科研成果
第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Networks，5G)、大数据、物联网、人工智能、机器人、工业互联网、云计算、边缘计算、增强现实和虚拟现实等新技术促进了煤矿智能化。其中，5G是新一代蜂窝移动通信技术，具有传输速率高、时延小、可靠性高、容量大等优点，已在地面应用[1-2]。2020年7月，安标国家矿用产品安全标志中心按照新产品审核发放模式，发放了我国第1个煤矿5G通信系统安全标志准用证[3](有效期2 a)。该系统没有针对煤矿井下安全生产特点进行研发，仅将地面5G产品进行防爆改造，仅可用于矿井语音通信和视频图像传输。目前正在安标送审的矿用5G系统也没有针对煤矿井下特殊需求进行研发，仅将地面5G产品进行防爆改造，难以满足煤矿智能化建设需求。煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体，矿井无线传输衰减大等特殊性[1-2]，制约着5G直接在煤矿井下应用。因此，需根据煤矿井下特殊需求，研究矿用5G技术和系统。
煤矿井下有瓦斯等爆炸性气体，用于煤矿井下的电气设备必须是防爆型电气设备。矿用防爆电气设备防爆型式主要有本质安全型、隔爆型、胶封型、增安型等[4]。其中，本质安全型防爆性能最好，适用于煤矿井下所有场所和瓦斯超限等各种条件，具有防爆性能好、体积小、质量小等优点。因此，矿用5G应首选矿用本质安全型。但本质安全型防爆措施限制了大功率、高电压、大电流、大电容和大电感。功率超过25 W的电气设备难以做成矿用本质安全型防爆电气设备。矿用隔爆及其复合型防爆5G基站体积大、质量大、防爆性能不如本质安全型，甲烷超限或停风后需停电，不能在甲烷超限和停风断电控制区域工作。
煤矿井下无线发射会在金属支护、机电设备金属外壳等产生感生电动势，引起瓦斯爆炸。为防止大功率无线发射引起瓦斯爆炸，GB 3836.1—2010《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》[4]规定，煤矿井下无线发射设备的射频阈功率(无线发射设备的有效输出功率与天线增益的乘积)不得大于6 W。5G基站一般采用多天线，多个发射天线同时工作，发射功率叠加。因此，矿用5G基站应按同时工作的多个发射天线的最大总功率考核其防爆性能。
电气设备火花放电能量取决于放电时间、电源放电功率、负载中电容量和电感量等。放电时间越长、电源放电功率越大、负载中电容量和电感量越大，火花放电能量就越大，引爆瓦斯的概率就越大。天线的等效电感(含分布电感)和电容(含分布电容)会增加火花放电能量。因此，对于本质安全型、隔爆兼本质安全型矿用5G基站，应考核天线的等效电感(含分布电感)和等效电容(含分布电容)。
对于发射功率软件可调的矿用5G基站，调控发射功率的软件应固化，确保在正常工作和故障状态下，最大发射功率不增大；不得因设备停电重启、光缆断缆、基站控制器损坏、交换机/路由器损坏、电磁干扰等，造成最大发射功率增大。无法保证最大发射功率不增大的软件调控发射功率的矿用5G基站，应按硬件最大发射功率考核其防爆性能。
煤矿井下空间狭小，大型机电设备相对集中，电磁干扰严重。采煤机、掘进机、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、水泵、提升机等大型机电设备启停，大功率变频设备工作，架线电机车火花，矿井人员和车辆定位系统等其他无线设备，均影响着矿用5G系统的正常工作。因此，用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力[5]，通过GB/T 17626.3—2016《电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验》[6]的严酷等级为2级的射频电磁场辐射抗扰度试验，评价等级为A；通过GB/T 17626.4—2018《电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》[7]规定的严酷等级为2级的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，评价等级为A；交流端口通过GB/T 17626.5—2019《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》[8]规定的严酷等级为3级的浪涌(冲击)抗扰度试验，评价等级为B；直流端口和信号端口通过GB/T 17626.5—2019《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》[8]规定的严酷等级为2级的浪涌(冲击)抗扰度试验，评价等级为B。
