基于5G網(wǎng)絡(luò)的大型煤礦瓦斯管理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

田 臣，李 斌，周海豐

（1．黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022；2．國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

在煤炭開采技術(shù)迅速發(fā)展的現(xiàn)今，物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等等一系列時(shí)代熱詞不斷被引入礦井的安全生產(chǎn)。2014年，陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)一號(hào)煤礦41101工作面率先實(shí)現(xiàn)智能化開采，緊接著神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦31112工作面、兗礦集團(tuán)鮑店煤礦7302工作面、山東能源龍礦集團(tuán)望田煤業(yè)13108工作面、西山煤電屯蘭煤礦22301工作面等等礦井陸續(xù)實(shí)現(xiàn)智能化，目前全國(guó)已建成超200個(gè)智能化采煤工作面[1-2]。少人化、無(wú)人化、智能化開采以及智慧礦井等先進(jìn)生產(chǎn)理念深入人心，煤礦企業(yè)發(fā)展的互聯(lián)化和智能化成了必然趨勢(shì)。煤礦生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯不斷涌出，做好瓦斯管理是煤礦“一通三防”管理的一項(xiàng)重要工作，也是保證煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。煤礦瓦斯管理作為煤礦安全生產(chǎn)的前哨，其管理模式的智能化、智慧化是煤礦技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果[3-5]。

1 大型煤礦瓦斯檢查管理現(xiàn)狀

1.1 瓦斯檢查作業(yè)方式

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)煤礦井下的大多數(shù)地點(diǎn)進(jìn)行瓦斯檢查作業(yè)的模式是：對(duì)于一般巷道及地點(diǎn)檢查瓦斯，主要依靠人工利用光學(xué)瓦斯檢查儀檢查瓦斯，手工記錄瓦斯檢查手冊(cè)，手工填寫瓦斯檢查牌板，手工填寫瓦斯檢查臺(tái)帳，人工記錄巡查路線中通風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)設(shè)施的存在的各類問(wèn)題；對(duì)于采掘面及其他一些特殊地點(diǎn)檢查瓦斯，主要采用人工利用光學(xué)瓦斯檢查儀檢查與監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的檢查方式作業(yè)，人工利用光學(xué)瓦斯檢查儀檢查瓦斯方法同前述一致，監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)氣體目前主要包括甲烷傳感器、氧氣傳感器、一氧化碳傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)定地點(diǎn)氣體情況。

1.2 當(dāng)前瓦斯檢查作業(yè)方式存在的弊端

煤礦井下瓦斯檢查依然主要使用紙筆記錄的落后的傳統(tǒng)作業(yè)方式，以及瓦檢員自身能力、素質(zhì)的個(gè)體化差異，導(dǎo)致當(dāng)前煤礦瓦斯檢查作業(yè)過(guò)程中存在著種種弊端[6-8]：

1）現(xiàn)場(chǎng)檢查牌板管理難度大。目前瓦檢員檢查完畢后將所查數(shù)據(jù)填寫在現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯管理牌板上，受煤礦井下潮濕環(huán)境影響，牌板數(shù)據(jù)不容易填寫，填寫后顯示不清晰；受煤礦井下人為及作業(yè)影響，數(shù)據(jù)易被涂抹或者篡改。

2）紙質(zhì)材料存檔不便。瓦檢員日常用的瓦斯檢查手冊(cè)、瓦斯檢查臺(tái)賬、瓦檢員交接班記錄等各類紙質(zhì)材料均需存檔至少2年，存檔期間水、火、地震、認(rèn)為破壞等等都是對(duì)紙質(zhì)材料的潛在威脅。

3）人工檢查瓦斯偶然性大。瓦檢員人工檢查數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的比對(duì)只能依靠人員觀察，不具備持續(xù)性。

4）人工檢查瓦斯數(shù)據(jù)處理困難，大數(shù)據(jù)分析比較困難。比如無(wú)法對(duì)1個(gè)工作面整個(gè)生產(chǎn)周期氣體變化進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)同一煤層、同一盤區(qū)后續(xù)開采的工作面技術(shù)指導(dǎo)意義有限。

