地下礦井通訊技術(shù)及其應(yīng)用探究

肖 雄

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

引言

由于煤礦開采的環(huán)境十分復(fù)雜，煤礦開采過程中遇到瓦斯泄露、突水、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，很容易導(dǎo)致安全事故，嚴(yán)重威脅到煤礦工人的生命安全。因此，為了確保煤礦生產(chǎn)的安全性，礦井一般安裝了監(jiān)控系統(tǒng)和傳感設(shè)備，及時掌握地下礦井作業(yè)人員的位置。然而傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)無法實現(xiàn)對井下作業(yè)人員精確定位，所以無法確保井下作業(yè)人員的安全。將現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用于地下礦井的開采過程中，可以實現(xiàn)對井下作業(yè)人員精確定位，通過通信設(shè)備及時將礦井人員的位置信息和煤礦運行數(shù)據(jù)信息發(fā)送到礦井管理中心，管理中心和地下礦井人員隨時保持聯(lián)系，一旦發(fā)生異常情況，立即通知地下礦井人員進(jìn)行撤離，確保地下礦井人員的生命安全。因此，通信技術(shù)在地下礦井廣泛應(yīng)用。

1 地下礦井移動通信系統(tǒng)特點

地下礦井的工作環(huán)境復(fù)雜，普通的公共通訊系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足地下礦井的通信環(huán)境要求。因此，地下礦井移動通信系統(tǒng)具有自身特點[1]。

1.1 具備防爆功能

由于地下礦井生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的瓦斯、甲烷等易燃易爆的氣體，通信設(shè)備在運行過程中如果遇到甲烷或者瓦斯很容易發(fā)生爆炸現(xiàn)象。所以通信設(shè)備必須具備防爆功能，這樣才能保證通信設(shè)備正常運行。

1.2 發(fā)射功率小

由于地下礦山的通訊設(shè)備長期運行，設(shè)備溫度不斷提高，如果超過了設(shè)備溫度限值，則可能導(dǎo)致高溫爆炸或者起火等現(xiàn)象。為了避免通信設(shè)備運行過程中出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，盡量選擇功率比較小的設(shè)備。一般設(shè)備功率不能超過25 W。

1.3 抗干擾能力比較強(qiáng)

地下礦井生產(chǎn)過程中需要生產(chǎn)設(shè)備、電氣設(shè)備、探測設(shè)備等一系列與礦井生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備，這些設(shè)備在運行過程中對通信系統(tǒng)造成一定的困擾，比如電力設(shè)備運行過程中，可能產(chǎn)生電力磁場，從而影響到通信系統(tǒng)的發(fā)射頻率。同時，由于地下礦井的空間比較狹窄，需要大量的挖掘設(shè)備、探測設(shè)備，為了避免電磁干擾，所以通信設(shè)備必須具備一定的抗干擾能力[2]。

1.4 抗故障性能好

我國地下礦井生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入深井作業(yè)，礦井生產(chǎn)過程中，很容易出現(xiàn)粉塵、瓦斯、突水等現(xiàn)象，所以設(shè)備運行過程中很容易出現(xiàn)故障。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，可能影響到通信系統(tǒng)的正常運行。因此，地下礦井必須具備一定的抗故障能力，一旦通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障，自身必須具備一定的愈合能力，確保整個通信系統(tǒng)正常運行。

2 地下礦井通訊技術(shù)

我國地下礦山通訊技術(shù)從最開始的特定生產(chǎn)部門向全礦轉(zhuǎn)變，從單一的語音功能到現(xiàn)在的語音、視頻、數(shù)據(jù)通往傳輸?shù)木C合通信系統(tǒng)，從固定的有線通訊網(wǎng)絡(luò)向無線綜合通訊網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。當(dāng)前地下礦井通訊技術(shù)主要有漏泄通訊、有線通訊、無線通訊系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)電話四種。

2.1 漏泄通訊

漏泄通訊是無線通訊最早的雛形，它主要由傳輸設(shè)備、移動設(shè)備、通信基站構(gòu)成，這種通訊系統(tǒng)采用泄露電纜傳輸通訊信號，并覆蓋到礦井所有的巷道。泄露電纜指在稀疏編織的同軸管外導(dǎo)體上開挖一系列的槽空或者縫隙，通信基站發(fā)射的無線信號一邊沿著電纜進(jìn)行傳輸，另外一邊向周圍人泄露，讓礦井工作人員可以用特定的移動通信設(shè)備接收信號并進(jìn)行通話[3]。

2.2 有線通訊

礦井最早使用的通訊方式是有線通訊，有線通訊指利用電力電纜或者通信電纜進(jìn)行通訊，由于地下礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水比較豐富，區(qū)域電纜很容易受到損耗，發(fā)生腐蝕、損壞現(xiàn)象，信號質(zhì)量不是很穩(wěn)定。

