矿井电磁环境对人体作用的研究

5G,WiFi6,UWB,ZigBee等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等发射的较大功率无线电波会影响煤矿井下作业人员健康,因此,需要研究煤矿井下无线电波对人体的影响。研究了电磁辐射对人体的作用：人体不同部位对电磁辐射吸收能力不同,电磁辐射对人体头部的影响最大。无线电波发射功率限值包括职业暴露限值和公众暴露限值两大类。职业暴露是指作业人员在电磁辐射环境中暴露时间不大于8 h。煤矿井下作业人员的工作时间为每班工作8 h（3班倒）或每班工作6 h（4班倒）,因此,煤矿井下无线电波发射功率限值应选择全身职业暴露无线电波发射功率最小的限值6.28 W。为防止煤矿井下无线电波发射引起瓦斯爆炸,GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》规定煤矿井下无线电波发射功率不大于6 W。因此,取得防爆合格证和矿用安全标志准用证的5G,WiFi6,UWB,ZigBee等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等,在保证无线发射天线距固定岗位人员大于1 m的条件下,不会对煤矿井下作业人员造成伤害。     

煤矿井下无线电波防爆安全功率阈值研究

为防止煤矿井下无线设备发射的无线电波引起瓦斯爆炸,需限制煤矿井下无线电波的功率和能量。介绍了不同标准中规定的连续无线电波防爆安全功率阈值：(1) GB/T 3836.1-2021《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》参考了欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》的相关内容,省去了当爆炸性环境中不存在能作为接收天线的细长结构物体(如起重机)时,I类环境(代表性气体为甲烷)中连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W这一条款,并不加区分地规定I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W;(2)英国标准BS 6656:1991《Guide to prevention of inadvertent ignition of flammable atm...     

煤矿井下无线传输衰减分析测试与最佳工作频段研究

5G,UWB,ZigBee,WiFi6等矿井移动通信、人员及车辆定位、无线传输等技术在煤矿井下应用,促进了煤矿安全生产和煤矿智能化建设。然而受电气防爆的限制,煤矿井下无线发射功率不大于6 W,制约着矿井无线传输距离,增加了基站用量和系统成本,不便于系统使用和维护。在无线发射功率受电气防爆限制的条件下,选择传输衰减较小的无线工作频段,可有效提高无线传输距离,减小基站用量和系统成本。为满足矿井无线传输工作频段选择与优化的需求,在国家能源集团国神公司三道沟煤矿的辅助运输大巷和综采工作面分别进行了700 MHz～6 GHz频段的无线传输测试,并对测试结果进行了分析,提出了矿井无线传输优选频段：(1)辅助运输大巷无线传输的最佳工作频段为700～910 MHz。(2)综采工作面无线传输的最佳工作频段为700～1 710 MHz。(3)辅助运输大巷无线传输衰减比综采工作面无线传输衰减小,且随着频率增大,辅助运输大巷与综采工作面无线传输衰减的差值变小。(4)矿井无线传输的最佳工作频段为700～1 710 MHz。     

煤矿井下无线通信技术演进

矿井通信是煤矿智能化发展不可或缺的一环。分析了煤矿井下无线通信不同发展阶段不同通信制式和技术的优缺点,得出目前5G、WiFi6在传输速率、时延、可靠性及用户容量方面具有较大技术优势及较好的适用性,是近阶段矿用无线通信技术的主流解决方案。探讨了井下无线通信系统建设面临的问题及对应的发展方向：(1)技术融合问题。不同场景对带宽、时延、功耗、可靠性有不同要求,单一的通信技术难以满足煤矿所有应用场景的需求,必须根据实际应用情况,选择适合的通信技术来满足应用需求,不同技术通过协议转换器、网关等设备实现融合,形成井上下多技术融合的一体化通信网络平台。(2)系统融合问题。由于各系统由不同厂家提供,通信协议及硬件接口不一致,难以真正实现矿井各系统数据共享,应提供标准接口、开放的网络架构、统一的用户数据,为监控、应急、生产等系统提供互联互通功能,并进一步提供统一数据报文,让数据在各系统内低延时、高并发、实时、同步地流通。(3)设备功耗问题。现有矿用5G基站等由于设备本身功耗大,只能做成功能单一的隔爆型产品,设备笨重、体积大,安装维护困难,制约了5G技术在矿井的普及推广,可从主芯片、射频模块、功率放大模块...     