使用电容和电感滤波是提高设备抗干扰能力的有效方法。但是，本质安全型防爆电气设备除限制最大工作电压、最大电流和最大功率外，还限制电路中的电容量和电感量。因此，在本质安全防爆的条件下，提高5G系统的抗干扰能力，是矿用5G亟需解决的技术难题。
事故调查表明，我国煤矿死亡事故主要发生在采煤工作面和掘进工作面[9]。因此，通过煤矿自动化、信息化和智能化，减少煤矿井下作业人员，特别是减少采煤工作面和掘进工作面作业人员，是煤矿安全生产亟需解决的问题。目前，采煤工作面已实现采煤机、液压支架和刮板输送机联动(以下简称机架联动)，记忆割煤，工作面巷道远程控制。但是，煤岩界面自动识别等技术难题仍然没有解决；采煤机、液压支架和刮板输送机等工作面设备定位精确度难以满足无人采煤工作面要求。人们研发了通过工作面巷道探测顶底板位置+地质钻孔估算顶底板位置的地质模型方法，但当顶底板变化较大时，误差较大，难以满足无人采煤工作面对顶底板准确位置的需求。在煤岩界面自动识别、采煤工作面设备精确定位等技术难题被攻克前，为尽早实现采煤工作面无人或少人作业，减少采煤工作面作业人员，笔者提出了机架联动+记忆割煤+地质模型+地面远程控制方法(以下简称地面遥控方法)。
地面遥控方法中的机架联动、记忆割煤、地质模型等方法已在采煤工作面应用，亟需解决地面远程控制问题。地面远程控制需解决采煤工作面信息(包括采煤工作面视频图像,语音,通过传感器采集的环境、采煤机、液压支架、刮板输送机等设备运行和状态信息等)实时可靠采集与上传，地面控制命令实时可靠下传等问题。采煤工作面粉尘大，采煤机工作时有喷雾，造成视频图像不清晰，难以通过视频图像在地面远程识别顶底板煤岩界面等。采用透雾透尘摄像机，可较好地解决采煤工作面视频图像不清晰问题，优于工作面现场肉眼观察。采煤工作面采煤机、液压支架、刮板输送机等设备是移动设备，宜采用无线传输技术。采煤工作面视频图像实时可靠无线上传，要求传输系统传输速率高、时延小、可靠性高。
5G具有传输速率高、时延小、可靠性高、容量大等优点。在FR1(450～6 000 MHz)频率范围内，5G的最高传输速率为1.2 Gbit/s(上行)和2.2 Gbit/s(下行)[1，10-11]。5G面向工业互联网应用，支持0.5～1 ms空口时延、不大于5 ms的端到端时延和更高的可靠性[12-13]。而WiFi6平均时延为20 ms[1]，可靠性不能保证。在传输时延和可靠性方面，5G优于WiFi6等其他常用无线通信技术。因此，采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用矿用5G。
煤矿井下胶轮车、电机车等矿用车辆无人驾驶，是减少煤矿井下作业人员、避免或减少重特大事故发生、提高运输效率的有效措施。矿用车辆无人驾驶包括自动驾驶、地面遥控、自动驾驶+地面遥控等方法。矿用车辆无人驾驶，需通过矿用车辆精确定位系统和惯性导航系统对车辆定位和导航；通过激光雷达、毫米波雷达、热像仪、摄像机、车载传感器和巷道传感器等感知车辆和周边环境；通过时延小、可靠性高、传输速率高的矿用无线通信系统构成车联网，监测矿用车辆运行状态和环境，控制信号灯、电动转辙机(仅用于轨道运输系统)和车辆运行等。
5G具有传输速率高、时延小、可靠性高、容量大等优点。5G面向车联网应用，支持V2V(Vehicle to Vehicle,车与车)和V2I(Vehicle to Infrastructure,车与路边单元)直连通信等[12-13]。因此，煤矿井下车辆无人驾驶远程控制宜选用矿用5G。
煤矿井下通信从功能上划分，可分为有线调度通信、广播通信、救灾通信、应急通信和移动通信。矿用有线调度通信系统用于日常煤矿生产调度和安全调度，具有不需煤矿井下供电、抗灾变能力强等优点。矿用广播通信系统用于通知煤矿井下作业人员紧急撤离和紧急避险，并具有报告井下灾变情况等功能，日常用于安全生产调度广播。矿井救灾通信系统由矿山救护队员携带，用于救护队员与救援基地、救护队员之间通信。矿井应急通信系统用于灾后遇险人员与地面通信，具有抗灾变能力强等优点，目前有线调度通信系统兼做矿井应急通信系统[14]。矿井移动通信系统用于手机等移动终端之间、手机等移动终端与地面调度室之间通信，具有及时、方便等优点。矿长、矿总工程师、区队长、工程技术人员、班组长、爆破工、安全检查员、瓦斯检查工、流动电钳工、安全监测工、司机等关键岗位和流动作业人员，宜佩戴手机等移动终端。
