田 臣，李 斌，周海豐

（1．黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150022；2．國家能源集團神東煤炭集團 補連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

在煤炭開采技術迅速發(fā)展的現(xiàn)今，物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡技術、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等等一系列時代熱詞不斷被引入礦井的安全生產(chǎn)。2014年，陜煤集團黃陵礦業(yè)一號煤礦41101工作面率先實現(xiàn)智能化開采，緊接著神東煤炭集團錦界煤礦31112工作面、兗礦集團鮑店煤礦7302工作面、山東能源龍礦集團望田煤業(yè)13108工作面、西山煤電屯蘭煤礦22301工作面等等礦井陸續(xù)實現(xiàn)智能化，目前全國已建成超200個智能化采煤工作面[1-2]。少人化、無人化、智能化開采以及智慧礦井等先進生產(chǎn)理念深入人心，煤礦企業(yè)發(fā)展的互聯(lián)化和智能化成了必然趨勢。煤礦生產(chǎn)過程中瓦斯不斷涌出，做好瓦斯管理是煤礦“一通三防”管理的一項重要工作，也是保證煤礦安全生產(chǎn)的基礎。煤礦瓦斯管理作為煤礦安全生產(chǎn)的前哨，其管理模式的智能化、智慧化是煤礦技術發(fā)展的必然結果[3-5]。

1 大型煤礦瓦斯檢查管理現(xiàn)狀

1.1 瓦斯檢查作業(yè)方式

當前國內(nèi)外大多數(shù)煤礦井下的大多數(shù)地點進行瓦斯檢查作業(yè)的模式是：對于一般巷道及地點檢查瓦斯，主要依靠人工利用光學瓦斯檢查儀檢查瓦斯，手工記錄瓦斯檢查手冊，手工填寫瓦斯檢查牌板，手工填寫瓦斯檢查臺帳，人工記錄巡查路線中通風系統(tǒng)、通風設施的存在的各類問題；對于采掘面及其他一些特殊地點檢查瓦斯，主要采用人工利用光學瓦斯檢查儀檢查與監(jiān)測傳感器實時監(jiān)測相結合的檢查方式作業(yè)，人工利用光學瓦斯檢查儀檢查瓦斯方法同前述一致，監(jiān)測傳感器監(jiān)測氣體目前主要包括甲烷傳感器、氧氣傳感器、一氧化碳傳感器實時監(jiān)測預定地點氣體情況。

1.2 當前瓦斯檢查作業(yè)方式存在的弊端

煤礦井下瓦斯檢查依然主要使用紙筆記錄的落后的傳統(tǒng)作業(yè)方式，以及瓦檢員自身能力、素質的個體化差異，導致當前煤礦瓦斯檢查作業(yè)過程中存在著種種弊端[6-8]：

1）現(xiàn)場檢查牌板管理難度大。目前瓦檢員檢查完畢后將所查數(shù)據(jù)填寫在現(xiàn)場的瓦斯管理牌板上，受煤礦井下潮濕環(huán)境影響，牌板數(shù)據(jù)不容易填寫，填寫后顯示不清晰；受煤礦井下人為及作業(yè)影響，數(shù)據(jù)易被涂抹或者篡改。

2）紙質材料存檔不便。瓦檢員日常用的瓦斯檢查手冊、瓦斯檢查臺賬、瓦檢員交接班記錄等各類紙質材料均需存檔至少2年，存檔期間水、火、地震、認為破壞等等都是對紙質材料的潛在威脅。

3）人工檢查瓦斯偶然性大。瓦檢員人工檢查數(shù)據(jù)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的比對只能依靠人員觀察，不具備持續(xù)性。

4）人工檢查瓦斯數(shù)據(jù)處理困難，大數(shù)據(jù)分析比較困難。比如無法對1個工作面整個生產(chǎn)周期氣體變化進行系統(tǒng)分析，對同一煤層、同一盤區(qū)后續(xù)開采的工作面技術指導意義有限。