2.3 井下無線通信系統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)是目前井下礦山使用最廣泛的通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由信號傳輸設(shè)備、傳輸基站、供電設(shè)備、控制設(shè)備、移動終端等構(gòu)成。其中通信基站作為信號傳輸終端，采集移動終端的數(shù)據(jù)信息并將信息進(jìn)行編碼傳輸。交換機(jī)和控制器通過電力光纜通信信息傳輸?shù)降孛娼粨Q機(jī)；供電設(shè)備主要為通信系統(tǒng)提供電源。為了確保通信安全，所有礦井的電源系統(tǒng)使用空氣開關(guān)，便于井下電源檢修。通訊系統(tǒng)采用蜂窩式組網(wǎng)方式，以通信基站作為覆蓋點，周圍多個基站共同組成一個通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。井下無線通訊系統(tǒng)具有以下特點：第一，無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基站基數(shù)比較大、成本比較高，一般適合大型礦山。第二，無線通信系統(tǒng)使用蜂窩式組網(wǎng)，適合巷道分布比較復(fù)雜的礦山。第三，無線通信系統(tǒng)施工比較復(fù)雜，對維修管理要求比較高。第四，電子元件很容易腐蝕，線路容易被掛斷。這種無線通信系統(tǒng)有利于礦山作業(yè)，員工不需要從巷道出來跑到幾百米外的地方打電話，也不會因為通信系統(tǒng)不便利，導(dǎo)致礦難發(fā)生以后無法及時救援[4]。

3 WIFI通訊技術(shù)在礦井通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，為了滿足智能手機(jī)、移動終端網(wǎng)絡(luò)需求，無線WI-FI技術(shù)快速發(fā)展，WI-FI是一種可以允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)的技術(shù)，一般使用2.4GUHF或者5G SHF ISM射頻頻段，它通過無線電波進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，這種無線通信技術(shù)部需要布線、傳輸速度快、組網(wǎng)方便，是當(dāng)下使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，將其應(yīng)用在礦山生產(chǎn)中，可以滿足礦區(qū)移動辦公需求[5]。

3.1 礦區(qū)無線局域網(wǎng)設(shè)置

某礦區(qū)需要在全礦區(qū)范圍覆蓋移動通訊網(wǎng)絡(luò)，因此分別在監(jiān)控中心、礦場、沙泵站3個地方安裝了3個網(wǎng)橋，這三個網(wǎng)橋通過光纖接入到中心機(jī)房的交換機(jī)上，監(jiān)控中心的交換機(jī)通過路由器和因特網(wǎng)鏈接，所有的辦公設(shè)備通過監(jiān)控中心的交換機(jī)鏈接IP PBX語音網(wǎng)關(guān)，礦區(qū)的程控交換機(jī)和中國電信公用數(shù)字交換網(wǎng)連接。通過這些硬件設(shè)備，可以實現(xiàn)全礦區(qū)范圍內(nèi)WIFI語音通信要求，通過無線局域網(wǎng)就可以實現(xiàn)VOIP的功能，不需要支付其他的語音通信費用，就可以實現(xiàn)語音通話，從而節(jié)省了整個礦區(qū)的通訊費用。如圖1所示為整個礦區(qū)無線通訊系統(tǒng)圖。

圖1 整個礦區(qū)無線通訊系統(tǒng)圖

3.2 井下定位跟蹤系統(tǒng)

由于礦區(qū)的生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，為了確保礦井工作人員的生命安全，需要對礦區(qū)的工作人員進(jìn)行精確定位。將WIFI網(wǎng)絡(luò)結(jié)合GPS全球衛(wèi)生定位系統(tǒng)和傳感技術(shù)，在每一個礦井作業(yè)人員身上安裝接收器，定位跟蹤系統(tǒng)根據(jù)煤礦工人的工作場地自動定位，并實時對工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視、控制，一旦出現(xiàn)異常情況，定位跟蹤系統(tǒng)立即發(fā)出警報，礦井及時安排工作人員和設(shè)備進(jìn)行撤離，從而確保煤礦生產(chǎn)安全[6]。

3.3 智能化控制系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代采礦業(yè)的發(fā)展，將煤礦通信系統(tǒng)引入PWM和MCU等技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)、控制器、傳感器、紅外線、感應(yīng)器等應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對煤礦的生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)控，了解煤礦生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、二氧化碳濃度、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)。監(jiān)控系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)信息傳遞到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，地面監(jiān)控中心的工作人員通過手機(jī)、電腦等移動客戶端就可以了解礦井生產(chǎn)情況，并通過移動端進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，及時調(diào)整礦井溫度、濕度，降低通信設(shè)備運行溫度，防止通信設(shè)備因為溫度導(dǎo)致起火或者爆炸等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

安全是采礦企業(yè)的生命線，地下礦井作業(yè)過程中，必須采取有效的措施，確保礦井生產(chǎn)安全。當(dāng)前，大量先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備廣泛應(yīng)用在礦區(qū)生產(chǎn)過程，極大提高了采礦工作效率。但是與此同時，井下作業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜，對通信質(zhì)量要求更高。因此，必須結(jié)合實際情況，選擇合適的通訊網(wǎng)絡(luò)[7]。