基于5G网络的庞庞塔煤矿智能矿山建设研究

　　摘要：将5G网络技术应用到煤矿的智能化矿山建设中，是当前提高矿山智能化水平的重要方向。为此，开展了庞庞塔煤矿中智能综采工作面、5G网络构架、视频界面等多方面的建设设计，并对建好后的智能矿山运行情况进行了评价分析，实现了对井下煤矿开采设备及配套设施的远程监控、操作及控制，智能矿山整体智能化程度相对较高，提高了该矿井的煤矿开采效率及作业安全性。

　　关键词：煤矿;智能矿山;5G网络;智能化控制

　　0引言

　　煤矿资源是推动国家快速发展的重要能源，加大对煤矿资源的开采力度，是政府及企业重点考虑方向[1]。随着国家自动化、智能化技术的不断提升，为有效提高煤矿的生产效率及井下作业安全，整个煤矿领域在智能化矿山及智能化煤矿设备开采等方面纷纷开展了较大程度的智能化升级改造。其中，将当前成熟的5G网络技术应用到矿山的智能化建设中，提高整个矿山的智能化程度，已成为当前矿山改造的重要方向[2]。

　　霍州煤电集团吕临能化有限公司的庞庞塔煤矿矿山是山西焦煤“11236”确立的“六大循环经济园区”之一，集煤炭开采、洗煤加工、综合发电为一体，属零排放、零污染，绿色、循环、低碳发展项目。当前我国煤碳生产依然处于智能化程度较低的水平，面临着生产技术落后、单班下井人数多和用工难的问题[3]。

　　为此，通过对庞庞塔煤矿建设5G无线专网，可实现该矿山的无线覆盖，利用5G网络大带宽、低时延、高可靠性和海量连接的特性，实现矿山的数字化、网络化、智能化融合。因此，开展了庞庞塔煤矿的智能化矿山建设设计，并对建设后的智能化矿山运行情况进行了综合评价，验证了此矿山的高效性。此研究为将庞庞塔煤矿打造成“国际一流、国内领先”的“安全、高效、绿色、可持续发展”的新型智能化矿井奠定了重要基础。

　　1智能矿山建设架构设计

　　庞庞塔煤矿的智能化建设内容可分为智能化基础设施建设、安全智能化建设、管理智能化建设、生产智能化系统建设4大类。庞庞塔矿智能矿山的总体架构包括了设备感知层、基础设施层、数据服务层、应用层等，能有效实现对整个矿山的智能化数据采集、数据分析运算及物联网大数据平台监控等功能[4]。

　　2矿山中5G网络建设架构设计

　　庞庞塔煤矿中所设计的5G工业互联网采用了万兆工业环网系统，该系统由万兆IPRAN环网、网管服务器、数据服务器、调度系统、接入层网络、网关及相关配套设备组成。该网络可用于实现无线通信系统以及工业环网中设备的接入和承载。通过统一建设的IPRAN环网同时承载移动环网和工业环网，真正实现井下“一张网”[5]。

　　1)矿用5G移动通信网络由地面的核心网元(4G核心网、5GMEC)、基带控制单元(BBU)、远端数据汇聚单元(RHUB)、微型射频拉远单元(pRRU)、5GCPE等设备构成。2)核心网(4G)的功能主要是提供井下无线网络的注册和控制、业务的鉴权、语音和数据的交换等功能。3)5GMEC的功能主要是提供园区5G业务数据分流，通过MEC使得数据流指向本地，不出园区。4)基带控制单元(BBU)的主要作用是完成信号的基带处理，提供传输管理及接口，管理无线资源。5)基站由基带控制单元(BBU)、远端数据汇聚单元(RHUB)、微型射频拉远单元(pRRU)组成，主要功能和作用是提供井下5G无线信号覆盖。

　　3智能矿山综采工作面设计

　　3.1综采自动化集中控制技术分析

　　构建一套高效、便捷的集成控制系统，实现对工作面主要设备单机控制系统的有机整合(包括采煤机、液压支架、运输设备、供电设备、供液设备等);并通过合理的工艺编排，通过5G无线网络和IPRAN工业互联网双线路系统实现在井下巷道监控中心和地面指挥控制中心的集中控制和“一键启停”[6]。

　　3.2工作面防片帮智能控制技术分析

　　建立了基于应力路径效应的煤壁“拉裂--滑移”力学模型，对工作面煤壁片帮区域进行提前预知，结合煤机精准位置分阶段调整煤机滚筒附近液压支架护帮板收伸状态，形成煤壁片帮条件下液压支架自动跟机工艺。通过护帮板压力传感器、行程传感器和双向联动液压锁实现自适应精准控制。

　　3.3大采高工作面底软智能控制技术分析

　　针对工作面底板软弱区域进行提前预知(感知、视频等手段)，运用机器学习、通过液压支架多次降架，完成对工作面底板软弱条件下的智能化处理，并形成底板软弱条件下液压支架自动跟机特殊工艺。综上所述，目前智能综采面目前较为先的标志是指采用具有感知能力、记忆能力、学习能力和决策能力的液压支架、采煤机、刮板输送机等综采装备，以自动化控制系统为核心，以可视化远程监控为手段，实现综采工作面采煤全过程"无人跟机作业，有人安全巡视"的安全高效开采技术。

