基于5G网络的大型煤矿瓦斯管理技术发展趋势

2022-03-24周海丰

煤矿安全 2022年3期

田臣，李斌，周海丰

（1．黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨 150022；2．国家能源集团神东煤炭集团补连塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209）

在煤炭开采技术迅速发展的现今，物联网、5G网络技术、大数据、人工智能、云计算等等一系列时代热词不断被引入矿井的安全生产。2014年，陕煤集团黄陵矿业一号煤矿41101工作面率先实现智能化开采，紧接着神东煤炭集团锦界煤矿31112工作面、兖矿集团鲍店煤矿7302工作面、山东能源龙矿集团望田煤业13108工作面、西山煤电屯兰煤矿22301工作面等等矿井陆续实现智能化，目前全国已建成超200个智能化采煤工作面[1-2]。少人化、无人化、智能化开采以及智慧矿井等先进生产理念深入人心，煤矿企业发展的互联化和智能化成了必然趋势。煤矿生产过程中瓦斯不断涌出，做好瓦斯管理是煤矿“一通三防”管理的一项重要工作，也是保证煤矿安全生产的基础。煤矿瓦斯管理作为煤矿安全生产的前哨，其管理模式的智能化、智慧化是煤矿技术发展的必然结果[3-5]。

1 大型煤矿瓦斯检查管理现状

1.1 瓦斯检查作业方式

当前国内外大多数煤矿井下的大多数地点进行瓦斯检查作业的模式是：对于一般巷道及地点检查瓦斯，主要依靠人工利用光学瓦斯检查仪检查瓦斯，手工记录瓦斯检查手册，手工填写瓦斯检查牌板，手工填写瓦斯检查台帐，人工记录巡查路线中通风系统、通风设施的存在的各类问题；对于采掘面及其他一些特殊地点检查瓦斯，主要采用人工利用光学瓦斯检查仪检查与监测传感器实时监测相结合的检查方式作业，人工利用光学瓦斯检查仪检查瓦斯方法同前述一致，监测传感器监测气体目前主要包括甲烷传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器实时监测预定地点气体情况。

1.2 当前瓦斯检查作业方式存在的弊端

煤矿井下瓦斯检查依然主要使用纸笔记录的落后的传统作业方式，以及瓦检员自身能力、素质的个体化差异，导致当前煤矿瓦斯检查作业过程中存在着种种弊端[6-8]：

1）现场检查牌板管理难度大。目前瓦检员检查完毕后将所查数据填写在现场的瓦斯管理牌板上，受煤矿井下潮湿环境影响，牌板数据不容易填写，填写后显示不清晰；受煤矿井下人为及作业影响，数据易被涂抹或者篡改。

2）纸质材料存档不便。瓦检员日常用的瓦斯检查手册、瓦斯检查台账、瓦检员交接班记录等各类纸质材料均需存档至少2年，存档期间水、火、地震、认为破坏等等都是对纸质材料的潜在威胁。

3）人工检查瓦斯偶然性大。瓦检员人工检查数据与监测监控系统数据的比对只能依靠人员观察，不具备持续性。

4）人工检查瓦斯数据处理困难，大数据分析比较困难。比如无法对1个工作面整个生产周期气体变化进行系统分析，对同一煤层、同一盘区后续开采的工作面技术指导意义有限。

5）假检、漏检无法杜绝。目前煤矿井下对瓦检员的管控主要靠班组长、跟班管理人员动态随机抽查，大型矿井作业范围广，瓦检员自身水平、素质参差不齐,如此的监管手段无法从根本上杜绝瓦检员的假检、漏检现象。

6）瓦检员单岗作业自救能力要求高。由于瓦检员一般均为单兵作战，每班除需要正常检查采掘工作面外，更多的是单岗在矿井各死角死面井下检查作业。瓦检员在日常作业过程中，遇到巷道突发的水、火、瓦斯、顶板、机械等各类危险因素，均需具备极强的自救能力才能确保自身安全。

7）特殊情况下发生灾害失去救援先机。当煤矿井下存在瓦斯隐患或者发生灾害时，如果瓦检员不能及时发现或者发现后无法及时汇报、无法第一时间采取有效控制措施、无法第一时间组织人员撤离，灾害范围会蔓延扩大，失去将灾害损失降低至最小的先机，灾害严重时，将失去救援的黄金时间。

2 大型煤矿瓦斯管理技术应用5G网络的必然性

2.1 5G网络技术

5G网络是数字蜂窝网络，蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器进行通信，收发器从公共频率池分配频道，这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。5G网络技术其不是单一的无线接入技术,也不完全是新的无线接入技术,而是新的无线接入技术和现有无线接入技术的无缝衔接[9-11]。