矿井移动通信系统主要有漏泄移动通信系统、感应移动通信系统、透地移动通信系统、多基站移动通信系统等。目前，矿井移动通信系统主要采用多基站移动通信系统，多基站移动通信系统主要有4G/5G，WiFi等。WiFi矿井移动通信系统具有成本低等优点，但不适用于手机等移动终端移动速度较快的场景。煤矿井下胶轮车和电机车等行驶速度受限，手机等移动终端移动速度较慢，WiFi矿井移动通信系统可满足煤矿井下移动通信需求。4G/5G矿井移动通信系统具有手机种类多、语音通话质量高、可用于快速移动通信等优点，但成本高。因此，没有针对矿井移动通信特点研发的矿用5G性价比低于矿用WiFi移动通信系统。
矿用有线调度通信系统是煤矿安全生产的重要保障，在生产和安全调度中发挥着重要作用。矿用有线调度通信系统主要由本质安全型防爆电话、安全栅、交换机、调度台、电缆和分/接线盒等组成。矿用有线调度通信系统在井下没有需要供电的设备，安装在井下的本质安全型防爆电话由地面交换机经安全栅和电缆供电。煤矿井下甲烷超限停电和停风停电等，不影响矿用有线调度通信系统正常工作。当煤矿井下发生瓦斯和煤尘爆炸(包括瓦斯爆炸、煤尘爆炸和瓦斯煤尘爆炸)、煤与瓦斯突出、冲击地压、水灾、火灾、顶板冒落、炸药爆炸等各类事故时，只要电缆不断、电话不坏，系统均能正常工作。迄今为止，矿用有线调度通信系统是煤矿井下最可靠的通信系统，不但用于日常生产和安全调度通信，还用于事故应急救援通信，在事故应急救援工作中发挥着重要作用。例如，2007年7月29日河南省陕县支建煤矿发生透水事故，共有69人遇险，经76 h营救，遇险人员全部安全升井。事故发生后，遇险人员通过有线调度电话及时将被困人数、位置和状况向地面调度室汇报，为救援提供了准确信息，缩短了救援时间[14]。矿用有线调度通信系统是煤矿井下安全避险“六大系统”之一。《煤矿安全规程》[15]规定：所有煤矿必须装备有线调度通信系统；有线调度通信系统通信电缆必须专用。为进一步提高有线调度通信系统抗灾变能力，有线调度通信系统的矿用本质安全型防爆电话应设置在机电硐室内；电缆应设置在巷帮与底板的夹角处，或设置在压风管路中。
矿用5G移动通信系统主要由矿用手机等移动终端、矿用基站和天线、矿用基站控制器、矿用网络交换机/路由器、地面调度终端、地面5G核心网、光缆、光缆分/接线盒、矿用电源(可以与矿用基站、矿用基站控制器、矿用网络交换机/路由器一体)等组成。矿用5G必须在井下敷设光缆。设置在煤矿井下的矿用5G基站、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等均由井下电网供电。因矿用备用电源工作时间有限，煤矿井下瓦斯超限停电和停风停电，将影响矿用5G移动通信系统正常工作。当煤矿井下发生瓦斯和煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、冲击地压、水灾、火灾、顶板冒落、炸药爆炸等事故时，会造成矿用5G基站和天线、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等损坏，光缆断缆。虽然也可以将矿用5G基站、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等设置在机电硐室，光缆设置在巷帮与底板的夹角处或压风管路中,但矿用5G移动通信系统在煤矿井下的设备较多，并需由井下电网供电，因此，矿用5G移动通信系统抗灾变能力远不如矿用有线调度通信系统，难以满足应急通信要求。严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统。
煤矿安全监控系统具有甲烷、一氧化碳、温度、风速、风压、风向、馈电状态等监测功能；当甲烷超限或停风，发出声光报警信号，并切断相关区域电源，避免瓦斯爆炸等事故发生；具有煤与瓦斯突出感知、报警和断电功能，及时发现事故，撤出遇险人员，避免瓦斯爆炸等事故发生。煤矿安全监控系统在煤矿安全生产中发挥着重要作用。煤矿井下顶板冒落和机械碰撞等，会造成线缆(光缆或电缆)断缆。为避免系统线缆断缆和主机故障，影响甲烷超限断电和停风断电，《煤矿安全规程》[15]规定，当主机和系统线缆发生故障时，必须保证实现甲烷电闭锁和风电闭锁全部功能。
