煤礦井下重點場所5G 覆蓋性能研究及驗證

摘要：當前礦用5G 專網相關研究主要面向系統架構和上層應用，結合井下實際環境對礦用5G 底層技術特性的研究成果較少。為進一步推動礦用5G 技術的高適配性發展和高可靠性應用，從礦用5G 覆蓋性能影響因素、煤礦重點場所礦用5G 傳輸性能及現場測試3 個方面展開研究。理論分析了5G 工作頻段、工作面或巷道截面面積、巷道壁粗糙度等與礦用5G 覆蓋性能的關系，結果表明：工作頻段越低、工作面或巷道截面面積越大、巷道壁粗糙度越小、遮擋因素越少，則礦用5G 覆蓋性能越好。梳理了煤礦井下主運巷道、輔運巷道、綜采工作面和掘進工作面的工作條件和環境因素等，得出結論：輔運巷道截面較大、粗糙度較低、遮擋相對少，5G 覆蓋性能最優；為改進上述場所中5G 覆蓋性能，宜采用低頻段信號進行5G 傳輸與覆蓋。在4 個煤礦的不同工作場所，采用900 MHz 頻段測試礦用5G 傳輸性能，結果表明：輔運巷道極限覆蓋距離超過700 m，主運巷道極限覆蓋距離達450 m，綜采工作面部署2 個基站可實現穩定覆蓋且上行傳輸速率保持在90 Mbit/s 以上，掘進工作面距5G 基站150 m 處上行傳輸速率達68.2 Mbit/s。測試結果與理論分析一致，驗證了礦用5G 可有效滿足不同工作場所的應用需求。

關鍵詞：礦用5G；覆蓋性能；主運巷道；輔運巷道；綜采工作面；掘進工作面

中圖分類號：TD655 文獻標志碼：A

0 引言

煤炭行業尤其是井工煤礦由于工作環境的特殊性，面臨著危險高、事故多、從業人員斷層嚴重等問題，因此，以少人化、無人化為特色的新型智能化生產方式成為當今煤礦發展的重要著力點[1-2]。在該過程中，新一代5G 移動通信技術憑借其大帶寬、低時延、高可靠等優勢，成為礦山智能化技術演進過程中的重要支撐，得到了眾多學者、科研單位和高校的研究[3-4]。在標準制定方面：中國礦業大學（北京）從能源行業的角度牽頭研究制定了煤礦用5G 通信系統標準，涵蓋功能特性、技術要求、試驗方法等[5]；中國通信標準化協會從通信行業的角度制定了5G 礦山行業專網通信標準體系，為礦用5G 專網系列標準的制定明確了工作規劃[6]。在系統架構方面：王國法等[7]研究了智慧礦山系統架構，探討了現行標準對礦用5G 基站性能的約束，并對應給出了提升發射功率閾值的方案；郝俊信[8]研究了礦用5G 裝備遠程控制技術，構建了感知技術和控制技術融合的5G 智能綜采遠控系統。在技術特性方面：孫繼平[9]研究了礦用5G 網絡切面技術，針對礦用綜合承載網技術要求，提出了適配的網絡切片劃分方案；李晨鑫[10]研究了礦用無線覆蓋增強關鍵技術，提出了基于多載波補充上行鏈路的傳輸速率提升方案和基于可重構智能超表面的覆蓋距離增強方案。在技術應用方面：李晨鑫等[11]研究了基于5G 直連通信的礦井應急通信技術，提出了基于設備標志的直連通信時頻資源映射方案；侯剛等[12]研究了煤礦井下自動駕駛系統，提出了基于多傳感器融合感知的車輛路徑規劃和智能調度方案。在裝備與系統研發方面：康守信[13]研究了礦用應急通信基站，提出了天線發射功率分配機制及本安化設計方案；柴尚東[14]研究了帶式輸送機巡檢系統，依托5G 低時延大帶寬傳輸能力實現了視頻圖像采集和智能分析。