5）假檢、漏檢無法杜絕。目前煤礦井下對瓦檢員的管控主要靠班組長、跟班管理人員動態(tài)隨機抽查，大型礦井作業(yè)范圍廣，瓦檢員自身水平、素質參差不齊,如此的監(jiān)管手段無法從根本上杜絕瓦檢員的假檢、漏檢現(xiàn)象。

6）瓦檢員單崗作業(yè)自救能力要求高。由于瓦檢員一般均為單兵作戰(zhàn)，每班除需要正常檢查采掘工作面外，更多的是單崗在礦井各死角死面井下檢查作業(yè)。瓦檢員在日常作業(yè)過程中，遇到巷道突發(fā)的水、火、瓦斯、頂板、機械等各類危險因素，均需具備極強的自救能力才能確保自身安全。

7）特殊情況下發(fā)生災害失去救援先機。當煤礦井下存在瓦斯隱患或者發(fā)生災害時，如果瓦檢員不能及時發(fā)現(xiàn)或者發(fā)現(xiàn)后無法及時匯報、無法第一時間采取有效控制措施、無法第一時間組織人員撤離，災害范圍會蔓延擴大，失去將災害損失降低至最小的先機，災害嚴重時，將失去救援的黃金時間。

2 大型煤礦瓦斯管理技術應用5G網(wǎng)絡的必然性

2.1 5G網(wǎng)絡技術

5G網(wǎng)絡是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡，蜂窩中的所有5G無線設備通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動收發(fā)器進行通信，收發(fā)器從公共頻率池分配頻道，這些頻道在地理上分離的蜂窩中可以重復使用。5G網(wǎng)絡技術其不是單一的無線接入技術,也不完全是新的無線接入技術,而是新的無線接入技術和現(xiàn)有無線接入技術的無縫銜接[9-11]。

5G網(wǎng)絡技術在數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡容量、流量密度和連接數(shù)密度、峰值速率、端到端時延和移動性等關鍵性能指標都得到了不可思議的的提升[12-13]。

2.2 給大型煤礦瓦斯檢查帶來的機遇

1）閃電式的數(shù)據(jù)傳輸速率大幅度縮短瓦斯監(jiān)測周期。5G網(wǎng)絡技術在連續(xù)廣域覆蓋和高移動性下（每小時500 km以上），數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達10 Gbit/s，比4G LTE蜂窩網(wǎng)絡快100倍。對于大型煤礦，井下有多個采煤工作面、掘進工作面、運輸巷道、采空區(qū)的瓦斯情況要通過傳感設備實時監(jiān)測并上傳數(shù)據(jù)，如果網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率提升100倍，就意味著各采掘工作面、巷道、采空區(qū)等地點的瓦斯監(jiān)測周期可以提升接近100倍，這對煤礦瓦斯監(jiān)測無異是增加了1道最可靠的屏障。

2）超大網(wǎng)絡容量確保各地點瓦斯監(jiān)測與其他監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)。煤礦企業(yè)管理要實現(xiàn)互聯(lián)化和智能化，那就不單指的是智能化采煤，還得實現(xiàn)智能化掘進、智能化運輸、智能化機械設備檢修、智能化瓦斯監(jiān)測、智能化設施管控、智能化洗選等等。如此龐大數(shù)量的智能化系統(tǒng)不能各自為戰(zhàn)，必須是相互獨立而又高度集中，這就要求“萬物互聯(lián)”。5G網(wǎng)絡技術具有提供千億設備的連接能力，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)通信，這也就為大型煤礦瓦斯監(jiān)測作業(yè)與礦井其他監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)提供了必要的保障。