5G网络技术在数据传输速率、网络容量、流量密度和连接数密度、峰值速率、端到端时延和移动性等关键性能指标都得到了不可思议的的提升[12-13]。

2.2 给大型煤矿瓦斯检查带来的机遇

1）闪电式的数据传输速率大幅度缩短瓦斯监测周期。5G网络技术在连续广域覆盖和高移动性下（每小时500 km以上），数据传输速率最高可达10 Gbit/s，比4G LTE蜂窝网络快100倍。对于大型煤矿，井下有多个采煤工作面、掘进工作面、运输巷道、采空区的瓦斯情况要通过传感设备实时监测并上传数据，如果网络数据传输速率提升100倍，就意味着各采掘工作面、巷道、采空区等地点的瓦斯监测周期可以提升接近100倍，这对煤矿瓦斯监测无异是增加了1道最可靠的屏障。

2）超大网络容量确保各地点瓦斯监测与其他监测监控系统互联。煤矿企业管理要实现互联化和智能化，那就不单指的是智能化采煤，还得实现智能化掘进、智能化运输、智能化机械设备检修、智能化瓦斯监测、智能化设施管控、智能化洗选等等。如此庞大数量的智能化系统不能各自为战，必须是相互独立而又高度集中，这就要求“万物互联”。5G网络技术具有提供千亿设备的连接能力，可以满足物联网通信，这也就为大型煤矿瓦斯监测作业与矿井其他监测监控系统互联提供了必要的保障。

3）大流量密度和连接数密度确保井下各地点瓦斯监测无死角盲区。我国发展特大型矿井的核心主体是积极培育大型煤炭企业，加快建设大型煤炭基地。所以，煤矿井下将会出现更多的是超大采高采煤工作面、超远距离掘进工作面、超长距离日用巷道、超大面积采空区，要实现这些井巷各类采、掘、机、运、通、安全等设施设备的智能化管理，那么井巷中超多数量的各类监测设备、控制设备需接入区域网，超大规模数据需要实时上传，这就形成了设备连接密度超大、数据传输量超大的窘境。对于该问题，5G网络技术的流量密度和连接数密度可以轻易解决。5G网络技术的流量密度可达到每平方公里数十Gbps，连接数密度可达到每平方公里100万的连接数密度。换而言之，井下只要有需要监测瓦斯的节点，便可实现瓦斯的实时监测，从而让矿井瓦斯无所遁形。

4）顶级的峰值速率提供了瓦斯管理无人化、立体化的先决条件。无人则安，煤矿现场管理的理想状态是实现作业无人化。瓦检员日常工作中不仅需要检查瓦斯，还需要巡查路过沿线通风设施、机运设备、采空区等各地点、设施情况等等，如果在井下各个关键地点安插大量的“耳目”，即实时高清画面上传，这样不仅可以实现瓦斯管理无人化，而且可以实现井下立体化监测，这对网络的峰值速率的要求极高。5G网络技术的峰值速率完全可以满足高清视频，虚拟现实等大数据量传输，所以完全可以解决矿井要求峰值速率的问题。

5）瞬时的网络延迟使得矿井瓦斯管理执行衔接更加流畅。煤矿井下瓦斯管理无人化、智能化是必然的趋势，大量替代人工作业的设备将会呈数量级的增加，各设备之间的存在的空中接口时延将会影响系统管理的流畅性。4G网络技术的时延时间为30～70 ms，而5G网络技术的时延时间低于1 ms。所以，如果矿井瓦斯管理在5G网络的覆盖下，正常情况时控制平台实时监测，一旦发现数据异常，立即报警并启动反向控制系统，各级管理数据和命令程序的执行将会实现无缝衔接。

5G网络技术的各大优势与大型煤矿瓦斯管理实现无人化、智能化的要求均不谋而合。所以，5G网络技术的应用是矿井瓦斯管理乃至煤矿企业管理的必然选择。

3 大型煤矿瓦斯管理技术的发展趋势

3.1 5G+人工+传感器瓦斯管理

3.1.1 技术简介

“5G+人工+传感器”指的是人工携带基于5G网络技术开发的智能终端进行井下巡回检查，各地点气体监控传感器依旧按照当前要求安设，实现人工智能终端与实时传感器二者融合共同检查瓦斯。

人工携带的智能终端是基于5G网络技术的场景精准定位系统、瓦斯检查系统、数据云处理系统、顶层应用系统的多系统高度融合，5G+人工瓦斯管理多系统融合网示意图如图1。其工作方式为：人员携带智能终端在巷道巡回检查，通过5G融合网对人员及智能终端进行精准定位，并且根据巷道具体地点自动检测气体各项参数，并上传至数据云处理平台进行分析处理，云平台对分析出的结果进行综合管控。