當前礦用5G 專網相關研究眾多，但主要面向系統架構和上層應用，結合井下實際環境對礦用5G 底層技術特性的研究成果相對較少。為實現礦用5G 技術的高適配性發展和高可靠性應用，需重點研究井下礦用5G 信號的基本傳輸特性。本文系統梳理了井下礦用5G 覆蓋性能的影響因素，對比分析了井工煤礦重點場所的礦用5G 傳輸性能，結合現場測試進一步驗證了理論分析結果，為后續礦用5G 大規模應用落地提供了參考。

1 礦用5G 覆蓋性能影響因素

通信信號作為信息的載體，以電磁波形式在空間傳播，在該過程中因波速擴散效應會存在一定的能量損失[15]。此外，非理想條件下散射和折射等會進一步導致能量損耗，且具有較大的隨機性，進而影響通信信號的覆蓋范圍。相比于地面和露天煤礦等較為空曠的環境，井工煤礦存在空間受限、大型金屬設備多等特點，導致井下礦用5G 信號的覆蓋性能進一步惡化[16]，需針對井工煤礦的環境特點和影響因素對礦用5G 的覆蓋性能進行差異化分析。

1.1 工作頻段

頻譜作為無線通信的基礎，所使用的工作頻段會直接影響通信性能。自由空間的路徑損耗為

式中：F為信號頻率；D為信號傳輸距離。

從式（1）可看出，信號的路徑損耗與傳輸距離、頻段大小呈正比，同等條件下高頻信號的路徑損耗大于低頻信號。

除自由空間的路徑損耗之外，還需要綜合考慮非理想條件下的影響因素。一方面，高頻信號在經過障礙物時繞射能力較差，較低頻信號的損耗更大；另一方面，需考慮空氣中多種介質（如粉塵、水蒸氣等）吸收電磁波導致的額外損耗，高頻信號較低頻信號更易受到空間中介質的影響，信號衰減更大。

井工煤礦中信號傳輸的基本特性與其他環境中基本一致，且相對惡劣的環境導致高頻信號的衰減程度更大。綜合分析可知，在煤礦環境下，工作頻段越低，信號衰減越小，礦用5G 的覆蓋能力越強。

1.2 截面面積

文獻[17]研究表明，信號衰減常數與巷道寬度/高度及巷道壁的材質有關，信號強度最低次水平極化αEh和垂直極化αEv分別為

式中：λ 為電磁波波長； ε1，ε2 分別為巷道壁和頂底板的相對介電常數； 為巷道寬度； 為巷道高度。

針對巷道截面變化，在900 MHz 頻段對信號衰減情況進行仿真，結果如圖1 所示。可看出在巷道寬度不變的情況下，信號強度衰減率隨巷道高度的增大而減小；在巷道高度不變的情況下，信號強度衰減率隨巷道寬度的增大而減小。由此可得，工作面或巷道截面面積越大，礦用5G 的覆蓋性能越好。

1.3 粗糙度

電磁波在狹窄的巷道內傳輸時，會在巷道壁之間反復折射，巷道壁的粗糙程度會直接影響信號入射角和發射角之間的對應關系，從而影響信號的能量損耗。另一方面，不同粗糙程度的巷道壁對于信號極化特性的改變程度不同。學者類比光線傳播特性對電磁波在巷道壁的反射進行了研究，得出多次折射后的綜合損耗因子l和衰減因數α[18]：

式中h1，h2分別為巷道壁和頂底板的粗糙度均方根。

基于覆蓋能力較強的900 MHz 頻段對衰減因子進行仿真。仿真中設置巷道寬度為5 m，對巷道高度2～6 m 及粗糙度均方根0～0.2 進行遍歷，結果如圖2 所示。可看出信號強度衰減率隨著粗糙度的增大而增大。因此，巷道壁的粗糙度越小，則礦用5G的覆蓋性能越好。此外，仿真結果也可證明信號強度衰減率隨著巷道截面面積的增大而減小。