3）大流量密度和連接數(shù)密度確保井下各地點瓦斯監(jiān)測無死角盲區(qū)。我國發(fā)展特大型礦井的核心主體是積極培育大型煤炭企業(yè)，加快建設大型煤炭基地。所以，煤礦井下將會出現(xiàn)更多的是超大采高采煤工作面、超遠距離掘進工作面、超長距離日用巷道、超大面積采空區(qū)，要實現(xiàn)這些井巷各類采、掘、機、運、通、安全等設施設備的智能化管理，那么井巷中超多數(shù)量的各類監(jiān)測設備、控制設備需接入?yún)^(qū)域網(wǎng)，超大規(guī)模數(shù)據(jù)需要實時上傳，這就形成了設備連接密度超大、數(shù)據(jù)傳輸量超大的窘境。對于該問題，5G網(wǎng)絡技術的流量密度和連接數(shù)密度可以輕易解決。5G網(wǎng)絡技術的流量密度可達到每平方公里數(shù)十Gbps，連接數(shù)密度可達到每平方公里100萬的連接數(shù)密度。換而言之，井下只要有需要監(jiān)測瓦斯的節(jié)點，便可實現(xiàn)瓦斯的實時監(jiān)測，從而讓礦井瓦斯無所遁形。

4）頂級的峰值速率提供了瓦斯管理無人化、立體化的先決條件。無人則安，煤礦現(xiàn)場管理的理想狀態(tài)是實現(xiàn)作業(yè)無人化。瓦檢員日常工作中不僅需要檢查瓦斯，還需要巡查路過沿線通風設施、機運設備、采空區(qū)等各地點、設施情況等等，如果在井下各個關鍵地點安插大量的“耳目”，即實時高清畫面上傳，這樣不僅可以實現(xiàn)瓦斯管理無人化，而且可以實現(xiàn)井下立體化監(jiān)測，這對網(wǎng)絡的峰值速率的要求極高。5G網(wǎng)絡技術的峰值速率完全可以滿足高清視頻，虛擬現(xiàn)實等大數(shù)據(jù)量傳輸，所以完全可以解決礦井要求峰值速率的問題。

5）瞬時的網(wǎng)絡延遲使得礦井瓦斯管理執(zhí)行銜接更加流暢。煤礦井下瓦斯管理無人化、智能化是必然的趨勢，大量替代人工作業(yè)的設備將會呈數(shù)量級的增加，各設備之間的存在的空中接口時延將會影響系統(tǒng)管理的流暢性。4G網(wǎng)絡技術的時延時間為30～70 ms，而5G網(wǎng)絡技術的時延時間低于1 ms。所以，如果礦井瓦斯管理在5G網(wǎng)絡的覆蓋下，正常情況時控制平臺實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，立即報警并啟動反向控制系統(tǒng)，各級管理數(shù)據(jù)和命令程序的執(zhí)行將會實現(xiàn)無縫銜接。

5G網(wǎng)絡技術的各大優(yōu)勢與大型煤礦瓦斯管理實現(xiàn)無人化、智能化的要求均不謀而合。所以，5G網(wǎng)絡技術的應用是礦井瓦斯管理乃至煤礦企業(yè)管理的必然選擇。

3 大型煤礦瓦斯管理技術的發(fā)展趨勢

3.1 5G+人工+傳感器瓦斯管理

3.1.1 技術簡介

“5G+人工+傳感器”指的是人工攜帶基于5G網(wǎng)絡技術開發(fā)的智能終端進行井下巡回檢查，各地點氣體監(jiān)控傳感器依舊按照當前要求安設，實現(xiàn)人工智能終端與實時傳感器二者融合共同檢查瓦斯。

人工攜帶的智能終端是基于5G網(wǎng)絡技術的場景精準定位系統(tǒng)、瓦斯檢查系統(tǒng)、數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)、頂層應用系統(tǒng)的多系統(tǒng)高度融合，5G+人工瓦斯管理多系統(tǒng)融合網(wǎng)示意圖如圖1。其工作方式為：人員攜帶智能終端在巷道巡回檢查，通過5G融合網(wǎng)對人員及智能終端進行精準定位，并且根據(jù)巷道具體地點自動檢測氣體各項參數(shù)，并上傳至數(shù)據(jù)云處理平臺進行分析處理，云平臺對分析出的結果進行綜合管控。

圖1 5G+人工瓦斯管理多系統(tǒng)融合網(wǎng)示意圖Fig.1 Diagram of 5G+artificial gas management multi-system fusion network