图1 5G+人工瓦斯管理多系统融合网示意图Fig.1 Diagram of 5G+artificial gas management multi-system fusion network

3.1.2 技术的优势

1）5G融合网可对单兵巡检人员及智能终端进行立体任意位置的精准场景定位，每班人员检查路线以图形的形式自动呈现，如果出现有未检查区域，系统自动报警并提示检查人员前往检查，从而杜绝假检、漏检。

2）智能终端可对巷道进行精准场景定位并根据要求智能检测各项参数，检测气体项目更加全面。如人员到达采掘面，智能终端根据场景自动检测CH4、CO、O2、温度、粉尘、烟雾、噪音、风量等各项参数；人员到达采空区密闭前，智能终端于采空区观测管自动检测CH4、CO、O2、温度、C2H2、C2H4、C2H6等各项参数；人员到达其他硐室，智能终端自动检测CH4、CO、O2、温度、风量等各项参数；人员到达其他巷道，智能终端自动检测CH4、CO、O2、温度、粉尘、风量等各项参数。

3）数据云处理平台对各地点各项气体参数均进行存储、处理，即为全矿井所有巷道、所有地点的气体情况均建立1份详细台账，从而彻底取消掉瓦斯检查手册、瓦斯检查台账、瓦检员交接班记录等传统的纸质材料。

4）该技术系统的顶级应用包括异常声光报警、检查任务完成进度、自动精准呼叫、气体预测、大数据开发等。

5）在5G网络技术刚入驻大型煤矿时，瓦斯智能化管理技术只是处于起步阶段，瓦检员的职责不仅是负责检查各地点气体情况，还需要检查沿线通风设施、通风设备情况，该技术虽然未能取缔瓦检员岗位，但通过该技术可将瓦检员和测风员、测尘员可以合并为1个工种，大大减少煤矿生产过程中人力资源的投入，创造出巨大的经济效益，同时带来巨大的安全效益。

3.2 5G+机器人瓦斯管理

3.2.1 5G+机器人瓦斯管理的紧迫性

“工业4.0（Industry 4.0）”的概念于2011年诞生于德国汉诺威工博会。所谓的“工业4.0”是指将信息通信技术应用于工业生产领域，从而实现智能化、个性化和集成化生产。“工业4.0”有2大主题，即智能工厂、智能生产，这就意味着工业用机器人必须介入并且会成为主要生产资料[14-15]。

工业用机器人崛起的主要因素是希望降低或消除所谓的3D工作，即无聊、危险和肮脏，但其他重要因素还包括对质量和制程一致性的需求。目前，国外已经有很多国家研究出了各类适宜矿井安全生产和救援的机器人，如美国研发的RATLER矿井探索机器人可以探测矿井灾区信息、V2煤矿救援机器人可以在煤矿发生灾害后机器人入井救援受灾人员，日本、澳大利亚等国家也研究出煤矿用各类功能机器人。当然，我国自主研发的煤矿用机器人也有投入使用，如同煤集团塔山煤矿使用机器人对井下巷道进行巡检。但当前国内外所研发的煤矿用机器人一般均存在质量重、能耗大、活动能力有限、反应能力迟钝等一系列问题[16-17]。总体来说，我国研发的煤矿用机器人起步晚、基础弱，较国外顶级技术有较大差距。当前，我国煤矿领域的生产技术尚处于“工业4.0”初级阶段，所以当前正处于关键技术攻关时期，如果借助5G网络技术的“东风”，将我国煤矿用机器人的研发方向转为高度智能化，那么我国煤矿在该技术上即可实现对国外技术的“弯道超车”。从该角度上来看，我国的煤矿用机器人高度智能化研发已是迫在眉睫，“5G+机器人”瓦斯管理模式是其中重要的一部分。

3.2.2 5G+机器人瓦斯管理技术

所谓的“5G+机器人”指的是5G网络、机器人和互联设备集中在煤矿生产区域，由机器人去完成相比人类更适合的日常工作，如执行高频率、高强度、高危险等作业任务。在煤矿瓦斯管理过程中，高度智能机器人替代瓦检员进行各地点瓦斯检查、通风设施巡查、通风设备巡查，并在灾害情况下参与灾害救援等各项工作。

