現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)與系統(tǒng)

1、工 礦 自 動 化 第 卷 第 期 年 月 檾檾檾檾殧科研成果文章編號：（）：孫繼平現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)與系統(tǒng)工礦自動化，（）：現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)與系統(tǒng)孫繼平（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京）摘要：提出了由礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)和礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)等組成的煤礦井下通信技術(shù)體系。 提出礦用調(diào)度通信系統(tǒng)應(yīng)采用礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。 提出全礦井移動通 信系統(tǒng)宜采用 、 等通信技術(shù)。 提出礦井廣播通信系統(tǒng)既可采用礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)遠程供 電廣播技術(shù)，也可采用基于以太環(huán)網(wǎng)和無源光網(wǎng)絡(luò)的 通信技術(shù)。 提出礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)應(yīng)采用無線多媒 體通信技術(shù)，宜采用 和 等通信技術(shù)。 提出

2、礦井移動通信系統(tǒng)應(yīng)滿足手機脫網(wǎng)通信、基站脫網(wǎng)通 信、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺等要求。 指出在手機脫網(wǎng)通信、接入煤礦井下有線寬 帶傳輸平臺、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、礦用無線攝像機、基站脫網(wǎng)通信、多功能礦井移動通信系統(tǒng)、礦井無線寬帶傳 輸?shù)确矫?，?yōu)于 、 和 。 提出多功能礦井移動通信系統(tǒng)和礦井無線寬 帶傳輸宜采用 。關(guān)鍵詞：礦井；移動通信；調(diào)度通信；廣播通信；救災(zāi)通信；應(yīng)急通信；中圖分類號：文獻標志碼：網(wǎng)絡(luò)出版時間：網(wǎng)絡(luò)出版地址：（），）： ， ， ， ， ， 收稿日期：?；痦椖浚簢易匀豢茖W(xué)基金重點項目 （）；國家自然科學(xué)基金項目 （）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 （ 計 劃 ）資

3、助 項 目（）。作者簡介：孫繼平（），男，山西翼城人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）副校長；獲國家科技進步二等獎 項（其中第 完成 人 項、第 完成人 項）；作為第 完成人獲省部級科技進步一等獎 項；作為第 完成人主持制定中華人民共和國煤炭行業(yè)和安全生產(chǎn)行業(yè)檾殧檾殧， ， ， ， ：； ； ； ；本質(zhì)安全型 防 爆 電 話 附 近 無 人，將 無 法 實 現(xiàn) 通 話。引言特別是，當(dāng)發(fā)生事故時，地面調(diào)度室人員不能及時通知井下作業(yè)人員，井下作業(yè)人員也不能將險情及時 向調(diào)度室人員報告。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)的交換設(shè)備宜選用程控 數(shù)字交換機、 網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等，嚴禁采用礦用 電話通信系統(tǒng)替代

4、礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。 這是因 為礦用 電話通信系統(tǒng)中的礦用本質(zhì)安全型防爆 電話和礦用防爆交換機設(shè)置在井下，均需井下供 電；當(dāng)井下發(fā)生瓦斯超限停電或故障停電等時，會影 響系統(tǒng)正常工作。 礦用 電話通信系統(tǒng)的可靠性 遠不如不需井下供電的礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)?，F(xiàn)代化煤礦的發(fā)展方向是機械化、信息化和自動化，其實現(xiàn)目標： 供電、排水、通風(fēng)、壓風(fēng)、運輸、 提升、瓦斯抽 采 等 固 定 崗 位 無 人 值 守，地 面 遠 程 控 制； 綜采、綜放等采煤工作面少人作業(yè)，地面遠程 控制； 減少煤礦井下作業(yè)人員，實 現(xiàn) 煤 礦 安 全 高 效生產(chǎn)。 要實現(xiàn)以上目標，不但需要具有地面遠 程控制功能的礦井監(jiān)控系統(tǒng)、

5、視頻監(jiān)視系統(tǒng)，還需要 及時可靠的礦井通信系統(tǒng)。煤礦井下通信技術(shù)體系礦井通信系統(tǒng)是煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”之一，在煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度、安全避險和應(yīng)急救援中 發(fā)揮著重要作用。 礦井通信系統(tǒng)包括礦用調(diào)度通信 系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)、礦井 救災(zāi)通信系統(tǒng)等。礦井移動通信系統(tǒng)礦井移動通信系統(tǒng)具有通信及時、便捷的優(yōu)點，提高了井下流動人員通信的及時性，為及時下達調(diào)度指令、溝通生產(chǎn)信息、通報安全隱患、事故撤人和 救援提供了通信手段，促進了煤礦安全生產(chǎn)，提高了 生產(chǎn)效率。 但由于礦井移動通信系統(tǒng)的基站等設(shè)備 需井下供電，瓦斯超限斷電或事故停電會影響系統(tǒng)礦用調(diào)度通信系統(tǒng)礦用調(diào)度通信系統(tǒng)應(yīng)采用礦用