3.1.2 技術的優(yōu)勢

1）5G融合網(wǎng)可對單兵巡檢人員及智能終端進行立體任意位置的精準場景定位，每班人員檢查路線以圖形的形式自動呈現(xiàn)，如果出現(xiàn)有未檢查區(qū)域，系統(tǒng)自動報警并提示檢查人員前往檢查，從而杜絕假檢、漏檢。

2）智能終端可對巷道進行精準場景定位并根據(jù)要求智能檢測各項參數(shù)，檢測氣體項目更加全面。如人員到達采掘面，智能終端根據(jù)場景自動檢測CH4、CO、O2、溫度、粉塵、煙霧、噪音、風量等各項參數(shù)；人員到達采空區(qū)密閉前，智能終端于采空區(qū)觀測管自動檢測CH4、CO、O2、溫度、C2H2、C2H4、C2H6等各項參數(shù)；人員到達其他硐室，智能終端自動檢測CH4、CO、O2、溫度、風量等各項參數(shù)；人員到達其他巷道，智能終端自動檢測CH4、CO、O2、溫度、粉塵、風量等各項參數(shù)。

3）數(shù)據(jù)云處理平臺對各地點各項氣體參數(shù)均進行存儲、處理，即為全礦井所有巷道、所有地點的氣體情況均建立1份詳細臺賬，從而徹底取消掉瓦斯檢查手冊、瓦斯檢查臺賬、瓦檢員交接班記錄等傳統(tǒng)的紙質材料。

4）該技術系統(tǒng)的頂級應用包括異常聲光報警、檢查任務完成進度、自動精準呼叫、氣體預測、大數(shù)據(jù)開發(fā)等。

5）在5G網(wǎng)絡技術剛入駐大型煤礦時，瓦斯智能化管理技術只是處于起步階段，瓦檢員的職責不僅是負責檢查各地點氣體情況，還需要檢查沿線通風設施、通風設備情況，該技術雖然未能取締瓦檢員崗位，但通過該技術可將瓦檢員和測風員、測塵員可以合并為1個工種，大大減少煤礦生產(chǎn)過程中人力資源的投入，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益，同時帶來巨大的安全效益。

3.2 5G+機器人瓦斯管理

3.2.1 5G+機器人瓦斯管理的緊迫性

“工業(yè)4.0（Industry 4.0）”的概念于2011年誕生于德國漢諾威工博會。所謂的“工業(yè)4.0”是指將信息通信技術應用于工業(yè)生產(chǎn)領域，從而實現(xiàn)智能化、個性化和集成化生產(chǎn)?！肮I(yè)4.0”有2大主題，即智能工廠、智能生產(chǎn)，這就意味著工業(yè)用機器人必須介入并且會成為主要生產(chǎn)資料[14-15]。

工業(yè)用機器人崛起的主要因素是希望降低或消除所謂的3D工作，即無聊、危險和骯臟，但其他重要因素還包括對質量和制程一致性的需求。目前，國外已經(jīng)有很多國家研究出了各類適宜礦井安全生產(chǎn)和救援的機器人，如美國研發(fā)的RATLER礦井探索機器人可以探測礦井災區(qū)信息、V2煤礦救援機器人可以在煤礦發(fā)生災害后機器人入井救援受災人員，日本、澳大利亞等國家也研究出煤礦用各類功能機器人。當然，我國自主研發(fā)的煤礦用機器人也有投入使用，如同煤集團塔山煤礦使用機器人對井下巷道進行巡檢。但當前國內(nèi)外所研發(fā)的煤礦用機器人一般均存在質量重、能耗大、活動能力有限、反應能力遲鈍等一系列問題[16-17]?？傮w來說，我國研發(fā)的煤礦用機器人起步晚、基礎弱，較國外頂級技術有較大差距。當前，我國煤礦領域的生產(chǎn)技術尚處于“工業(yè)4.0”初級階段，所以當前正處于關鍵技術攻關時期，如果借助5G網(wǎng)絡技術的“東風”，將我國煤礦用機器人的研發(fā)方向轉為高度智能化，那么我國煤礦在該技術上即可實現(xiàn)對國外技術的“彎道超車”。從該角度上來看，我國的煤礦用機器人高度智能化研發(fā)已是迫在眉睫，“5G+機器人”瓦斯管理模式是其中重要的一部分。