5）假檢、漏檢無(wú)法杜絕。目前煤礦井下對(duì)瓦檢員的管控主要靠班組長(zhǎng)、跟班管理人員動(dòng)態(tài)隨機(jī)抽查，大型礦井作業(yè)范圍廣，瓦檢員自身水平、素質(zhì)參差不齊,如此的監(jiān)管手段無(wú)法從根本上杜絕瓦檢員的假檢、漏檢現(xiàn)象。

6）瓦檢員單崗作業(yè)自救能力要求高。由于瓦檢員一般均為單兵作戰(zhàn)，每班除需要正常檢查采掘工作面外，更多的是單崗在礦井各死角死面井下檢查作業(yè)。瓦檢員在日常作業(yè)過(guò)程中，遇到巷道突發(fā)的水、火、瓦斯、頂板、機(jī)械等各類危險(xiǎn)因素，均需具備極強(qiáng)的自救能力才能確保自身安全。

7）特殊情況下發(fā)生災(zāi)害失去救援先機(jī)。當(dāng)煤礦井下存在瓦斯隱患或者發(fā)生災(zāi)害時(shí)，如果瓦檢員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)或者發(fā)現(xiàn)后無(wú)法及時(shí)匯報(bào)、無(wú)法第一時(shí)間采取有效控制措施、無(wú)法第一時(shí)間組織人員撤離，災(zāi)害范圍會(huì)蔓延擴(kuò)大，失去將災(zāi)害損失降低至最小的先機(jī)，災(zāi)害嚴(yán)重時(shí)，將失去救援的黃金時(shí)間。

2 大型煤礦瓦斯管理技術(shù)應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)的必然性

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)，蜂窩中的所有5G無(wú)線設(shè)備通過(guò)無(wú)線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動(dòng)收發(fā)器進(jìn)行通信，收發(fā)器從公共頻率池分配頻道，這些頻道在地理上分離的蜂窩中可以重復(fù)使用。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)其不是單一的無(wú)線接入技術(shù),也不完全是新的無(wú)線接入技術(shù),而是新的無(wú)線接入技術(shù)和現(xiàn)有無(wú)線接入技術(shù)的無(wú)縫銜接[9-11]。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容量、流量密度和連接數(shù)密度、峰值速率、端到端時(shí)延和移動(dòng)性等關(guān)鍵性能指標(biāo)都得到了不可思議的的提升[12-13]。

2.2 給大型煤礦瓦斯檢查帶來(lái)的機(jī)遇

1）閃電式的數(shù)據(jù)傳輸速率大幅度縮短瓦斯監(jiān)測(cè)周期。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在連續(xù)廣域覆蓋和高移動(dòng)性下（每小時(shí)500 km以上），數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)10 Gbit/s，比4G LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)快100倍。對(duì)于大型煤礦，井下有多個(gè)采煤工作面、掘進(jìn)工作面、運(yùn)輸巷道、采空區(qū)的瓦斯情況要通過(guò)傳感設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳數(shù)據(jù)，如果網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率提升100倍，就意味著各采掘工作面、巷道、采空區(qū)等地點(diǎn)的瓦斯監(jiān)測(cè)周期可以提升接近100倍，這對(duì)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)無(wú)異是增加了1道最可靠的屏障。

2）超大網(wǎng)絡(luò)容量確保各地點(diǎn)瓦斯監(jiān)測(cè)與其他監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)。煤礦企業(yè)管理要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)化和智能化，那就不單指的是智能化采煤，還得實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)、智能化運(yùn)輸、智能化機(jī)械設(shè)備檢修、智能化瓦斯監(jiān)測(cè)、智能化設(shè)施管控、智能化洗選等等。如此龐大數(shù)量的智能化系統(tǒng)不能各自為戰(zhàn)，必須是相互獨(dú)立而又高度集中，這就要求“萬(wàn)物互聯(lián)”。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有提供千億設(shè)備的連接能力，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)通信，這也就為大型煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)作業(yè)與礦井其他監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)提供了必要的保障。

