孙继平:现代化矿井通信技术与系统

时间：2014-10-17　来源：中国矿业大学（北京）　作者：孙继平　点击：次

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摘要：提出了由矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统和矿井救灾通信系统等组成的煤矿井下通信技术体系。提出矿用调度通信系统应采用矿用有线调度通信系统。提出全矿井移动通信系统宜采用WiFi、3G、4G等通信技术。提出矿井广播通信系统既可采用矿用有线调度通信系统远程供电广播技术，也可采用基于以太环网和无源光网络的IP通信技术。提出矿井救灾通信系统应采用无线多媒体通信技术，宜采用WiFi和MESH等通信技术。提出矿井移动通信系统应满足手机脱网通信、基站脱网通信、无线自组织网络、接入煤矿井下有线宽带传输平台等要求。指出在手机脱网通信、接入煤矿井下有线宽带传输平台、无线自组织网络、矿用无线摄像机、基站脱网通信、多功能矿井移动通信系统、矿井无线宽带传输等方面，WiFi优于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。提出多功能矿井移动通信系统和矿井无线宽带传输宜采用WiFi。
    0 引言
    现代化煤矿的发展方向是机械化、信息化和自动化，其实现目标：（1）供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等固定岗位无人值守，地面远程控制；（2）综采、综放等采煤工作面少人作业，地面远程控制；（3）减少煤矿井下作业人员，实现煤矿安全高效生产。要实现以上目标，不但需要具有地面远程控制功能的矿井监控系统、视频监视系统，还需要及时可靠的矿井通信系统。
    1 煤矿井下通信技术体系
    矿井通信系统是煤矿井下安全避险“六大系统”之一，在煤矿安全生产调度、安全避险和应急救援中发挥着重要作用。矿井通信系统包括矿用调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统、矿井救灾通信系统等。
    1.1 矿用调度通信系统
    矿用调度通信系统应采用矿用有线调度通信系统。矿用有线调度通信系统中的本质安全型防爆电话，通过多芯矿用通信电缆中的2芯，经安全栅与地面调度交换机相连，不需要井下供电。瓦斯超限断电或事故停电均不会影响系统正常工作。当井下发生事故时，只要电话不坏，电缆不断，系统即可正常工作。因此，矿用有线调度通信系统是煤矿井下最可靠的通信系统，在生产调度、紧急避险和应急救援工作中发挥着重要作用。
    由于矿用有线调度通信系统中的本质安全型防爆电话是有线固定电话，存在着使用不方便、不能满足煤矿井下移动工作的需求等问题。采煤工作面和掘进工作面等区域的作业人员要向调度室汇报情况，需行走较远的距离，到装有本质安全型防爆电话的地点。调度室人员要与井下作业人员通信，需由本质安全型防爆电话附近的人员转告或呼叫。如果本质安全型防爆电话附近无人，将无法实现通话。特别是，当发生事故时，地面调度室人员不能及时通知井下作业人员，井下作业人员也不能将险情及时向调度室人员报告。
    矿用有线调度通信系统的交换设备宜选用程控数字交换机、IP网络交换设备等，严禁采用矿用IP电话通信系统替代矿用有线调度通信系统。这是因为矿用IP电话通信系统中的矿用本质安全型防爆IP电话和矿用防爆交换机设置在井下，均需井下供电；当井下发生瓦斯超限停电或故障停电等时，会影响系统正常工作。矿用IP电话通信系统的可靠性远不如不需井下供电的矿用有线调度通信系统。
    1.2 矿井移动通信系统
    矿井移动通信系统具有通信及时、便捷的优点，提高了井下流动人员通信的及时性，为及时下达调度指令、沟通生产信息、通报安全隐患、事故撤人和救援提供了通信手段，促进了煤矿安全生产，提高了生产效率。但由于矿井移动通信系统的基站等设备需井下供电，瓦斯超限断电或事故停电会影响系统正常工作。虽然基站配有不小于2 h的备用电源，但其可靠性远不如不需井下供电的矿用有线调度通信系统。因此，矿井移动通信系统是矿用有线调度通信系统的重要补充，但决不允许用矿井移动通信系统替代矿用有线调度通信系统。