3.2.2 5G+機器人瓦斯管理技術

所謂的“5G+機器人”指的是5G網(wǎng)絡、機器人和互聯(lián)設備集中在煤礦生產(chǎn)區(qū)域，由機器人去完成相比人類更適合的日常工作，如執(zhí)行高頻率、高強度、高危險等作業(yè)任務。在煤礦瓦斯管理過程中，高度智能機器人替代瓦檢員進行各地點瓦斯檢查、通風設施巡查、通風設備巡查，并在災害情況下參與災害救援等各項工作。

為了克服傳統(tǒng)機器人質量重、能耗大、活動能力有限、反應能力遲鈍等各項弊端，未來煤礦用機器人的研發(fā)方向為仿生機器人。所謂的仿生機器人是將動物自身的特性運用到機器上，并根據(jù)工作需求給其賦予特定的工作能力。如煤礦井下可研發(fā)研發(fā)煤礦用仿生機器蜻蜓，模仿蜻蜓飛行模式，可以對井下超長距離巷道進行風量、瓦斯檢查及通風設施和設備巡查，仿生機器蜻蜓如圖2；煤礦用仿生機器蜘蛛，模仿蜘蛛爬行模式，可以對井下各巷道的死角死面進行氣體檢查及隱患排查，仿生機器蜘蛛如圖3；煤礦用仿生機器蛇，模仿蛇的運動方式可以到采空區(qū)進行采空區(qū)自然發(fā)火檢測，仿生機器蛇如圖4。根據(jù)現(xiàn)場需求，各仿生機器人身體上安設著各類氣體檢測裝置及超高清攝像頭，借助5G融合網(wǎng)實時將目的區(qū)域的氣體檢查結果及區(qū)域畫面?zhèn)鬏斨恋孛妫孛嬖破脚_對數(shù)據(jù)及畫面進行智能處理，從而指導井下安全生產(chǎn)。

圖2 仿生機器蜻蜓Fig.2 Bionic robot dragonfly

圖3 仿生機器蜘蛛Fig.3 Bionic robot spider

圖4 仿生機器蛇Fig.4 Bionic robot snake

3.2.3 技術效益

有5G網(wǎng)絡技術做基礎保障，仿生機人的作用不僅局限于檢查煤礦井下各地點瓦斯和巡查通風設施、通風設備，還有巨大的安全效益及社會效益：

1）對井下各地點水、火、瓦斯、煤塵、頂板“五大災害”進行隱患排查，對機械設備運行狀態(tài)情況進行檢查，讓礦井潛在危險因素無所遁形，讓生產(chǎn)過程中的事故可以得到及時的控制和規(guī)避。

2）當?shù)V井工作面及采空區(qū)發(fā)生災害后，仿生機器人可以替代人員進入災區(qū)域進行偵查，為地面指揮人員確定救援方案提供技術支撐。

3）技術的應用將使瓦檢員、測風員、測塵員、監(jiān)測工等“一通三防”各工種工作人員退出煤礦生產(chǎn)的歷史舞臺，實現(xiàn)礦井生產(chǎn)通防方面的“無人則安”。

3.3 5G+物物互聯(lián)和智能交互瓦斯管理

如果技術發(fā)展的足夠成熟，未來的大型煤礦瓦斯管理將會是1種什么樣的情景？瓦斯管理在未來會成為礦井管理的1個相對微小的環(huán)節(jié)。當前，國內(nèi)外不少煤礦企業(yè)已經(jīng)開始構建智慧礦山。所謂的智慧礦山，即給礦井賦予人類的分析數(shù)據(jù)、繪制圖表、思考問題、解決問題的能力。智慧礦山是礦山技術發(fā)展的最高形式,是煤炭行業(yè)發(fā)展的必由之路，更是進一步保障煤礦安全生產(chǎn)，減員提效，最重要、最有競爭力的方式[18]。所以，煤礦發(fā)展方向不僅是實現(xiàn)智能化開采、智能化掘進，而是整個礦井如同1個人一樣，開拓、采掘、運輸、通風、洗選、災害處置等各個環(huán)節(jié)如同人的各項活動協(xié)調(diào)進行，當某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，自動進行自我“治療”。構建智慧礦山，最突出的標志就是實現(xiàn)礦井物物互聯(lián)、智能交互。

