒃O(shè)備狀態(tài)、工作面情況實時高清傳輸?shù)娇刂剖液驼{(diào)度中心，利用安裝在采煤機(jī)、破碎機(jī)等設(shè)備上的各個傳感器把設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制室和調(diào)度中心，做到了全面掌控工作面狀態(tài)。

3 4G無線通信系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1 信道容量大、穩(wěn)定性強(qiáng)

該礦4G無線通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)路線上采用了TDD-LTE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，具有連續(xù)演進(jìn)能力及獨(dú)立的頻段分配，采用OFDM正交頻分多址和MIMO多發(fā)多收技術(shù)降低了路徑損耗，提高了單基站覆蓋距離和信道容量，具有3G無線系統(tǒng)移動性好的優(yōu)點(diǎn)，同時解決了3G系統(tǒng)帶寬不足的缺點(diǎn)以及WIFI無線通訊移動性差、連接不穩(wěn)定的問題。系統(tǒng)接入容量大、處理能力強(qiáng)，為無線高清攝像機(jī)、移動寬帶終端等設(shè)備提供足夠的帶寬和連接穩(wěn)定性。

3.2 萬兆光纖環(huán)網(wǎng)速率快、兼容性好

該礦的4G無線通信網(wǎng)絡(luò)以冗余的光纖千/萬兆環(huán)網(wǎng)為主干通訊網(wǎng)絡(luò)，通訊速率10 000 Mbit/s，30 ms的自愈時間短，通訊速率高，抗擾能力強(qiáng)。無線寬帶網(wǎng)絡(luò)以100 Mbit/s覆蓋為接入主網(wǎng)，通訊帶寬高、覆蓋距離遠(yuǎn)，移動性強(qiáng)，滿足了斜溝煤礦井下移動設(shè)備多的需求。同時所有設(shè)備的接口兼容性好，實現(xiàn)了全礦各子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)接入的統(tǒng)一平臺及數(shù)據(jù)的無縫對接。井上井下統(tǒng)一規(guī)劃，專網(wǎng)設(shè)計，信息安全性好。

4 4G無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，4G無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于斜溝煤礦地面工業(yè)場地、輔運(yùn)大巷、主運(yùn)大巷、23111綜采工作面、18108綜采工作面等生產(chǎn)區(qū)域，實現(xiàn)了井下排水系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、井下運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、綜合自動化子系統(tǒng)、皮帶機(jī)張力監(jiān)測系統(tǒng)、大型設(shè)備故障診斷系統(tǒng)、井下供風(fēng)供水供液在線監(jiān)測系統(tǒng)、熱風(fēng)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)等的實時在線監(jiān)測及設(shè)備實時在線故障預(yù)警。4G無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用，使原設(shè)備維護(hù)人員減少75%，降低了設(shè)備維修率。4G網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)設(shè)備實時診斷，設(shè)備廠商可通過該系統(tǒng)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控設(shè)備使用狀況，如有異常，可提前安排維修，避免了設(shè)備故障擴(kuò)大化，減少了設(shè)備的損壞率。經(jīng)估算，每月可節(jié)省工作面維修時間約100次×3 h=300 h，增加生產(chǎn)時間約240 h，增加產(chǎn)量10天×1萬t(天產(chǎn)煤量)=10萬t，增加效益10萬t×300元/t=3 000萬元，節(jié)約人工成本12月×30人×1.5萬元/人/月=540萬元。

5 結(jié) 語

高帶寬、高速率、穩(wěn)定性強(qiáng)的4G無線通信網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建斜溝煤礦智慧礦山的重要基礎(chǔ)設(shè)施，通過建立智慧礦山高速信息傳輸通道，該礦實現(xiàn)了全礦生產(chǎn)、安全、調(diào)度、經(jīng)營等所有數(shù)據(jù)一網(wǎng)傳輸，為未來實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動和大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)打下了堅實基礎(chǔ)，同時提高了井下網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，有效減少了井下有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投入和維護(hù)。井下4G無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使斜溝煤礦實現(xiàn)了井下重要生產(chǎn)區(qū)域?qū)崟r監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作和維護(hù)，降低了設(shè)備故障率，提高了生產(chǎn)效率。