煤矿智能化与矿用5G

针对煤矿井下电气防爆、无线传输衰减大等特点,分析了矿用5G技术和适用范围:矿用5G宜采用本质安全型防爆;用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力;采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用矿用5G;煤矿井下车辆无人驾驶地面远程控制宜选用矿用5G;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;严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统;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;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;450～6 000 MHz频率范围的矿用5G传输速率低于矿用WiFi6;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。指出了亟需针对煤矿井下安全生产特点,研发矿用5G,而不仅仅是对现有地面5G产品进行防爆改造。     

超宽带无线通信技术在煤矿井下的应用探讨

针对目前煤矿井下无线通信的状况,提出了将超宽带(UWB)无线通信技术应用于煤矿井下的设想。介绍了超宽带无线通信技术的概念、特点及系统组成,探讨了超宽带无线技术用于煤矿井下通信时,窄脉冲波形的确定、系统方案的选择及其应用的场合等问题。最后指出超宽带信号在矿井巷道中的传播特性研究对于设计煤矿井下UWB无线通信系统是至关重要的一步。     

智慧矿山与5G和WiFi6

煤矿井下分别部署UWB,5G,WiFi6等系统,存在基站多、传输线缆多、供电设备多、系统成本高、维护工作量大等问题。将UWB,5G,WiFi6等集成在同一个一体化基站或分站内,可有效解决上述问题,但一体化基站的UWB,5G,WiFi6天线之间距离近,相互干扰大。选择不同的工作频段,是解决一体化基站的UWB,5G,WiFi6天线之间相互干扰大的有效方法。为与地面设备兼容,矿用WiFi6和5G工作频段选择范围较小,UWB工作频段选择范围较大。目前矿井人员和车辆定位系统主要采用UWB主流芯片DW1000,其中心频率为3.5,4.0,4.5,6.5 GHz。中心频率为3.5 GHz的UWB与3.5 GHz的5G工作频段相近,不宜选用。中心频率为4.0,4.5,6.5 GHz的3个频段的UWB,均与5G和WiFi6频段不相近,可选择其中衰减较小的频段作为矿用UWB中心频率。煤矿井下测试结果表明,4.0 GHz信号的路径损耗最小,在其他条件相同的情况下,传输距离最远,既解决了UWB与5G和WiFi6相互干扰的问题,又减少了基站数量和系统成本,便于使用与维护。因此,UWB中心频率应优选4.0 GHz。     

煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向

结合现阶段煤矿用5G研究成果和应用实践经验,从煤矿用5G专网组网架构、覆盖优化、智能化应用场景构建3个方面分析了煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向。煤矿用5G专网组网方面：煤炭集团级大规模组网和矿井独立专网2类模式可满足煤矿用5G系统建设部署需求。煤矿用5G无线覆盖增强方面：煤矿用5G无线传输性能需要持续研究和提升,现阶段宜采用低频段（1 GHz以下）多载波SUL（补充上行链路）进行煤矿用5G的覆盖优化;针对井下无线电波防爆安全功率阈值可能实现的突破和提高,需要通过同步提升煤矿用5G基站与终端两侧的无线发射功率,方可实现煤矿用5G系统整体覆盖能力优化;需要开展基于6G RIS（可重构智能超表面）的煤矿用5G覆盖增强技术预研,为无线覆盖能力提升提供进一步支撑。煤矿智能化5G应用场景构建方面：需要开展矿用装备与矿用通信领域的联合技术攻关;研究基于煤矿用5G的装备远程控制及未来装备自主群体协同控制的信息物理映射;研究智能化应用的预期功能安全机制;研发小型化、轻量化及全面适配现场设备工业控制协议的煤矿用5G模组。     

改进型DS-TWR的UWB煤矿井下定位方法研究

提出基于改进双边双程测距算法的超宽带煤矿井下定位系统,对双边双程测距算法进行了优化,实现了标签和多个基站同时测距,缩短了测距时间,加快了定位速度;采用卡尔曼滤波对测量到的距离进行滤波处理,提高了测距的精度和稳定性。实验结果表明,定位系统的定位精度可达到厘米级,在模拟煤矿井下环境中(地下通道),平均误差在20 cm内,最小误差为11.06 cm;在室内环境中的平均误差为14 cm内,最小误差为6.49cm。     

煤矿井下人员定位系统的设计

针对煤矿开采安全管理和井下人员管理的的需要,设计了一种基于ZigBee技术的井下人员定位系统,可实现对井下人员实时定位。实验表明该系统能准确地获取井下人员的实时位置,实现有效的人员管理,能为抢险救灾和安全救护提供决策数据。     

基于5G+UWB和惯导技术的井下人员定位系统

针对煤矿井下人员定位系统在实际应用中存在因设备算力与存储资源不足导致无法使用复杂测距与定位算法,定位数据即时传输与响应性能不足,在系统部署方面人力物力损耗较大等问题,提出了一种基于5G+UWB和惯导技术的井下人员定位系统。在末端部署能耗低、抗干扰性强的UWB定位基站,定位基站与5G基站以级联的方式连接,定位基站采集UWB与惯导数据,利用5G网络回传至计算平台,在计算平台上完成定位信息的解算和存储。将基于惯导的人员位置估计作为预测值,将基于UWB的三边定位算法获取的人员位置估计作为观测值,利用卡尔曼滤波器将预测值和观测值进行融合,降低定位误差。在煤矿主体实验基地搭建测试系统,模拟真实煤矿井下环境并进行对比实验。结果表明：① 在x轴和y轴,融合惯导的卡尔曼滤波算法得出的位置信息和真实位置信息的重合度最高,说明融合惯导的卡尔曼滤波算法得出的位置信息最接近真实位置,平均误差为22.192 cm。② 5G+UWB和惯导技术组合的井下人员定位系统的位置信息和真实位置信息的重合度最高,误差为[15 cm,20 cm],x轴最大平均误差为26 cm,y轴最大平均误差为24 cm,超过目前大多数井下人员定位系统精度。     