    矿井移动通信系统分为全矿井移动通信系统和局部移动通信系统。全矿井移动通信系统可以覆盖煤矿井下巷道、硐室和采掘工作面等作业地点,宜采用WiFi、3G、4G等通信技术。
    矿井局部移动通信系统主要用于未装备全矿井移动通信系统的煤矿，实现电机车调度通信等，与全矿井移动通信系统相比，其系统投入较少。矿井局部移动通信系统宜采用WiFi通信技术，也可采用漏泄通信等技术。
    1.3 矿井广播通信系统
    矿井广播通信系统能及时将调度指令、撤人信息等通过防爆喇叭和显示屏通知井下作业人员，是煤矿井下紧急避险的重要工具之一。但由于矿井广播通信系统的防爆喇叭等设备需井下供电，瓦斯超限断电或事故停电会影响系统正常工作。虽然井下配有不小于2 h的备用电源，但其可靠性远不如不需煤矿井下供电的矿用有线调度通信系统。因此，矿井广播通信系统是矿用有线调度通信系统的重要补充，但决不允许用矿井广播通信系统替代矿用有线调度通信系统。
    矿井广播通信系统除应具有语音广播和显示功能外，还宜具有井下紧急呼叫地面、双向语音通信等功能。广播通信系统除作为事故撤人和报警通信外，在正常生产时，还可作为生产调度广播通信。这样既提高了设备利用率，又保证应急通信时设备完好，做到“平战结合”。
    矿井广播通信系统既可采用矿用有线调度通信系统远程供电广播技术、也可采用基于以太环网和无源光网络的IP通信技术。
    1.4 矿井救灾通信系统
    矿井救灾通信系统主要由矿山救护队配备，用于救护队员与井下救援基地和地面救援指挥中心通信联络。矿井救灾通信系统除应具有语音通信功能外，还宜具有图像监视功能，CH4、CO、O2、温度等环境监测功能，救护队员心跳、体温、姿态等监测功能。
    矿井救灾通信系统分有线系统和无线系统。矿井有线救灾通信系统将通信电缆兼做探险绳。矿井无线救灾通信系统又分为语音救灾通信系统和多媒体救灾通信系统。早期的矿井无线救灾语音通信系统主要采用感应通信等技术,新近研制成功的多媒体矿井无线救灾通信系统主要采用WiFi和MESH等通信技术。
    为满足煤矿井下应急救援对图像监视、环境监测、语音通信的需求和方便快捷的要求，矿井救灾通信系统应是多媒体无线通信系统，宜采用WiFi和MESH等通信技术。
    1.5 矿井应急通信系统
    矿井应急通信系统主要用于事故报警、人员撤离、被困人员通信联络、抢险救灾、临时施工等。矿井应急通信系统除上述用于抢险救灾的矿井救灾通信系统、用于事故报警和人员撤离的矿井广播通信系统外，还有用于被困人员通信联络和临时施工的通信系统等。
    1.5.1 用于被困人员的矿井通信系统
    煤矿井下发生的瓦斯爆炸等事故会造成线缆断缆、设备损毁、供电中断等，因此，矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统和矿井广播通信系统均难以保障事故被困人员的通信联络。参考文献[1]提出电缆埋入的方法，以减少瓦斯爆炸等事故对通信系统的影响，但这只适用于矿压和底鼓不严重的矿井。MESH技术可以根据正常工作的节点自组织网络，但当节点被瓦斯爆炸等事故连片摧毁时，也不能保障被困人员的通信。
    透地通信系统具有受瓦斯爆炸等事故影响小等优点，但其传输带宽窄，只能传输短信和指令，不能传输语音和图像，常用于地面向井下单向通信。用于被困人员通信联络的通信系统，不但要指挥被困人员紧急避险（即地面向井下通信），还要了解被困人员位置、人数、现状和需求等信息（即井下向地面通信）。因此，需要在煤矿井下避难硐室内设置发射机和天线，实现避难硐室内双向透地通信，这对于开采深度较深的矿井是比较困难的。
    适宜地面钻孔的避难硐室，应优选地面钻孔，通过在钻孔内敷设通信、监测、供风和供水管线，实现被困人员与地面的双向通信等。矿压和底鼓不严重的矿井，可采用通信、监测、供风和供水管线埋入的方法，减少瓦斯爆炸等事故对通信等系统的影响。
    1.5.2 用于临时施工的矿井通信系统