　　4智能矿山全面感知平台设计

　　4.1智能视频分析

　　为矿山智能化应用提供通用的视觉感知行业基础平台，在井下IPRAN工业环网利用切片通信技术划分出独立的传输通道、通过5G的高清视频监测体系，将矿山各类视频监控资源接入视觉感知平台，在不需要人为干预的情况下，通过对视频图像进行自动分析，实现对矿山工作场景中目标的定位、识别和跟踪，并此基础上分析和判断目标的行为，从而做到既能完成日常管理又可在异常情况发生时及时做出预警告警等响应、辅助决策。此视频界面能够实现如下功能：

　　1)监控报警：摄像头总数、在线数、离线中的设备信息及报警数量、报警模型统计分析。2)实时监控：通过拖拽和选中的形式对监控数据进行实时展示。3)视觉感知：对摄像头识别到的各类报警模型进行汇聚展示。4)对采集的图像进行智能视频分析。要通过人工智能、机器学习等先进的信息化技术对视频进行分析，及时发现人的不安全行为(如人员受伤、人员违章、人员聚集、人员奔跑等)、现场的不安全状况(如发生火光、烟雾、出水、粉尘、巷道垮塌、煤壁片邦等)、设备的不安全状况(如皮带打滑、设备异常等)。

　　4.2智能皮带损伤检测和定位系统设计

　　该系统的功能是通过人工智能图像识别技术,实时准确抓取皮带表面的损伤,并通过自动定位技术实现每个损伤的位置跟踪和定位.提供多条皮带多损伤整体运行的状态展示.，而且能够控制皮带动力系统将用户指定的损伤自动停到指定的检修区。通过以上功能来减少皮带损伤检测定位和维修的难度,以达到增加皮带使用寿命和减少人力资源的目的。智能皮带损伤检测和定位具有以下特点：①准确抓取皮带表面损伤,精确度高;②皮带表面损伤分级管理,整体展示;③损伤精确定位到米级;④精准制动,确保指定损伤停机后位于检修区;⑤AI深度学习，确保损伤不漏检：⑥减少皮带维护难度,增加皮带寿命,节约人力成本。

　　5智能矿山的实际运行评价

　　为进一步验证所设计的智能矿山的各项功能特点，在完成系统设计及施工建设后，开展了该智能矿山的实际应用测试。在该智能矿山运行过程中，整套系统运行正常，数据传输速度较快且信号稳定，在监控平台上所监控的数据无干扰信号影响，井下作业的采煤机、掘进机、液压支架等设备均能通过远程方式进行设备的远程操作及控制，并将各设备的运行状态通过智能视频界面进行实时显示，当设备发生故障报警时，视频界面能将设备的故障类型及故障发生进行实时显示，人员只需通过故障提示内容快速进行设备维修。智能矿山运行后，整个庞庞塔煤矿的煤矿开采量及开采效率显著提高，人员的劳动强度也大大降低，所达到的运行效果较为明显。

　　矿山论文投稿刊物：《矿业装备》(月刊)创刊于2011年，是由北京卓众出版有限公司主办、中国农业机械化科学研究院主管的矿产装备类期刊。

　　6结论

　　5G网络技术是实现数据快速传输、提高信息准确性及作业安全性的重要保障。将5G网络技术应用到煤矿的智能矿山建设中成为一个必然的发展趋势。为此，从智能综采工作面、5G网络构架、视频界面等多方面开展了庞庞塔煤矿的智能矿山建设设计，并对建好的智能矿山进行了运行评价，结果显示，该智能化矿山运行良好，能实现对矿井设备的智能化远程操作控制及状态高清显示，提高了矿井的开采效率及开采量，故障报警功能及故障排除效率大大提高。此研究对推动庞庞塔煤矿智能化技术应用及创新改造起到了重要支撑作用。

　　参考文献：

　　[1]琚彦斌.煤矿供电系统越级跳闸问题研究[J].矿业装备，2021(1)：106-107.

　　[2]裴新宇.煤矿智能化远程集控系统分析[J].矿业装备，2021(1)：116-117.

　　[3]韩健.煤矿综掘智能化开采技术研究[J].技术与市场，2021，28(2)：124-125.

　　[4]王剑，刘备战，雷亚军，张兴宽.曹家滩煤矿智能快速掘锚 成套装备应用[J].陕西煤炭，2021，40(1)：1-3，40.

　　[5]刘峰.对煤矿智能化发展的认识和思考[J].中国煤炭工业，2020，No.402(8)：13-17.

　　[6]郑功勋，李晓华，王建楠，等.贵州煤矿辅助系统智能化的实践与探索[J].煤炭技术，2020(4)：198-199.

　　作者：杨海鹏