6、有線調(diào)度通信系 統(tǒng)。 礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)中的本質(zhì)安全型防爆電 話，通過多芯礦用通信電纜中的 芯，經(jīng)安全柵與地 面調(diào)度交換機相連，不需要井下供電。 瓦斯超限斷 電或事故停電均不會影響系統(tǒng)正常工作。 當(dāng)井下發(fā) 生事故時，只要電話不壞，電纜不斷，系統(tǒng)即可正常 工作。 因此，礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)是煤礦井下最 可靠的通信系統(tǒng)，在生產(chǎn)調(diào)度、緊急避險和應(yīng)急救援 工作中發(fā)揮著重要作用。由于礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)中的本質(zhì)安全型防 爆電話是有線固定電話，存在著使用不方便、不能滿 足煤礦井下移動工作的需求等問題。 采煤工作面和 掘進工作面 等 區(qū) 域 的 作 業(yè) 人 員 要 向 調(diào) 度 室 匯 報 情 況，需行走較

7、遠的距離，到裝有本質(zhì)安全型防爆電話 的地點。 調(diào)度室人員要與井下作業(yè)人員通信，需由正常工作。 雖然基站配有 不 小 于 的 備 用 電 源，但其可靠性遠不如不需井下供電的礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。 因此，礦井移動通信系統(tǒng)是礦用有線調(diào)度 通信系統(tǒng)的重要補充，但決不允許用礦井移動通信 系統(tǒng)替代礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。礦井移動通信系統(tǒng)分為全礦井移動通信系統(tǒng)和 局部移動通信系統(tǒng)。 全礦井移動通信系統(tǒng)可以覆蓋 煤礦井下巷道、硐室和采掘工作面等作業(yè)地點，宜采 用 、 等通信技術(shù)。礦井局部移動通信系統(tǒng)主要用于未裝備全礦井移動通信系統(tǒng)的煤礦，實現(xiàn)電機車調(diào)度通信等，與全 礦井移動通信系統(tǒng)相比，其系統(tǒng)投入較少。 礦井局

8、 部移動通信 系 統(tǒng) 宜 采 用 通 信 技 術(shù)，也 可 采 用 漏泄通信等技術(shù)。本質(zhì)安全型防爆電話附近的人員轉(zhuǎn)告或呼叫。 如果 年第 期孫繼平：現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)與系統(tǒng) 礦井廣播通信系統(tǒng)礦井廣播通信系統(tǒng)能及時將調(diào)度指令、撤人信 息等通過防爆喇叭和顯示屏通知井下作業(yè)人員，是 煤礦井下緊急避險的重要工具之一。 但由于礦井廣 播通信系統(tǒng)的防爆喇叭等設(shè)備需井下供電，瓦斯超 限斷電或事故停電會影響系統(tǒng)正常工作。 雖然井下 配有不小于 的備用電源，但其 可 靠 性 遠 不 如 不 需煤礦井下供電的礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。 因此， 礦井廣播通信系統(tǒng)是礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)的重要 補充，但決不允許用礦井廣播通信

9、系統(tǒng)替代礦用有 線調(diào)度通信系統(tǒng)。礦井廣播通信系統(tǒng)除應(yīng)具有語音廣播和顯示功 能外，還宜具有井下緊急呼叫地面、雙向語音通信等 功能。 廣播 通 信 系 統(tǒng) 除 作 為 事 故 撤 人 和 報 警 通 信 外，在正常生產(chǎn)時，還可作為生產(chǎn)調(diào)度廣播通信。 這 樣既提高了設(shè)備利用率，又保證應(yīng)急通信時設(shè)備完 好，做到“平戰(zhàn)結(jié)合”。礦井廣播通信系統(tǒng)既可采用礦用有線調(diào)度通信 系統(tǒng)遠程供電廣播技術(shù)，也可采用基于以太環(huán)網(wǎng)和 無源光網(wǎng)絡(luò)的 通信技術(shù)。用于被困人員的礦井通信系統(tǒng)煤礦井下發(fā)生的瓦斯爆炸等事故會造成線纜斷纜、設(shè)備損毀、供電中斷等，因此，礦用有線調(diào)度通信 系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)和礦井廣播通信系統(tǒng)均難 以保障事