    为提高工作效率，保障安全生产，煤矿井下临时施工需要布设方便快捷、使用方便的通信系统。矿用有线调度通信系统和矿井移动通信系统故障期间，也需要布设方便快捷、使用方便的通信系统。因此，用于煤矿井下临时施工等的通信系统宜采用WiFi和MESH技术或WiFi技术。
    1.6 矿井通信系统技术体系
    通过上面分析，不难看出，矿井通信系统应由矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统和矿井救灾通信系统等组成。充分发挥矿井有线调度通信系统的可靠性、矿井移动通信系统的实时性、矿井广播通信系统的及时性、矿井救灾通信系统的便捷性等优点，共同满足煤矿安全生产和应急救援对矿井通信系统的需求。
    救灾通信系统由矿山救护队配备，矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统由煤矿企业装备。用于临时施工的通信系统不需要单独设置，既可以采用具有手机和基站脱网通信功能的矿井移动通信系统，也可以采用具有无线自组织网络及手机和基站脱网通信功能的矿井移动通信系统，还可以采用基于WiFi和MESH的多媒体矿井救灾通信系统。
    当然，随着矿井通信技术的发展，矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统将会融合为全矿井综合通信系统，并进一步融合为全矿井综合监控、监视与通信系统，以便于用户装备、使用与维护。
    2 矿井移动通信特殊要求
    煤矿瓦斯、水、火、顶板等事故威胁着煤矿安全生产，也影响着矿井移动系统的正常工作。因此，矿井移动通信系统不但要考虑煤矿井下无线传输的特点，还要考虑瓦斯爆炸等事故对系统的影响。这就要求矿井移动通信系统具有手机脱网通信功能、基站脱网通信功能、可接入煤矿井下有线宽带传输平台、便于无线自组织网络等。
    2.1 手机脱网通信
    瓦斯爆炸等事故会造成光缆和电缆断缆、设备损毁、供电中断等，使矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统无法正常工作。如果矿井移动通信系统的手机具有脱网通信功能，在手机无线覆盖范围内，就能满足被困人员与救援人员、被困人员与被困人员之间的通信联络；还可用于灾后遇险人员搜救和煤矿井下临时施工通信。
    基于WiFi的矿井移动通信系统较易实现手机脱网通信功能，而基于WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA的矿井移动通信系统则难以实现手机脱网通信功能。
    2.2 接入煤矿井下有线宽带传输平台
    煤矿井下工作面至地面距离长达10余千米，但煤矿井下无线传输衰减大，一般无中继无线传输距离为数百米。因此，煤矿井下远距离宽带传输应采用光缆等有线传输，宜采用基于TCP/IP协议的以太环网或无源光网络。
    WiFi采用TCP/IP协议，因此，接入基于TCP/IP协议的以太环网或无源光网络十分方便，但WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA接入基于TCP/IP协议的以太环网或无源光网络需进行协议转换。
    2.3 无线自组织网络
    煤矿井下无线传输衰减大。为延长煤矿井下无线通信距离，需无线中继。为减少无线中继器因瓦斯超限停电、故障和损坏对系统的影响，宜采用MESH技术实现剩余的正常工作的中继节点的自动重组。
    在WiFi矿井移动通信系统中，采用MESH技术十分方便。但在WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA 矿井移动通信系统中，采用MESH技术却异常困难。
    2.4 矿用无线摄像机
    现代化煤矿要实现：供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等固定岗位无人值守，地面远程控制；综采、综放等采煤工作面少人作业，地面远程控制等。要实现以上目标，不但需要具有地面远程控制功能的矿井监控系统和矿井通信系统，还需要视频监视系统，其中无线摄像机是必不可少的。
