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1、第8 章 矿山数字通信与自动化安全工程学院 20178.1 矿山数字通信技术 矿山存在大量的多源异质的信息流动，而且表现在矿山 系统与外部环境之间，如电力供应、采矿设备、人力供 应、矿产品的销售和市场等领域，均存在着各种信息的 交换和流功。 矿山井下作业环境恶劣、空间狭长、结构复杂、电磁屏 蔽性强、噪音大，系统通讯与自动操控困难。8.1 矿山数字通信技术快速、准确、完整、清晰实时地采集与传输矿山井下 各类环境指标、设备工况、人员信息、作业参数与调度指令 ，并以多媒体的形式进行地面井下双向、无线传输，是 急需发展和推广 应用的数字矿山关键技术之一。矿山专用通信网对于矿山系统而言，矿山专用通信网由
2、矿区以上通信网 、矿区通信网和井下通信网组成。（1）矿区以上通信网：是国家、各省（市、区）矿业管理 部门和矿业集团之间的通信网。以煤炭专用通信网为例其 矿区以上通信网络组织包括3 部分： 以省（市、区）煤炭管理部门为中心连接所属矿业集团的 数字微波通信网； 以国家煤炭局为中心覆盖各省（市、区）煤炭管理部门和 各矿业集团的卫星通信网： 以国家煤炭局为中心连接部分矿业集团的短波通信网。(2 ）矿区通信网：是指矿业集团与其所属矿（厂）之间的 通信以及矿（厂）的地面通信网。矿区通信网由电话网、传 输网、接入网、计算机数据传输网、调度通信网、支撑系统 和有限电视网组成。(3 ）井下通信网：是指矿山地面调
3、度指挥机构与井下各环 节的通信，以及井下各环节之间的通信。它担负着生产调度 指挥、监测控制等信息的传送任务，对保障生产与安全有着 重要的作用。井下通信应达到以下基本要求： 矿井调度室与作业点、岗位、以及个人都能无阻塞地通话 井下有关岗位之间、人员之间能互相通话； 发生事故时，救灾人员能随时与井下指挥点和地面调度室 进行无阻塞通话。8.1.2 井工矿山的数字通信井工矿山通信由有线通信系统、移动通信系统和各生产 环节间的局部通信系统组成，包括：1.井下有线数字通信( 1 ）载波电话通信系统：主要用于井下电机车的通信。载 波电话在矿井的应用时间较早，为电机车的调度发挥着重要 作用。但 由于其音质、音
4、量较差，难以大量使用。( 2 ）扩音电话系统：该系统主要应用在采煤工作面、斜井 运输、长距离运输皮带等部位。扩音电话系统为保证工作面 的正常生产，皮带的正常运行起到关键作用。2.井下无线数字通信目前，国内外矿山井下无线通信系统采用技术主要有：（1）漏泄馈电电缆：为使无线电频率传播到井下 ，必须以 漏泄馈电电缆代替标准的地面无线系统，使信号有效地辐射 整个矿井。电缆设计成“漏泄”信号，允许无线电信号从电缆漏泄， 也允许信号进入电缆。为补偿信号损失，可安装线路放大器 和中继站。这些设备都需要配备备用的蓄电池。漏泄馈电电 缆容易受到外部的破坏，应采用铠装或埋入地下。( 2 ）以太网技术：以太网是最广
5、泛应用的一种采用特殊数 据通信协议（称为TCP/IP ）的局域网（LAN）技术。(3) WiFi 技术： WiFi是英文Wireless Fidelity（无线保真度） 的缩写， 采用IEEE8021.l1b. g 协议的无线局域网（ WLAN ）技术。(4) 中频技术：中频（ 300 kHz 3MHz，），这些频率具 有寄生传播的现象， 频率是在没有专用电缆的情况下模拟 漏泄馈电电缆的特性。 目前，国内外研制 的几种井下无线 电通信系统都利用这种特性。( 5 ）蓝牙技术( 6 ）射频识别（ RFID ）技术(7) ZigBee 技术在井下发生灾害事故后依然保持通信系统能有效工作， 是未来井下
6、 通信系统的追求目标，对于矿山救援救助和抢 险指挥具有重要意义。8.1.3 露天矿山的数字通信与井下矿山数字通信的特殊性与复杂性相比，露天矿山 的数字通信技术较为简单。露天矿山的通信网主要由电话网、传输网、接入网、调 度通信网、计算机数据传输网、无线移动通信网和矿区专用 业务网等7 个网络组成。8.2 矿山自动化采矿设备的自动化是提高矿山产量、降低生产成本、改 善矿山 安全与生产条件，以及实现数字矿山和元人采矿的 重要手段。采矿装备在实现无轨化和液压化的基础上，正在向大型 化、集成化、智能化方向 发展。8.2.1 井工矿山的自动化1. 地下矿山的无人工作面 （1）无人采矿无人采矿的定义是：利用