3）大流量密度和連接數(shù)密度確保井下各地點(diǎn)瓦斯監(jiān)測(cè)無(wú)死角盲區(qū)。我國(guó)發(fā)展特大型礦井的核心主體是積極培育大型煤炭企業(yè)，加快建設(shè)大型煤炭基地。所以，煤礦井下將會(huì)出現(xiàn)更多的是超大采高采煤工作面、超遠(yuǎn)距離掘進(jìn)工作面、超長(zhǎng)距離日用巷道、超大面積采空區(qū)，要實(shí)現(xiàn)這些井巷各類采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、安全等設(shè)施設(shè)備的智能化管理，那么井巷中超多數(shù)量的各類監(jiān)測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備需接入?yún)^(qū)域網(wǎng)，超大規(guī)模數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)上傳，這就形成了設(shè)備連接密度超大、數(shù)據(jù)傳輸量超大的窘境。對(duì)于該問(wèn)題，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的流量密度和連接數(shù)密度可以輕易解決。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的流量密度可達(dá)到每平方公里數(shù)十Gbps，連接數(shù)密度可達(dá)到每平方公里100萬(wàn)的連接數(shù)密度。換而言之，井下只要有需要監(jiān)測(cè)瓦斯的節(jié)點(diǎn)，便可實(shí)現(xiàn)瓦斯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而讓礦井瓦斯無(wú)所遁形。

4）頂級(jí)的峰值速率提供了瓦斯管理無(wú)人化、立體化的先決條件。無(wú)人則安，煤礦現(xiàn)場(chǎng)管理的理想狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)作業(yè)無(wú)人化。瓦檢員日常工作中不僅需要檢查瓦斯，還需要巡查路過(guò)沿線通風(fēng)設(shè)施、機(jī)運(yùn)設(shè)備、采空區(qū)等各地點(diǎn)、設(shè)施情況等等，如果在井下各個(gè)關(guān)鍵地點(diǎn)安插大量的“耳目”，即實(shí)時(shí)高清畫面上傳，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)瓦斯管理無(wú)人化，而且可以實(shí)現(xiàn)井下立體化監(jiān)測(cè)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的峰值速率的要求極高。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的峰值速率完全可以滿足高清視頻，虛擬現(xiàn)實(shí)等大數(shù)據(jù)量傳輸，所以完全可以解決礦井要求峰值速率的問(wèn)題。

5）瞬時(shí)的網(wǎng)絡(luò)延遲使得礦井瓦斯管理執(zhí)行銜接更加流暢。煤礦井下瓦斯管理無(wú)人化、智能化是必然的趨勢(shì)，大量替代人工作業(yè)的設(shè)備將會(huì)呈數(shù)量級(jí)的增加，各設(shè)備之間的存在的空中接口時(shí)延將會(huì)影響系統(tǒng)管理的流暢性。4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的時(shí)延時(shí)間為30～70 ms，而5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的時(shí)延時(shí)間低于1 ms。所以，如果礦井瓦斯管理在5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋下，正常情況時(shí)控制平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，立即報(bào)警并啟動(dòng)反向控制系統(tǒng)，各級(jí)管理數(shù)據(jù)和命令程序的執(zhí)行將會(huì)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各大優(yōu)勢(shì)與大型煤礦瓦斯管理實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、智能化的要求均不謀而合。所以，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用是礦井瓦斯管理乃至煤礦企業(yè)管理的必然選擇。

3 大型煤礦瓦斯管理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 5G+人工+傳感器瓦斯管理

3.1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

“5G+人工+傳感器”指的是人工攜帶基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)的智能終端進(jìn)行井下巡回檢查，各地點(diǎn)氣體監(jiān)控傳感器依舊按照當(dāng)前要求安設(shè)，實(shí)現(xiàn)人工智能終端與實(shí)時(shí)傳感器二者融合共同檢查瓦斯。