煤矿井下粉尘浓度对UWB测距精度的影响研究

煤矿井下综掘工作面环境恶劣,粉尘浓度大,利用超宽带(UWB)进行定位时易受到粉尘的干扰,UWB测距会存在一定误差,从而定位精度不能达到煤矿智能化需求。针对该问题,分析了UWB测距原理,指出影响UWB测距精度的主要因素是多径效应与非视距传播,而多径效应与非视距传播的产生与粉尘浓度密切相关,通过实验探讨了煤矿井下粉尘浓度对UWB测距精度的影响。实验结果表明,随着粉尘浓度增加,UWB测距误差增大,且UWB测距误差增速加快。     

5G通信技术及其在煤矿的应用构想

近年来我国煤矿无线通信系统首选WiFi和4G通信技术,随着煤矿智能化建设的发展,现阶段煤矿无线通信系统的性能已无法满足煤矿智能化发展的各项需求。对比前几代移动通信技术,阐述了第五代移动通信技术(5G)关键技术及其性能优势;给出了矿用5G无线通信系统的组成及组网方式;结合5G通信技术特点和煤矿智能化发展需求,提出了5G通信技术在煤矿的应用场景,如井下无人驾驶及智能运输、全矿井位置服务、设备远程操控、故障远程诊断、大宽带业务数据传输、煤矿机器人云端控制、全矿井安全监测信息采集、虚拟现实/增强现实矿山等;指出针对煤炭行业的5G技术应用场景还需不断挖掘和完善,且由于5G网络对承载网要求较高,煤矿应预估部署成本,结合自身发展状况和需求搭建矿井5G通信网络。     

煤矿井下电磁干扰对通信和监控系统的影响分析

文章从电磁波在矩形巷道中的传输特性出发,分析了电磁波低于和高于截止频率的衰减特性,总结了井下各种电磁辐射干扰源产生干扰的情况。通过对井下电磁干扰实测数据的分析,得出井下电磁干扰的频段主要为500 MHz以下;当干扰源与通信和监控系统的距离为几米远时,其对系统基本不会产生影响。     

煤矿井下语音应急广播系统的设计与实现

根据煤矿救灾应急的实际需要,提出了一种新型井下语音应急广播系统的设计方案,详细介绍该系统的设计原理、结构、主要功能和软硬件设计,重点阐述了系统发送端与接收端两个子系统实现的关键技术。运行结果表明,该系统稳定、可靠,音频播放流畅,能够满足矿井现场的实际需要。     

煤矿井下语音应急广播系统的设计与实现

根据煤矿救灾应急的实际需要,提出了一种新型井下语音应急广播系统的设计方案,详细介绍该系统的设计原理、结构、主要功能和软硬件设计,重点阐述了系统发送端与接收端两个子系统实现的关键技术。运行结果表明,该系统稳定、可靠,音频播放流畅,能够满足矿井现场的实际需要。     

孔缝尺寸参数对腔体的5G屏蔽效能影响规律研究

为保证换流站5G设备屏蔽腔体的屏蔽性能,明确腔体孔缝数量及尺寸对其屏蔽效能的影响规律,在HFSS仿真环境下,构建了屏蔽腔体的电磁屏蔽效能分析模型,分析了5G微带贴片天线电磁辐射的空间分布特征;然后,分析了腔体孔缝高度对屏蔽效能的影响,发现不同孔缝直径下屏蔽效能均随孔缝高度的增加而呈增强趋势,电磁辐射强度由0.5 mm高度下的24.81 dB降低为2.0 mm高度下的16.29 dB,同时分析发现屏蔽效能随孔缝直径的增加呈现下降趋势,最大辐射强度由1.0 mm直径的-15.13 dB增长至7.0 mm直径的49.87 dB;最后,在孔缝面积占比一定的情况下,发现随着孔缝数量的增多和孔缝直径的减小,屏蔽腔体的屏蔽效能是不断提高的。     

应用手持无线移动终端实现对煤矿井下的断电控制

文章介绍了目前煤矿井下断电控制的现状,阐述了通过手持无线移动终端实现对井下交互断电控制的网络技术架构和断电控制工作原理,给出了手持无线移动终端交互控制系统的主要测试界面实例和主要测试性能,并讨论了需要紧急下达无线断电指令的几种灾害范围。应用手持无线移动终端实现对煤矿井下的断电控制,可突破时空限制,及时动态地掌握煤矿井下灾害异变及灾害涉及的范围,及时下达和执行井下的无线断电控制指令,从而切断井下供电电源,有效防止井下事故发生和灾害的扩大。     

简析地质构造对煤矿开采的影响

主要分析了地质构造对煤矿开采的影响,提出了减少地质构造对煤矿开采影响的有效措施,以供参考。