10、故被困人員的通信聯(lián)絡(luò)。 參考文獻提 出電纜埋入的方法，以減少瓦斯爆炸等事故對通信 系統(tǒng)的影響，但這只適用于礦壓和底鼓不嚴重的礦 井。 技術(shù)可以根據(jù)正常工 作 的節(jié)點自組 織 網(wǎng)絡(luò)，但當(dāng)節(jié)點被瓦斯爆炸等事故連片摧毀時，也不 能保障被困人員的通信。透地通信系統(tǒng)具有受瓦斯爆炸等事故影響小等 優(yōu)點，但其傳輸帶寬窄，只能傳輸短信和指令，不能 傳輸語音和圖像，常用于地面向井下單向通信。 用 于被困人員通信聯(lián)絡(luò)的通信系統(tǒng)，不但要指揮被困 人員緊急避險（即地面向井下通信），還要了解被困 人員位置、人數(shù)、現(xiàn)狀和需求等信息（即井下向地面 通信）。 因此，需要在煤礦井下避難硐室內(nèi)設(shè)置發(fā)射 機和天線，實現(xiàn)避難硐室內(nèi)雙

11、向透地通信，這對于開 采深度較深的礦井是比較困難的。適宜地面鉆孔的避難硐室，應(yīng)優(yōu)選地面鉆孔，通 過在鉆孔內(nèi)敷設(shè)通信、監(jiān)測、供風(fēng)和供水管線，實現(xiàn) 被困人員與地面的雙向通信等。 礦壓和底鼓不嚴重 的礦井，可采用通信、監(jiān)測、供風(fēng)和供水管線埋入的 方法，減少瓦斯爆炸等事故對通信等系統(tǒng)的影響。礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)主要由礦山救護隊配備，用 于救護隊員與井下救援基地和地面救援指揮中心通 信聯(lián)絡(luò)。 礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)除應(yīng)具有語音通信功能 外，還宜具有圖像監(jiān)視功能， 、 、溫度等環(huán) 境監(jiān)測功能，救護隊員心跳、體溫、姿態(tài)等監(jiān)測功能。礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)分有線系統(tǒng)和無線系統(tǒng)。 礦 井有線救災(zāi)通信系統(tǒng)將通信電纜

12、兼做探險繩。 礦井 無線救災(zāi)通信系統(tǒng)又分為語音救災(zāi)通信系統(tǒng)和多媒 體救災(zāi)通信系統(tǒng)。 早期的礦井無線救災(zāi)語音通信系 統(tǒng)主要采用感應(yīng)通信等技術(shù)，新近研制成功的多媒 體礦井無線救災(zāi)通信系統(tǒng)主要采用 和 等通信技術(shù)。為滿足煤礦井下應(yīng)急救援對圖像監(jiān)視、環(huán)境監(jiān) 測、語音通信的需求和方便快捷的要求，礦井救災(zāi)通 信系統(tǒng)應(yīng)是 多 媒 體 無 線 通 信 系 統(tǒng)，宜 采 用 和 等通信技術(shù)。用于臨時施工的礦井通信系統(tǒng)為提高工作效率，保障安全生產(chǎn)，煤礦井下臨時施工需要布設(shè)方便快捷、使用方便的通信系統(tǒng)。 礦 用有線調(diào)度通 信系統(tǒng)和礦井 移 動 通 信 系 統(tǒng) 故 障 期 間，也需要布設(shè)方便快捷、使用方便的通信系統(tǒng)。

13、因 此，用于 煤 礦 井 下 臨 時 施 工 等 的 通 信 系 統(tǒng) 宜 采 用 和 技術(shù)或 技術(shù)。礦井通信系統(tǒng)技術(shù)體系通過上面分析，不難看出，礦井通信系統(tǒng)應(yīng)由礦 用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播 通信系統(tǒng)和礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)等組成。 充分發(fā)揮礦 井有線調(diào)度通信系統(tǒng)的可靠性、礦井移動通信系統(tǒng) 的實時性、礦井廣播通信系統(tǒng)的及時性、礦井救災(zāi)通 信系統(tǒng)的便捷性等優(yōu)點，共同滿足煤礦安全生產(chǎn)和 應(yīng)急救援對礦井通信系統(tǒng)的需求。礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)由礦山救護隊配備，礦用有 線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)主要用于事故報警、人員撤 離、被困人員通信聯(lián)絡(luò)、搶