人工攜帶的智能終端是基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的場(chǎng)景精準(zhǔn)定位系統(tǒng)、瓦斯檢查系統(tǒng)、數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)、頂層應(yīng)用系統(tǒng)的多系統(tǒng)高度融合，5G+人工瓦斯管理多系統(tǒng)融合網(wǎng)示意圖如圖1。其工作方式為：人員攜帶智能終端在巷道巡回檢查，通過(guò)5G融合網(wǎng)對(duì)人員及智能終端進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并且根據(jù)巷道具體地點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)氣體各項(xiàng)參數(shù)，并上傳至數(shù)據(jù)云處理平臺(tái)進(jìn)行分析處理，云平臺(tái)對(duì)分析出的結(jié)果進(jìn)行綜合管控。

圖1 5G+人工瓦斯管理多系統(tǒng)融合網(wǎng)示意圖Fig.1 Diagram of 5G+artificial gas management multi-system fusion network

3.1.2 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1）5G融合網(wǎng)可對(duì)單兵巡檢人員及智能終端進(jìn)行立體任意位置的精準(zhǔn)場(chǎng)景定位，每班人員檢查路線以圖形的形式自動(dòng)呈現(xiàn)，如果出現(xiàn)有未檢查區(qū)域，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并提示檢查人員前往檢查，從而杜絕假檢、漏檢。

2）智能終端可對(duì)巷道進(jìn)行精準(zhǔn)場(chǎng)景定位并根據(jù)要求智能檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，檢測(cè)氣體項(xiàng)目更加全面。如人員到達(dá)采掘面，智能終端根據(jù)場(chǎng)景自動(dòng)檢測(cè)CH4、CO、O2、溫度、粉塵、煙霧、噪音、風(fēng)量等各項(xiàng)參數(shù)；人員到達(dá)采空區(qū)密閉前，智能終端于采空區(qū)觀測(cè)管自動(dòng)檢測(cè)CH4、CO、O2、溫度、C2H2、C2H4、C2H6等各項(xiàng)參數(shù)；人員到達(dá)其他硐室，智能終端自動(dòng)檢測(cè)CH4、CO、O2、溫度、風(fēng)量等各項(xiàng)參數(shù)；人員到達(dá)其他巷道，智能終端自動(dòng)檢測(cè)CH4、CO、O2、溫度、粉塵、風(fēng)量等各項(xiàng)參數(shù)。

3）數(shù)據(jù)云處理平臺(tái)對(duì)各地點(diǎn)各項(xiàng)氣體參數(shù)均進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，即為全礦井所有巷道、所有地點(diǎn)的氣體情況均建立1份詳細(xì)臺(tái)賬，從而徹底取消掉瓦斯檢查手冊(cè)、瓦斯檢查臺(tái)賬、瓦檢員交接班記錄等傳統(tǒng)的紙質(zhì)材料。

4）該技術(shù)系統(tǒng)的頂級(jí)應(yīng)用包括異常聲光報(bào)警、檢查任務(wù)完成進(jìn)度、自動(dòng)精準(zhǔn)呼叫、氣體預(yù)測(cè)、大數(shù)據(jù)開發(fā)等。

5）在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)剛?cè)腭v大型煤礦時(shí)，瓦斯智能化管理技術(shù)只是處于起步階段，瓦檢員的職責(zé)不僅是負(fù)責(zé)檢查各地點(diǎn)氣體情況，還需要檢查沿線通風(fēng)設(shè)施、通風(fēng)設(shè)備情況，該技術(shù)雖然未能取締瓦檢員崗位，但通過(guò)該技術(shù)可將瓦檢員和測(cè)風(fēng)員、測(cè)塵員可以合并為1個(gè)工種，大大減少煤礦生產(chǎn)過(guò)程中人力資源的投入，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)帶來(lái)巨大的安全效益。