目前，矿用5G核心网在地面，控制整个系统工作，地面采用设备和网络冗余，具有较高的可靠性和稳定性。但当煤矿井下光缆断缆或交换机/路由器等出现故障，井下系统将瘫痪。甲烷超限或停风后，非本质安全防爆的5G基站、基站控制器和交换机/路由器等必须停电。因此，不针对煤矿安全监控特点进行二次开发，仅对现有地面5G进行防爆改造的矿用5G，不能替代煤矿安全监控系统。
矿井人员和车辆精确定位技术是煤矿智能化关键技术之一。为遏制煤矿井下超定员生产，避免或减少煤矿重特大事故发生，《煤矿安全规程》[15]规定，煤矿必须装备矿井人员位置监测系统。煤矿井下人员定位系统在遏制煤矿井下和采掘工作面等重点区域超定员生产、重特大事故发生，搜寻遇险遇难人员，防止人员进入盲巷等危险区域，控制作业人员超时下井，特种作业人员管理，领导下井带班管理，持证上岗管理，井下作业人员考勤等方面发挥着重要作用。矿井人员和车辆精确定位技术还将用于防治违章乘坐胶带，防止车辆伤人和车辆碰撞，煤矿井下胶轮车和电机车等无人驾驶等。
早期的煤矿井下人员定位系统主要采用RFID技术，不能定位，只能判别识别卡在哪个分站识别区。随着煤矿井下人员定位技术的发展，先后研制成功基于ZigBee，UWB等技术的煤矿井下人员定位系统，定位误差由数十米、几米发展到今天的0.2 m。
5G未来的定位目标是定位精度1 m，但目前还没有实现[16-17]。煤矿井下巷道及巷道中设备和车辆等会造成严重的多径干扰。因此，没有针对矿井动目标精确定位特点研发的矿用5G定位精度低于矿用UWB精确定位系统。
第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)目前发布的5G标准的频率范围分为FR1(450～6 000 MHz)和FR2(24 250～52 600 MHz)[1-2，10-11]。在我国，FR1(450～6 000 MHz)频率范围的5G发展较快[1-2]。中国移动的5G频率范围为2 515～2 675 MHz和4 800～4 900 MHz，最高上行传输速率为1.2 Gbit/s，最高下行传输速率为2.2 Gbit/s，已在地面应用。中国联通的5G频率范围为3 500～3 600 MHz，最高上行传输速率为1.2 Gbit/s，最高下行传输速率为2.2 Gbit/s，已在地面应用。中国电信的5G频率范围为3 400～3 500 MHz，最高上行传输速率为1.2 Gbit/s，最高下行传输速率为2.2 Gbit/s，已在地面应用。中国广电的5G频率范围为702～798 MHz，未见有应用报道。我国FR2(24 250～52 600 MHz)频率范围的5G还未划分给运营商，实际应用尚需时日，频率范围为24.75～27.5，37～42.5 GHz，最高上行传输速率为10 Gbit/s，最高下行传输速率为20 Gbit/s。
在煤矿井下，FR1(450～6 000 MHz)频段同FR2(24 250～52 600 MHz)频段相比，具有信号传输损耗低、无线传输距离远、绕射能力强等优点。因此，矿用5G无线工作频段宜选用FR1(450～6 000 MHz)，以提高矿井无线传输距离和绕射能力，提高系统的稳定性和可靠性，减少基站用量、降低组网成本和维护工作量。
WiFi6(802.11ax)的频段为2.4 GHz和5 GHz，最高传输速率为9.6 Gbit/s。在FR1(450～6 000 MHz)频率范围内，5G最高传输速率为1.2 Gbit/s(上行)和2.2 Gbit/s(下行)，WiFi6最高传输速率为9.6 Gbit/s[1]。显然，在FR1(450～6 000 MHz)频率范围内，WiFi6的传输速率高于5G。因此，没有针对煤矿安全生产特点研发的矿用5G性价比低于矿用WiFi6。时延要求不高的矿井视频图像监视，宜选用矿用WiFi6，以降低成本和维护工作量。
5G同其他常用无线通信系统相比，具有传输速率高、时延小、可靠性高、容量大等优点。煤矿井下无线传输损耗受无线传输频段，天线位置，巷道断面、分支、弯曲、倾斜、支护和表面粗糙度，巷道中电缆、水管和铁轨等纵向导体，巷道中工字钢等横向导体，巷道中胶轮车、电机车、带式输送机和机电设备等影响[1]。因此，没有针对煤矿井下固定设备监控特点研发的矿用5G可靠性低于矿用有线监控系统。带式输送机、供电、排水等固定设备监控和地面远程控制，宜选用有线传输。
煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体，矿井无线传输衰减大等特殊性，制约着5G直接在煤矿井下应用。仅将地面5G产品进行防爆改造的矿用5G，难以满足煤矿智能化建设需求。因此，亟需针对煤矿井下安全生产特殊需求，研发矿用5G。
(1) 矿用5G宜采用本质安全型防爆。矿用5G基站应按同时工作的多个发射天线的最大总功率考核其防爆性能。应考核矿用5G基站天线的等效电感(含分布电感)和等效电容(含分布电容)。对于发射功率软件可调的矿用5G基站，调控发射功率的软件应固化，确保在正常工作和故障状态下，最大发射功率不增大；不得因设备停电重启、光缆断缆、基站控制器损坏、交换机/路由器损坏、电磁干扰等，造成最大发射功率增大。无法保证最大发射功率不增大的软件调控发射功率的矿用5G基站，应按硬件最大发射功率考核其防爆性能。
(2) 用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力。在本质安全防爆限制电容量和电感量的条件下，提高5G系统的抗干扰能力，是矿用5G亟需解决的技术难题。
(3) 采煤工作面无人或少人作业，宜采用机架联动+记忆割煤+地质模型+地面远程控制方法。采用透雾透尘摄像机，解决采煤工作面视频图像不清晰问题。采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用矿用5G。
(4) 煤矿井下车辆无人驾驶地面远程控制宜选用矿用5G，通过矿用车辆精确定位系统和惯性导航系统对车辆定位和导航，通过激光雷达、毫米波雷达、热像仪、摄像机、车载传感器和巷道传感器等感知车辆和周边环境。
(5) WiFi矿井移动通信系统具有成本低等优点。煤矿井下胶轮车和电机车等行驶速度受限，手机等移动终端移动速度较慢，WiFi矿井移动通信系统可满足煤矿井下移动通信需求。5G矿井移动通信系统具有手机种类多、语音通话质量高、可用于快速移动通信等优点，但成本高。没有针对矿井移动通信特点研发的矿用5G性价比低于矿用WiFi移动通信系统。
(6) 矿用5G必须在井下敷设光缆。设置在煤矿井下的矿用5G基站、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等均由井下电网供电。煤矿井下瓦斯超限停电和停风停电，将影响矿用5G移动通信系统正常工作。当煤矿井下发生瓦斯和煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、冲击地压、水灾、火灾、顶板冒落、炸药爆炸等事故时，会造成矿用5G基站和天线、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等损坏，光缆断缆。因此，矿用5G移动通信系统抗灾变能力远不如矿用有线调度通信系统，难以满足应急通信要求。严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统。
(7) 矿用5G核心网在地面，控制整个系统工作。当煤矿井下光缆断缆或交换机/路由器故障，井下系统将瘫痪。甲烷超限或停风后，非本质安全防爆的5G基站、基站控制器和交换机/路由器等必须停电。因此，没有针对煤矿安全监控特点研发的矿用5G不能替代煤矿安全监控系统。
(8) 矿用UWB精确定位系统定位精度为0.2 m。5G未来的定位目标是定位精度1 m，但目前还没有实现。没有针对矿井动目标精确定位特点研发的矿用5G定位精度低于矿用UWB精确定位系统。
(9) 在FR1(450～6 000 MHz)频率范围内，5G最高传输速率为1.2 Gbit/s(上行)和2.2 Gbit/s(下行)，WiFi6最高传输速率为9.6 Gbit/s，WiFi6的传输速率高于5G。因此，没有针对煤矿安全生产特点研发的矿用5G性价比低于矿用WiFi6。时延要求不高的矿井视频图像监视，宜选用矿用WiFi6，以降低成本和维护工作量。
(10) 没有针对煤矿井下固定设备监控特点研发的矿用5G可靠性低于矿用有线监控系统。带式输送机、供电、排水等固定设备监控和地面远程控制，宜选用有线传输。
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