1.4 遮擋因素

考慮到收發兩端的位置及傳播路徑上的遮擋物，信號的傳播方式可分為以下3 種。

1） 完全視距傳輸。收發兩端之間不存在任何遮擋物，電磁波以直線傳播方式到達接收端。該方式下信號能量損失最小，可達到的覆蓋距離最大。

2） 近視距傳輸。收發兩端之間存在不完全阻擋信號傳輸的障礙物（如樹木），信號可通過衍射和透射等方式到達接收端，但存在一定程度的能量損耗。鑒于井下環境的復雜性，近視距傳輸暫不考慮。

3） 非視距傳輸。收發兩端之間存在完全阻擋信號傳輸的障礙物（如樓宇、大型機械設備等），信號可通過反射和折射等方式到達接收端，但接收端接收到的信號能量較小。

國際通信標準化組織3GPP（3rd GenerationPartnership Project，第三代合作伙伴計劃）暫未針對煤礦特殊場景進行信道建模。考慮到煤礦的主要特點為封閉空間且存在大量機械設備，可借鑒3GPP 已定義的室內工廠場景進行類比分析。在設備較密的情況下，視距傳輸路徑損耗LLOS和非視距傳輸路徑損耗LNLOS分別為[19]

式中： d3D 為發送設備和接收設備之間的3D 距離；fc 為中心頻率。

室內工廠場景下L的計算公式為

同等條件下，非視距傳輸的路徑損耗大于視距傳輸的路徑損耗。針對煤礦井下遮擋因素較多的情況，非視距傳輸的概率更大，信號的衰減程度更嚴重，導致信號的覆蓋距離進一步減小。

2 煤礦重點場所礦用5G 傳輸性能

井工煤礦基于工作目的和作業方式劃分了不同的工作場所，包括主運巷道、輔運巷道、綜采工作面、掘進工作面等。鑒于不同場所的生產裝備和環境條件差異較大，礦用5G 的傳輸性能會存在一定差異。為制定合理的礦用5G 設備部署策略，需要結合礦用5G 覆蓋性能的多重影響因素，定性分析不同工作場所的礦用5G 傳輸性能。

2.1 輔運巷道

輔運巷道是井下運輸設備和人員的重要通道，主要車輛類型包括無軌膠輪車、柴油機膠輪車、齒軌機車等[20]。借助礦用5G 移動通信技術可以分階段實現輔運車輛的自動駕駛，包括輔助駕駛、遠程自動駕駛和協同式自動駕駛。一方面，車輛需要將視頻攝像頭、激光雷達、毫米波雷達等設備感知的環境信息及車輛自身運行狀態信息通過蜂窩網絡上行鏈路上傳到遠程控制平臺或遠程駕駛座艙等，從而系統性地掌握車輛自動駕駛所需的必要環境信息；另一方面，可以通過蜂窩網絡下行鏈路下發高清地圖信息及車輛遠程操控指令等。此外，對于協作式自動駕駛，還可支持危險情況下的遠程臨時接管。

輔運巷道的高度和寬度常規可達5 m 左右，長度可達數十千米，截面相比主運巷道有一定的提升。此外，輔運巷道可通過噴漿方式保持巷道壁平整，不存在較大濃度的粉塵和水汽等吸收電磁波的介質。同時，輔運巷道不會長時間存在大型機械設備，遮擋因素幾乎可以忽略，相對空曠的環境有利于通信信號的傳輸。因此，輔運巷道的礦用5G 傳輸性能較優。

2.2 主運巷道

主運巷道作為煤炭運輸的主要通道，是煤礦生產重要的“動脈”，主要通過帶式輸送機將開采后的煤炭運送到處理區或中轉站等，其工作效率直接影響煤炭產量[20]。在主運巷道實現礦用5G 信號覆蓋，一方面可以通過蜂窩網絡下行鏈路實現對帶式輸送機運行狀態的遠程控制，包括啟停、緊急制動、運行速度及傾斜角度調整等；另一方面，可以通過蜂窩網絡上行鏈路實現對帶式輸送機的遠程監控。礦用監控設備可以將視頻流信息匯聚到礦用數據終端或礦用5G 模組，通過礦用5G 專網傳輸到遠程控制中心，進而對設備運行情況進行遠程監控及危險監測警告，如帶式輸送機過速、跑煤、堆煤等。