14、險救災(zāi)、臨時施工等。 礦 井應(yīng)急通信系統(tǒng)除上述用于搶險救災(zāi)的礦井救災(zāi)通自組織網(wǎng)絡(luò)及手機和基站脫網(wǎng)通信功能的礦井移動通信系統(tǒng)，還可以采用基于 和 的多媒 體礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)。當(dāng)然，隨著礦井通信技術(shù)的發(fā)展，礦用有線調(diào)度 通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)將 會融合為全礦井綜合通信系統(tǒng)，并進一步融合為全 礦井綜合監(jiān)控、監(jiān)視與通信系統(tǒng)，以便于用戶裝備、 使用與維護。動重組。在基 于 的 礦 井 移動通信系統(tǒng) 中，采 用 技 術(shù) 十 分 方 便。 但 在 基 于 、 的礦井移動通信系統(tǒng)中，采用 技術(shù)卻異常困難。礦用無線攝像機現(xiàn)代化煤礦要實現(xiàn)：供電、排 水、通 風(fēng)、壓 風(fēng)、運 輸、提升、瓦斯抽采

15、等固定崗位無人值守，地面遠程 控制；綜采、綜放等采煤工作面少人作業(yè)，地面遠程 控制等。 要實現(xiàn)以上目標，不但需要具有地面遠程 控制功能的礦井監(jiān)控系統(tǒng)和礦井通信系統(tǒng)，還需要 視頻監(jiān)視系統(tǒng)，其中無線攝像機是必不可少的。為提高性 價 比，礦 用 無 線 攝 像 機 宜 采 用 技術(shù)。礦井移動通信特殊要求煤礦瓦斯、水、火、頂板等事故威脅著煤 礦 安 全生產(chǎn)，也影響著礦井移動通信系統(tǒng)的正常工作。 因 此，礦井移動通信系統(tǒng)不但要考慮煤礦井下無線傳 輸?shù)奶攸c，還要考慮瓦斯爆炸等事故對系統(tǒng)的影響。 這就要求礦 井 移 動 通 信 系 統(tǒng) 具 有 手 機 脫 網(wǎng) 通 信 功 能、基站脫網(wǎng)通信功能、可接入煤礦井下

16、有線寬帶傳 輸平臺、便于無線自組織網(wǎng)絡(luò)等。基站脫網(wǎng)通信為減少瓦斯爆炸等事故的影響，礦井移動通信 系統(tǒng)宜具有基站脫網(wǎng)通信功能。 具有基站脫網(wǎng)通信 功能的系統(tǒng)，當(dāng) 發(fā) 生 斷 纜 等 故 障 時，沒 有 損 壞 的 基 站，在其備用電源有電的時間內(nèi)，可提供基站無線覆 蓋范圍內(nèi)的手機通信。基于 的礦井移動通信系統(tǒng)較易實現(xiàn)基站 脫網(wǎng)通信功能，而基于 、 的礦井移動通信系統(tǒng)要實現(xiàn)基站脫網(wǎng)通信 功能，需在基站中增加軟交換功能。手機脫網(wǎng)通信瓦斯爆炸等事故會造成光纜和電纜斷纜、設(shè)備 損毀、供電中斷等，使礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井 移動通信系 統(tǒng)、礦 井 廣 播 通 信 系 統(tǒng) 無 法 正 常 工 作。 如果礦

17、井移動通信系統(tǒng)的手機具有脫網(wǎng)通信功能， 在手機無線覆蓋范圍內(nèi)，就能滿足被困人員與救援 人員、被困人員與被困人員之間的通信聯(lián)絡(luò)；還可用 于災(zāi)后遇險人員搜救和煤礦井下臨時施工通信?；?的礦井移動通信系統(tǒng)較易實現(xiàn)手機 脫網(wǎng)通信功能，而基于 、 的礦井移動通信系統(tǒng)則難以實現(xiàn)手機脫網(wǎng) 通信功能。多功能礦井移動通信系統(tǒng)手 機 和 基 站 均 具 有 脫 網(wǎng) 通 信 功 能， 技術(shù)便于通過無線中繼提高傳輸距離。 因此， 除可用于全礦井移動通信系統(tǒng)外，還可用于多媒體礦井救災(zāi)通 信 系 統(tǒng)、臨 時 施 工 通 信 和 局 部 通 信 等。接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺煤礦井下工作面至地面距離長達 余千米，但 煤