3.3.1 礦井物物互聯(lián) 智能交互的應用場景

物物互聯(lián)主要是建立在物品編碼、射頻識別（RFID）技術和互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，即萬物皆可通過網(wǎng)絡互聯(lián)。礦井物物互聯(lián)指的是煤礦井下如瓦斯檢測裝置、煤機、局部通風機等各設備之間通過高度融合網(wǎng)進行相互交流。

關于智能交互，在計算機中意思為，參與活動的對象，可以相互交流，雙方面互動。當智能交互應用于礦井，則意味著井下如瓦斯檢測裝置、煤機、局部通風機等各設備之間不僅可以相互交流，而且可以相互影響、相互監(jiān)控。例如，當瓦斯檢測裝置檢測到掘進面瓦斯接近超限值，掘進工作面煤機自動停機、運輸機自動停機、其他設備自動斷電，局部通風機調(diào)整工作功率，自動排放瓦斯，確保工作面始終各項安全指標達到動態(tài)達標。

3.3.2 5G+物物互聯(lián) 智能交互瓦斯管理技術預設

在未來智慧礦山的世界中，瓦斯管理不在是1項單獨的作業(yè)，該作業(yè)將融合進入各類煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場設施、設備的最基本功能之中，即“萬物皆是瓦斯管理者”。即給井下各巷道如煤機、液壓支架、局部通風機、風門、纜線等各類設施設備賦予瓦斯“嗅覺”的能力以及與其他設備“溝通”的能力，任何井巷中任何1臺設備嗅到瓦斯異常時均會將信息傳達到“智慧大腦”，礦山“智慧大腦”會通過虛擬現(xiàn)實等技術手段進行異常信息涉及區(qū)域內(nèi)各類設施設備的自動調(diào)整、調(diào)節(jié)，將隱患在萌芽中消除，確保礦井安全、有序生產(chǎn)。該操作的全過程中不會有人類的干預，5G融合網(wǎng)絡會作為所有信息傳輸、智慧分析及指令下達的傳播媒介，扮演著不可替代的角色，基于5G網(wǎng)絡技術的智慧礦山瓦斯管理技術體系示意圖如圖5。

圖5 基于5G網(wǎng)絡技術的智慧礦山瓦斯管理技術體系示意圖Fig.5 Schematic diagram of smart mine gas management technology system based on 5G network technology

在未來智慧礦山的世界中，或許5G網(wǎng)絡技術會退出智慧管理的歷史舞臺，其替代者可能是6G網(wǎng)絡技術、7G網(wǎng)絡技術，甚至是更強大的網(wǎng)絡技術，但至少在當前的技術現(xiàn)狀中，5G網(wǎng)絡技術站在了技術的頂端，是走向礦井走向智慧礦山的必然選擇。

4 結 語

1）在科學技術飛速發(fā)展的今天，大型煤礦實現(xiàn)瓦斯管理的無人化、智能化、智慧化是一場勢不可擋的革命，也是國家的能源戰(zhàn)略決策部署的細節(jié)部分，5G網(wǎng)絡技術在通訊領域引起的變革給大型煤礦走向智慧管理提供了基礎保障。

2）從現(xiàn)有技術分析，在煤礦瓦斯管理技術發(fā)展的進程會分為“5G+人工+傳感器煤礦瓦斯管理”、“5G+機器人瓦斯管理”、“5G+物物互聯(lián)及智能交互瓦斯管理”3大步走。

3）基于5G網(wǎng)絡的煤礦瓦斯管理技術現(xiàn)有不少亟待解決的瓶頸問題和技術難關，但從技術的結果導向分析，基于5G網(wǎng)絡的煤礦瓦斯管理技術未來可期，所有煤礦現(xiàn)場及科技工作著應加快研究探索進程，搶占行業(yè)技術先機。