主運巷道的寬度和高度一般為2.5 m，截面相對較小，信號傳輸過程中會存在較多的多徑干擾，不利于信號傳輸。從粗糙度的角度，主運巷道的巷道壁平整度一般，且在煤炭運輸過程中由于帶式輸送機、水泵等存在較多的遮擋因素，所以主運巷道的環境不利于礦用5G 信號傳輸，宜采用低頻段5G 信號進行傳輸與覆蓋，以降低礦用5G 基站的部署密度。

2.3 綜采工作面

綜采工作面目前主要采用綜合機械化設備進行煤炭開采，涵蓋削煤、落煤、裝煤、支護等多個流程的工作，是煤炭開采環節中重要的一環，也是煤礦智能化應用的關鍵區域[21]。在綜采工作面實現礦用5G 網絡覆蓋既減輕了惡劣條件下人員的參與度，同時也可提升煤炭開采效率。一方面，通過礦用5G 遠程控制可以實現井下設備操作人員由裝備列車到地面的轉移，實現煤礦少人則安、無人則安。另一方面，通過蜂窩網絡上行鏈路實現環境監控數據、設備運行參數及必要工作人員健康監測數據的上傳，從而實現數據融合分析和危險情況實時預警等。

綜采工作面的長度一般在150～300 m，采煤會造成煤壁的粗糙度相對較大，不利于信號折射。此外，在綜采工作面存在采煤機、支架等大型機械化設備，對信號傳輸的遮擋較嚴重，存在大量的非視距傳輸。同時噴淋降塵會導致綜采工作面的濕度較大，水汽對于電磁波尤其是高頻段電磁波的吸收能力較強，也會導致通信信號衰減。綜合分析，綜采工作面的環境條件不利于礦用5G 網絡長距離覆蓋，宜采用1 GHz 以下低頻段進行5G 信號傳輸與覆蓋，以降低礦用5G 基站的部署密度。

2.4 掘進工作面

掘進作為綜采的前提，通過掘進機或掘錨一體機等設備打通連接到地下煤層的巷道，涉及掘進、割煤、出矸等工序。由于地質條件的不確定性，一般掘進工作面的工作環境較綜采工作面更惡劣，不確定因素更復雜，所以對依托于礦用5G 專網的智能化應用的需求更高。一方面，可以通過礦用5G 專網實現對掘進設備的遠程控制，從而降低惡劣工作環境下人員的參與度，實現無人化掘進、運輸、支護等；另一方面，除了設備運行相關的工況數據之外，還可將“三氣體”（一氧化碳、甲烷、氧氣）濃度、溫度等環境監測數據同步上傳到集控中心，從而進行超閾值告警等。

掘進工作面的高度和寬度一般在5 m 之內，截面較小，且存在煤層、巖層等多種地質結構，對通信信號的傳輸產生不利影響。在狹小的空間內存在掘進機、支護設備等通信信號傳輸的遮擋因素。此外，掘進工作面的防塵措施，如濕法除塵、噴霧降塵等，會造成高濕度的環境，通信信號的衰減率將會大大增加。因此，理論分析認為掘進工作面的礦用5G 覆蓋性能不及輔運巷道，宜采用低頻段5G 信號進行傳輸與覆蓋，以降低礦用5G 基站的部署密度。

煤礦重點場所礦用5G 覆蓋性能影響因素對比見表1。

3 現場測試

為充分驗證礦用5G 覆蓋性能，選取4 個煤礦的不同工作場所，通過部署礦用通信終端和礦用通信基站，實現不同場景下的通信性能測試，包括礦用5G 上行傳輸速率、極限覆蓋距離等。測試頻段為國家無線電管理機構最新重耕的900 MHz 5G 頻段，測試帶寬為15 MHz，測試目標為實現遠距離覆蓋，為后續制定礦用通信裝備部署策略提供參考。