3.2 5G+機(jī)器人瓦斯管理

3.2.1 5G+機(jī)器人瓦斯管理的緊迫性

“工業(yè)4.0（Industry 4.0）”的概念于2011年誕生于德國(guó)漢諾威工博會(huì)。所謂的“工業(yè)4.0”是指將信息通信技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)智能化、個(gè)性化和集成化生產(chǎn)。“工業(yè)4.0”有2大主題，即智能工廠、智能生產(chǎn)，這就意味著工業(yè)用機(jī)器人必須介入并且會(huì)成為主要生產(chǎn)資料[14-15]。

工業(yè)用機(jī)器人崛起的主要因素是希望降低或消除所謂的3D工作，即無(wú)聊、危險(xiǎn)和骯臟，但其他重要因素還包括對(duì)質(zhì)量和制程一致性的需求。目前，國(guó)外已經(jīng)有很多國(guó)家研究出了各類適宜礦井安全生產(chǎn)和救援的機(jī)器人，如美國(guó)研發(fā)的RATLER礦井探索機(jī)器人可以探測(cè)礦井災(zāi)區(qū)信息、V2煤礦救援機(jī)器人可以在煤礦發(fā)生災(zāi)害后機(jī)器人入井救援受災(zāi)人員，日本、澳大利亞等國(guó)家也研究出煤礦用各類功能機(jī)器人。當(dāng)然，我國(guó)自主研發(fā)的煤礦用機(jī)器人也有投入使用，如同煤集團(tuán)塔山煤礦使用機(jī)器人對(duì)井下巷道進(jìn)行巡檢。但當(dāng)前國(guó)內(nèi)外所研發(fā)的煤礦用機(jī)器人一般均存在質(zhì)量重、能耗大、活動(dòng)能力有限、反應(yīng)能力遲鈍等一系列問(wèn)題[16-17]。總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)研發(fā)的煤礦用機(jī)器人起步晚、基礎(chǔ)弱，較國(guó)外頂級(jí)技術(shù)有較大差距。當(dāng)前，我國(guó)煤礦領(lǐng)域的生產(chǎn)技術(shù)尚處于“工業(yè)4.0”初級(jí)階段，所以當(dāng)前正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)時(shí)期，如果借助5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的“東風(fēng)”，將我國(guó)煤礦用機(jī)器人的研發(fā)方向轉(zhuǎn)為高度智能化，那么我國(guó)煤礦在該技術(shù)上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外技術(shù)的“彎道超車”。從該角度上來(lái)看，我國(guó)的煤礦用機(jī)器人高度智能化研發(fā)已是迫在眉睫，“5G+機(jī)器人”瓦斯管理模式是其中重要的一部分。

3.2.2 5G+機(jī)器人瓦斯管理技術(shù)

所謂的“5G+機(jī)器人”指的是5G網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人和互聯(lián)設(shè)備集中在煤礦生產(chǎn)區(qū)域，由機(jī)器人去完成相比人類更適合的日常工作，如執(zhí)行高頻率、高強(qiáng)度、高危險(xiǎn)等作業(yè)任務(wù)。在煤礦瓦斯管理過(guò)程中，高度智能機(jī)器人替代瓦檢員進(jìn)行各地點(diǎn)瓦斯檢查、通風(fēng)設(shè)施巡查、通風(fēng)設(shè)備巡查，并在災(zāi)害情況下參與災(zāi)害救援等各項(xiàng)工作。