18、礦井下無線傳輸衰減大，一般無中繼無線傳輸距 離為數(shù)百米。 因此，煤礦井下遠距離寬帶傳輸應(yīng)采 用光纜等有線傳輸，宜采 用 基 于 協(xié) 議 的 以 太環(huán)網(wǎng)或無源光網(wǎng)絡(luò)。采用 協(xié)議，因此，接入基于 協(xié) 議 的 以 太 環(huán) 網(wǎng)或無源光網(wǎng) 絡(luò) 十分方 便，但 、 接入 基 于 協(xié)議的以太環(huán)網(wǎng)或無源光網(wǎng)絡(luò)需進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。、 可用于礦井移動通信系統(tǒng)，但不宜用于多媒體礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)、臨時施工通信和局部通信等。 因此，多功能礦井移動通信系統(tǒng)宜采用 。礦井無線寬帶傳輸傳輸速率達 或更高，無線傳輸 距離達 ；具有傳輸帶寬寬、便于接入有線寬帶 網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備體積小、發(fā)射功率小等優(yōu)點，可滿足監(jiān)控 數(shù)據(jù)、語音和圖像等多種信

19、息實時傳輸?shù)囊蟆?在 當(dāng)今技術(shù)條件下，建設(shè)煤礦井下一體化無線寬帶傳 輸平臺宜采用 。、 和 等 第 代移動通信 系 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 傳 輸 速 率 分 別 為 （室內(nèi)）、（室 外）和 （行 車），能無線自組織網(wǎng)絡(luò)煤礦井下無線傳輸衰減大。 為延長煤礦井下無 線通信距離，需無線中繼。 為減少無線中繼器因瓦 斯超 限 停 電、故 障 和 損 壞 對 系 統(tǒng) 的 影 響，宜 采 用 技術(shù)實現(xiàn) 剩 余 的 正 常 工 作 的 中 繼 節(jié) 點 的 自夠同 時 傳 輸 聲 音 和 數(shù) 據(jù)。 、 年第 期孫繼平：現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)與系統(tǒng) 是 個 不 同 的 標 準，存 在 著 難 以 實 現(xiàn)手機脫網(wǎng)通信、接

20、入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺需 進行協(xié)議轉(zhuǎn)換、采用 技術(shù)困難、傳 輸 帶 寬 較 窄等問題。 因此，不宜用作礦井無線寬帶傳輸技術(shù)。動 通 信 系 統(tǒng)、礦 井 無 線 寬 帶 傳 輸 等 方 面，優(yōu) 于、 和 。 因 此，多 功能礦井移動通信系統(tǒng)和全礦井綜合監(jiān)控、通信和 監(jiān)視系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)宜選用 。參考文獻：越區(qū)切換煤礦井下由斜井（或立井、平硐）、大巷、上下山、 工作面等多個巷道構(gòu)成，工作面至地面距離可達 余千米。 煤礦井下無線傳輸距離近，一般為數(shù)百米。 因此，全礦井移動通信需在煤礦井下布置大量的基 站。 手機等移動終端在井下移動通信，有時需跨越 基站的無線覆蓋區(qū)域。 要保證手機等移動終端跨越

21、 基站無線覆蓋區(qū)域時，仍能正常通信，這就需要越區(qū) 切換技術(shù)。、 和 是移動 通信技術(shù)，具有良好的越區(qū)切換性能。 是 無 線 接 入 技 術(shù)，越 區(qū) 性 能 不 如 、 和 。 但 煤 礦 井 下人員移動速度較慢，即使乘坐膠輪車、人車、電機 車、乘人膠帶等運輸工具，其移動速度也遠不及地面 高速公路上的小汽車的移動速度。 因此，基于 的礦井移動通信系統(tǒng)越區(qū)性能差的問題，并不影響 其在煤礦井下使用，這已被大量的現(xiàn)場使用所證明。孫繼平煤礦安全生產(chǎn)理念研究煤炭學(xué)報，（）：孫繼平煤礦物聯(lián)網(wǎng)特點與關(guān)鍵技術(shù)研究煤炭學(xué) 報，（）：孫繼 平煤礦安全監(jiān)控技術(shù)與 系 統(tǒng) 煤 炭 科 學(xué) 技術(shù)，（）：孫繼平煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究煤炭學(xué) 報，（）：孫繼平煤礦井下人員位置監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)煤炭科學(xué)技術(shù)，（）：孫繼平煤礦井下人員位置監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)煤炭科 學(xué)技術(shù)，（）：孫繼平安全