3.1 輔運巷道

輔運巷道的礦用5G 傳輸性能在煤礦1 的輔運巷道進行測試，測試場地在450 m 內地面相對平整，450 m 之外存在一定程度的地面高低起伏。測試過程中， 將礦用低頻模組部署在距礦用5G 基站700 m 范圍內進行上行傳輸速率的測試，測試環境如圖3 所示，測試結果如圖4 所示。可看出400 m 處的上行傳輸速率為83 Mbit/s，450 m 之后出現地面高低起伏后， 傳輸速率快速下降， 之后相對穩定下降，700 m 處的上行傳輸速率為4 Mbit/s，極限覆蓋距離超過700 m。

3.2 主運巷道

在煤礦2 的106 中區主運巷道開展礦用5G 傳輸性能測試，結果如圖5 所示。可看出礦用900 MHz模組距礦用5G 基站400 m 處上行傳輸速率可達32.3 Mbit/s，極限覆蓋距離可達450 m 左右。

3.3 綜采工作面

綜采工作面的礦用5G 傳輸性能在煤礦3 的12201 綜采工作面進行測試。工作面全長約250 m，高度1.7 m 左右，共部署147 臺液壓支架，支架間隔約1.7 m，分別在第26 臺和第131 臺液壓支架上部署礦用5G 基站，在第8，38，68，98，128，141 臺液壓支架上部署礦用模組并進行上行傳輸速率測試。測試環境如圖6 所示，測試結果如圖7 所示。可看出各終端的上行傳輸速率基本為90～120 Mbit/s，可實現綜采工作面礦用5G 信號的穩定覆蓋。

3.4 掘進工作面

掘進工作面的礦用5G 傳輸性能在煤礦4 的掘進工作面進行測試。測試過程中掘進長度為150 m，每隔50 m 部署1 臺礦用5G 模組，測試上行傳輸速率。測試環境如圖8 所示，測試結果如圖9 所示。可看出距礦用5G 通信基站150 m 處上行傳輸速率為68.2 Mbit/s。

現場測試結果與理論分析結果基本一致，各工作場所的礦用5G 網絡覆蓋均可滿足日常應用需求，其中輔運巷道由于信號傳輸條件較優，實現了最佳的礦用5G 傳輸性能。

4 結論

1） 分析了井下影響礦用5G 傳輸性能的多重因素，通過理論分析及仿真得出結論：工作頻段越低，工作面或巷道截面面積越大，巷道壁粗糙度越小，遮擋因素越少，則礦用5G 傳輸性能越好。

2） 定性分析了井工煤礦不同工作場所的礦用5G覆蓋性能。相較于寬敞、巷道壁平整、遮擋因素較少的輔運巷道，主運巷道、綜采工作面和掘進工作面均會因為大型機械設備遮擋、巷道壁較為粗糙、粉塵和水汽等因素影響信號的傳輸性能和覆蓋距離。

3） 采用15 MHz 載波的900 MHz 頻段在4 個煤礦的不同工作場所開展現場測試。煤礦1 的輔運巷道測試結果顯示，礦用5G 模組距礦用5G 基站400 m處上行傳輸速率可達83 Mbit/s，極限覆蓋距離超過700 m；煤礦2 的106 中區主運巷道測試結果顯示，距礦用5G 基站400 m 處上行傳輸速率達32.3 Mbit/s，滿足無人化機器人巡檢的無線傳輸需求，極限覆蓋距離超過450 m；煤礦3 的綜采工作面測試結果顯示，工作面上行傳輸速率均在90～120 Mbit/s 之間；煤礦4 的掘進工作面測試結果顯示，距礦用5G 基站150 m 處上行傳輸速率可達68.2 Mbit/s。

4） 為了實現井下各類環境5G 連續穩定覆蓋，宜采用1 GHz 以下的低頻段5G 信號進行傳輸與覆蓋，并可采用小型化模組嵌入關鍵設備中實現設備無線化傳輸，有效實現井下5G 應用場景的構建。

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