    为提高性价比，矿用无线摄像机宜采用WiFi技术。
    2.5 基站脱网通信
    为减少瓦斯爆炸等事故的影响，矿井移动通信系统宜具有基站脱网通信功能。具有基站脱网通信功能的系统，当发生断缆等故障时，没有损坏的基站，在其备用电源有电的时间内，可提供基站无线覆盖范围内的手机通信。
    基于WiFi的矿井移动通信系统较易实现基站脱网通信功能，而基于WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA的矿井移动通信系统要实现基站脱网通信功能，需在基站中增加软交换功能。
    2.6 多功能矿井移动通信系统
    WiFi手机和基站均具有脱网通信功能，WiFi技术便于通过无线中继提高传输距离。因此，WiFi除可用于全矿井移动通信系统外，还可用于多媒体矿井救灾通信系统、临时施工通信和局部通信等。WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA可用于矿井移动通信系统，但不宜用于多媒体矿井救灾通信系统、临时施工通信和局部通信等。因此，多功能矿井移动通信系统宜采用WiFi。
    2.7 矿井无线宽带传输
    WiFi传输速率达54 Mbit/s或更高,无线传输距离达300 m；具有传输带宽宽、便于接入有线宽带网络、设备体积小、发射功率小等优点，可满足监控数据、语音和图像等多种信息实时传输的要求。在当今技术条件下，建设煤矿井下一体化无线宽带传输平台宜采用WiFi。
    WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等第3代移动通信系统的数据传输速率分别为2 Mbit/s(室内)、384 kbit/s（室外）和144 kbit/s（行车），能够同时传输声音和数据。WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA是3个不同的标准，并存在着难以实现手机脱网通信、接入煤矿井下有线宽带传输平台需进行协议转换、采用MESH技术困难、传输带宽较窄等问题。因此，不宜用作矿井无线宽带传输技术。
    2.8 越区切换
    煤矿井下由斜井（或立井、平硐）、大巷、上下山、顺槽、工作面等多个巷道构成，工作面至地面距离可达10余千米。煤矿井下无线传输距离近，一般为数百米。因此，全矿井移动通信需在煤矿井下布置大量的基站。手机等移动终端在井下移动通信，有时需跨越基站的无线覆盖区域。要保证手机等移动终端跨越基站无线覆盖区域时，仍能正常通信，这就需要越区切换技术。
    WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA是移动通信技术，因此具有良好的越区切换性能。
    WiFi是无线接入技术，因此越区性能不如WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。但煤矿井下人员移动速度较慢，即使乘坐胶轮车、人车、电机车、乘人胶带等运输工具，其移动速度也远不及地面高速公路上的小汽车的移动速度。因此，WiFi矿井移动通信系统越区性能差的问题，并不影响WiFi矿井移动通信系统在煤矿井下使用，这已被大量的现场使用所证明。
    3 结语
    现代化煤矿安全生产迫切需要可靠、及时和便捷的矿井通信系统。矿井通信系统应由矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统和矿井救灾通信系统等组成。WiFi在手机脱网通信、接入煤矿井下有线宽带传输平台、无线自组织网络、矿用无线摄像机、基站脱网通信、多功能矿井移动通信系统、矿井无线宽带传输等方面，优于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。因此，多功能矿井移动通信系统和全矿井综合监控、通信和监视系统的无线传输技术宜选用WiFi。