為了克服傳統(tǒng)機(jī)器人質(zhì)量重、能耗大、活動(dòng)能力有限、反應(yīng)能力遲鈍等各項(xiàng)弊端，未來(lái)煤礦用機(jī)器人的研發(fā)方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人。所謂的仿生機(jī)器人是將動(dòng)物自身的特性運(yùn)用到機(jī)器上，并根據(jù)工作需求給其賦予特定的工作能力。如煤礦井下可研發(fā)研發(fā)煤礦用仿生機(jī)器蜻蜓，模仿蜻蜓飛行模式，可以對(duì)井下超長(zhǎng)距離巷道進(jìn)行風(fēng)量、瓦斯檢查及通風(fēng)設(shè)施和設(shè)備巡查，仿生機(jī)器蜻蜓如圖2；煤礦用仿生機(jī)器蜘蛛，模仿蜘蛛爬行模式，可以對(duì)井下各巷道的死角死面進(jìn)行氣體檢查及隱患排查，仿生機(jī)器蜘蛛如圖3；煤礦用仿生機(jī)器蛇，模仿蛇的運(yùn)動(dòng)方式可以到采空區(qū)進(jìn)行采空區(qū)自然發(fā)火檢測(cè)，仿生機(jī)器蛇如圖4。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，各仿生機(jī)器人身體上安設(shè)著各類氣體檢測(cè)裝置及超高清攝像頭，借助5G融合網(wǎng)實(shí)時(shí)將目的區(qū)域的氣體檢查結(jié)果及區(qū)域畫面?zhèn)鬏斨恋孛妫孛嬖破脚_(tái)對(duì)數(shù)據(jù)及畫面進(jìn)行智能處理，從而指導(dǎo)井下安全生產(chǎn)。

圖2 仿生機(jī)器蜻蜓Fig.2 Bionic robot dragonfly

圖3 仿生機(jī)器蜘蛛Fig.3 Bionic robot spider

圖4 仿生機(jī)器蛇Fig.4 Bionic robot snake

3.2.3 技術(shù)效益

有5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)做基礎(chǔ)保障，仿生機(jī)人的作用不僅局限于檢查煤礦井下各地點(diǎn)瓦斯和巡查通風(fēng)設(shè)施、通風(fēng)設(shè)備，還有巨大的安全效益及社會(huì)效益：

1）對(duì)井下各地點(diǎn)水、火、瓦斯、煤塵、頂板“五大災(zāi)害”進(jìn)行隱患排查，對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)情況進(jìn)行檢查，讓礦井潛在危險(xiǎn)因素?zé)o所遁形，讓生產(chǎn)過(guò)程中的事故可以得到及時(shí)的控制和規(guī)避。

2）當(dāng)?shù)V井工作面及采空區(qū)發(fā)生災(zāi)害后，仿生機(jī)器人可以替代人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)域進(jìn)行偵查，為地面指揮人員確定救援方案提供技術(shù)支撐。

3）技術(shù)的應(yīng)用將使瓦檢員、測(cè)風(fēng)員、測(cè)塵員、監(jiān)測(cè)工等“一通三防”各工種工作人員退出煤礦生產(chǎn)的歷史舞臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)通防方面的“無(wú)人則安”。

3.3 5G+物物互聯(lián)和智能交互瓦斯管理

如果技術(shù)發(fā)展的足夠成熟，未來(lái)的大型煤礦瓦斯管理將會(huì)是1種什么樣的情景？瓦斯管理在未來(lái)會(huì)成為礦井管理的1個(gè)相對(duì)微小的環(huán)節(jié)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外不少煤礦企業(yè)已經(jīng)開始構(gòu)建智慧礦山。所謂的智慧礦山，即給礦井賦予人類的分析數(shù)據(jù)、繪制圖表、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。智慧礦山是礦山技術(shù)發(fā)展的最高形式,是煤炭行業(yè)發(fā)展的必由之路，更是進(jìn)一步保障煤礦安全生產(chǎn)，減員提效，最重要、最有競(jìng)爭(zhēng)力的方式[18]。所以，煤礦發(fā)展方向不僅是實(shí)現(xiàn)智能化開采、智能化掘進(jìn)，而是整個(gè)礦井如同1個(gè)人一樣，開拓、采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、災(zāi)害處置等各個(gè)環(huán)節(jié)如同人的各項(xiàng)活動(dòng)協(xié)調(diào)進(jìn)行，當(dāng)某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，自動(dòng)進(jìn)行自我“治療”。構(gòu)建智慧礦山，最突出的標(biāo)志就是實(shí)現(xiàn)礦井物物互聯(lián)、智能交互。

3.3.1 礦井物物互聯(lián) 智能交互的應(yīng)用場(chǎng)景

物物互聯(lián)主要是建立在物品編碼、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，即萬(wàn)物皆可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。礦井物物互聯(lián)指的是煤礦井下如瓦斯檢測(cè)裝置、煤機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)等各設(shè)備之間通過(guò)高度融合網(wǎng)進(jìn)行相互交流。