7、目 前最先进的技术如矿山通 信、自主定位、数字设计、远程监视和遥测控制系统来自动 操纵采矿设备与采矿系统。其中，采矿工艺包括自动凿岩、自动装药与爆破、自动 装岩、自动转运、自动卸岩和自动支护等；无人采矿的技术 基础是高速地下通信系统和高精度地下定位定向系统（要求 达到毫米级）。(2 ）无人工作面针对中国矿井地质条件的复杂啊，以综合利用煤炭资源 和科学采矿为以则，提出现代无人工作面的定义为：在工作 面安全专家系统的保护下，通过有线或无线方式远程控制关 键生产设备，监测其工况，利用割煤设备的自主定位与自动 导航技术、煤岩自动识别技术、液压支架电液控制技术、刮 板输送机自动推移技术、工作面自动监控监
8、测技术、井下高 速双向通信技术和计算机集中控制技术等，自动完成割煤、 移架、移刮板输送机、放煤和顶板支护等生产流程，并动态 优化作业程序，实现工作面生产过程自动化、采煤工艺智 能化、工作面管理信息化以及操作的无人化，仅当设备出现 故障时，维修人员才会到达工作面，从而确保高产、高效和 安全生产。2. 地下矿山的自动运输系统地下矿山的自动运输主要由两部分组成，即带式输送 机、自动运输汽车系统和自动提升系统。带式输送机负责将开采面、掘进头开采下来的破碎矿石 从工作面运到井底车场；自动运输汽车系统是对带式输送机 的补充，负责将大块度的原矿运到破碎站；自动提升系统负 责将破碎矿石从井底年场接驳提升到地面
9、。( 1）带式输送机带式输送机具有长距离连续输送、输送量大、运行可靠 、效率高和易于实现自动化等特点，已成为目前我国煤矿井 下原煤输送系统的主要运输设备。带式输送机长运距、高带速、大总量、大功率的方向发 展， 已成为国内带式输送机的研究和开发的热点。国外带式输送机的技术特点和发展趋势主要表现在以下 几个方面： 向大型化和高速化方向发展 不断完养驱动技术：利用液粘传动理论研制的液粘可控启 动装置可以控制输送机的启动速度和加速度； 变频调速驱 动装置可以直接控制输送扭矩。 采用多点驱动技术：该技术的应用， 使带式输送机的单 机输送长度在理论上不受限制。 实现在线监测和实时监控：输送机运行速度、运行
10、功率、 输送带撕带、载荷分布和加载量控制、火灾监测等。 加强对主要元部件的研究：张紧装置、高速托辊、高效清 扫装置、高强度输送带方面。国内外矿山主要带式传造机佳能比较(2 ）自动运输汽车系统矿山自动运输汽车系统主要用于非煤矿山井下下运输矿 石到破碎站。由于带式输送机基本上不能运输未经破碎的原 矿，因此，自动运输汽车可以提高运输能力和运输效率。自 功运输汽车与连续装裁机相结合，按照自动方式运输大量矿 石，可大幅提高运输效率。 ( 3 ）自动提升系统矿井提升系统担负着矿石、矸石的提升以及人员、物料 的运输，是矿山生产经营的关键环节，按矿山开拓方式分竖 井提升和斜井提升两种模式。8.2.2 露天矿山
11、的自动化 露大矿山 自动开采最重要的环节是实现露天采矿设备的 集成化状态监控、定位和自动控制。一般地，露天矿山自动化开采系统由以下部分组成：(1）机载监测、控制和（卫星）定位系统； (2）具有预先计划能力的生产控制系统； (3）综合、实时更新的数据库系统，可供操作、生产、维护或管 理人员随时存取； (4) 开放式结构的矿山模拟系统和矿山GIS； (5）基于信息反馈控制的矿山 综合规划系统； (6）足够响应度和带宽并便于扩容升级的双向移动通信网路GPS技术在上述系统中，采矿设备的定位技术是关键。露天矿山 运行的每台车辆均需要以精确的定位数据实现路由计划、导 向和避免碰撞， CPS 技术能使露天矿
12、的年辆实现遥控和自 功化作业。 CPS 提供的精确定位数据能够在炮孔定位时为 钻机导向、控制和测量电铲的坡度（高程） 。若要得到高 精度的厘米级定位，还需配置差分GPS( DGPS ）。GPS 技术在露天矿中的应用大体上可分成3 种： 测量应用； 车辆和固定设备的定位，包括钻机、电铲、汽车、辅助车辆和加工处 理设备： 设备导航和控制，包括生产钻机和自动车辆导航时的实时定位。8.3 采矿机器人采矿机器人（ Mine Robot ）属于非制造环境下的特种 机器人，也可称机器人化的采矿机器。采矿机器人技术是提 升 矿山工程机械化、自动化水平的重要手段，是代替人类 从事有毒、有害且危险环境下采矿工作的重要工具。8.3.1 地下采矿机器人( 1）特殊煤层采掘机器人 对于薄煤层等特殊情况，通过采掘设备加装智能控制单元构 成的遥控机器人进行特殊煤层的采掘。 (2 ）凿岩机器人 具有机器人特征的半自动计算机辅助凿岩台车和全自动凿岩 台车，也就凿岩机器人。 利用传感器来确定巷道的上缘， 自动瞄准巷道裂缝，然后把钻头按规定间隔布置好，随时根 据岩石硬度调整钻头的转速和力的大小以及 钻孔的形状。 (3 ）井下喷浆机器人 ( 4 ）瓦斯、地压巡检机器人 ( 5 ） 抢险救灾机器人