为了克服传统机器人质量重、能耗大、活动能力有限、反应能力迟钝等各项弊端，未来煤矿用机器人的研发方向为仿生机器人。所谓的仿生机器人是将动物自身的特性运用到机器上，并根据工作需求给其赋予特定的工作能力。如煤矿井下可研发研发煤矿用仿生机器蜻蜓，模仿蜻蜓飞行模式，可以对井下超长距离巷道进行风量、瓦斯检查及通风设施和设备巡查，仿生机器蜻蜓如图2；煤矿用仿生机器蜘蛛，模仿蜘蛛爬行模式，可以对井下各巷道的死角死面进行气体检查及隐患排查，仿生机器蜘蛛如图3；煤矿用仿生机器蛇，模仿蛇的运动方式可以到采空区进行采空区自然发火检测，仿生机器蛇如图4。根据现场需求，各仿生机器人身体上安设着各类气体检测装置及超高清摄像头，借助5G融合网实时将目的区域的气体检查结果及区域画面传输至地面，地面云平台对数据及画面进行智能处理，从而指导井下安全生产。

图2 仿生机器蜻蜓Fig.2 Bionic robot dragonfly

图3 仿生机器蜘蛛Fig.3 Bionic robot spider

图4 仿生机器蛇Fig.4 Bionic robot snake

3.2.3 技术效益

有5G网络技术做基础保障，仿生机人的作用不仅局限于检查煤矿井下各地点瓦斯和巡查通风设施、通风设备，还有巨大的安全效益及社会效益：

1）对井下各地点水、火、瓦斯、煤尘、顶板“五大灾害”进行隐患排查，对机械设备运行状态情况进行检查，让矿井潜在危险因素无所遁形，让生产过程中的事故可以得到及时的控制和规避。

2）当矿井工作面及采空区发生灾害后，仿生机器人可以替代人员进入灾区域进行侦查，为地面指挥人员确定救援方案提供技术支撑。

3）技术的应用将使瓦检员、测风员、测尘员、监测工等“一通三防”各工种工作人员退出煤矿生产的历史舞台，实现矿井生产通防方面的“无人则安”。

3.3 5G+物物互联和智能交互瓦斯管理

如果技术发展的足够成熟，未来的大型煤矿瓦斯管理将会是1种什么样的情景？瓦斯管理在未来会成为矿井管理的1个相对微小的环节。当前，国内外不少煤矿企业已经开始构建智慧矿山。所谓的智慧矿山，即给矿井赋予人类的分析数据、绘制图表、思考问题、解决问题的能力。智慧矿山是矿山技术发展的最高形式,是煤炭行业发展的必由之路，更是进一步保障煤矿安全生产，减员提效，最重要、最有竞争力的方式[18]。所以，煤矿发展方向不仅是实现智能化开采、智能化掘进，而是整个矿井如同1个人一样，开拓、采掘、运输、通风、洗选、灾害处置等各个环节如同人的各项活动协调进行，当某一环节出现问题，自动进行自我“治疗”。构建智慧矿山，最突出的标志就是实现矿井物物互联、智能交互。

3.3.1 矿井物物互联智能交互的应用场景

物物互联主要是建立在物品编码、射频识别（RFID）技术和互联网的基础上，即万物皆可通过网络互联。矿井物物互联指的是煤矿井下如瓦斯检测装置、煤机、局部通风机等各设备之间通过高度融合网进行相互交流。

关于智能交互，在计算机中意思为，参与活动的对象，可以相互交流，双方面互动。当智能交互应用于矿井，则意味着井下如瓦斯检测装置、煤机、局部通风机等各设备之间不仅可以相互交流，而且可以相互影响、相互监控。例如，当瓦斯检测装置检测到掘进面瓦斯接近超限值，掘进工作面煤机自动停机、运输机自动停机、其他设备自动断电，局部通风机调整工作功率，自动排放瓦斯，确保工作面始终各项安全指标达到动态达标。

3.3.2 5G+物物互联智能交互瓦斯管理技术预设

在未来智慧矿山的世界中，瓦斯管理不在是1项单独的作业，该作业将融合进入各类煤矿生产现场设施、设备的最基本功能之中，即“万物皆是瓦斯管理者”。即给井下各巷道如煤机、液压支架、局部通风机、风门、缆线等各类设施设备赋予瓦斯“嗅觉”的能力以及与其他设备“沟通”的能力，任何井巷中任何1台设备嗅到瓦斯异常时均会将信息传达到“智慧大脑”，矿山“智慧大脑”会通过虚拟现实等技术手段进行异常信息涉及区域内各类设施设备的自动调整、调节，将隐患在萌芽中消除，确保矿井安全、有序生产。该操作的全过程中不会有人类的干预，5G融合网络会作为所有信息传输、智慧分析及指令下达的传播媒介，扮演着不可替代的角色，基于5G网络技术的智慧矿山瓦斯管理技术体系示意图如图5。