關(guān)于智能交互，在計(jì)算機(jī)中意思為，參與活動(dòng)的對(duì)象，可以相互交流，雙方面互動(dòng)。當(dāng)智能交互應(yīng)用于礦井，則意味著井下如瓦斯檢測(cè)裝置、煤機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)等各設(shè)備之間不僅可以相互交流，而且可以相互影響、相互監(jiān)控。例如，當(dāng)瓦斯檢測(cè)裝置檢測(cè)到掘進(jìn)面瓦斯接近超限值，掘進(jìn)工作面煤機(jī)自動(dòng)停機(jī)、運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)停機(jī)、其他設(shè)備自動(dòng)斷電，局部通風(fēng)機(jī)調(diào)整工作功率，自動(dòng)排放瓦斯，確保工作面始終各項(xiàng)安全指標(biāo)達(dá)到動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)。

3.3.2 5G+物物互聯(lián) 智能交互瓦斯管理技術(shù)預(yù)設(shè)

在未來(lái)智慧礦山的世界中，瓦斯管理不在是1項(xiàng)單獨(dú)的作業(yè)，該作業(yè)將融合進(jìn)入各類煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施、設(shè)備的最基本功能之中，即“萬(wàn)物皆是瓦斯管理者”。即給井下各巷道如煤機(jī)、液壓支架、局部通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、纜線等各類設(shè)施設(shè)備賦予瓦斯“嗅覺(jué)”的能力以及與其他設(shè)備“溝通”的能力，任何井巷中任何1臺(tái)設(shè)備嗅到瓦斯異常時(shí)均會(huì)將信息傳達(dá)到“智慧大腦”，礦山“智慧大腦”會(huì)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段進(jìn)行異常信息涉及區(qū)域內(nèi)各類設(shè)施設(shè)備的自動(dòng)調(diào)整、調(diào)節(jié)，將隱患在萌芽中消除，確保礦井安全、有序生產(chǎn)。該操作的全過(guò)程中不會(huì)有人類的干預(yù)，5G融合網(wǎng)絡(luò)會(huì)作為所有信息傳輸、智慧分析及指令下達(dá)的傳播媒介，扮演著不可替代的角色，基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧礦山瓦斯管理技術(shù)體系示意圖如圖5。

圖5 基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧礦山瓦斯管理技術(shù)體系示意圖Fig.5 Schematic diagram of smart mine gas management technology system based on 5G network technology

在未來(lái)智慧礦山的世界中，或許5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會(huì)退出智慧管理的歷史舞臺(tái)，其替代者可能是6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、7G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，甚至是更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但至少在當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀中，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)站在了技術(shù)的頂端，是走向礦井走向智慧礦山的必然選擇。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，大型煤礦實(shí)現(xiàn)瓦斯管理的無(wú)人化、智能化、智慧化是一場(chǎng)勢(shì)不可擋的革命，也是國(guó)家的能源戰(zhàn)略決策部署的細(xì)節(jié)部分，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在通訊領(lǐng)域引起的變革給大型煤礦走向智慧管理提供了基礎(chǔ)保障。

2）從現(xiàn)有技術(shù)分析，在煤礦瓦斯管理技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程會(huì)分為“5G+人工+傳感器煤礦瓦斯管理”、“5G+機(jī)器人瓦斯管理”、“5G+物物互聯(lián)及智能交互瓦斯管理”3大步走。

3）基于5G網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯管理技術(shù)現(xiàn)有不少亟待解決的瓶頸問(wèn)題和技術(shù)難關(guān)，但從技術(shù)的結(jié)果導(dǎo)向分析，基于5G網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯管理技術(shù)未來(lái)可期，所有煤礦現(xiàn)場(chǎng)及科技工作著應(yīng)加快研究探索進(jìn)程，搶占行業(yè)技術(shù)先機(jī)。