5G技术在矿山安全生产中的应用研究

岳 明，白 烨

(1.三门峡市工业企业安全生产执法监察支队，河南 三门峡 472000；2.三门峡绿源环保科技有限公司，河南 三门峡 472000)

0 引 言

我国矿产资源种类丰富，伴随工业的发展进步，矿山机械化、自动化技术不断提高，但矿山生产安全事故仍时有发生，究其原因主要是矿山还未实现无人化作业，未达到本质安全水平。如今，以5G技术为载体，将大数据、物联网、云计算、人工智能、机器人等新一代信息技术与现代矿山开采技术深度融合[1]，构建全面感知、实时互联、分析决策、协同控制的智能采矿系统[2]，将实现矿山开采全过程高效、安全、智能运行[3]。进一步提高矿山企业的整体安全发展水平，向着矿山无人化作业和本质安全水平不断迈进，实现矿山行业的高质量发展。

1 5G技术在矿山安全生产中应用的必要性

5G技术具有数据传播速度快、通信带宽大、数据传输低时延、可靠性高、安全性好等特性。目前5G技术广泛应用于工业互联网、智慧医疗、智能交通等领域，国务院政府工作报告多次提出“发展工业互联网”“加大5G网络建设力度”。2020年2月，国家发展改革委等八部门联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了煤矿智能化的发展方向[4]。2020年5月，采矿行业“5G+工业互联网”工作会议发布了第一批重点行业和应用场景，指出采矿业要以生产机械化、设备智能化、作业无人化、管理一体化为目标，打造本质安全的智慧矿山[5]。5G技术与矿山行业进行深度融合是未来发展的必然趋势。

矿山行业包含露天矿和井工矿2种环境，安全生产是红线和底线[6]。在露天矿环境中，爆破、边坡失稳、矿石坠落等因素易引起开采人员伤亡；在井工矿环境中，存在火灾、透水、冒顶片帮、瓦斯与煤尘爆炸、冲击地压等事故风险，造成人员伤亡和财产损失；与此同时，高温、高湿、粉尘等恶劣复杂的工作环境，对工人健康也产生较大危害。因此，将5G技术与矿山安全生产深度融合，推动矿山企业数字化、网络化、智能化、高端化转型升级，向着少人化、无人化、现代化方向发展显得尤为必要，可大大改善矿山工作环境，降低工人劳动强度，减少人员伤亡事故，把员工从危险有害作业环境中解放出来。如榆家梁煤矿、新元煤矿、庞庞塔煤矿、鲍店煤矿、紫金山金铜矿、普朗铜矿、安庆铜矿等利用5G技术积极开展自主智能割煤、自动跟机移架、无人智能巡检、远程设备操控、生产现场监测、设备协同作业等典型应用场景，成效显著。

2 5G技术在矿山行业的典型应用场景

2.1 无线数据传输和处理

5G技术具有更加稳定和可靠的优势，可实时采集完善的数据信息，通过各类传感器搭载5G技术构建物联网系统，对“采、掘、机、运、通、排、安”等各环节数据进行实时监测和智能分析处理，实现自适应、自诊断与智能决策。矿山企业管理人员可通过计算机或手机移动终端获取和传输各类矿山系统信息，如人员位置，设备参数(电压、电流、转速、设备温度等运行工况)，瓦斯浓度，顶板状态，应力场数据，通风环境参数(风量、风速、粉尘及有毒有害气体浓度等)，风险隐患分布等，从而全面了解矿山生产实际情况，排查安全隐患，保障矿井安全生产，预防灾害事故发生。

鲍店煤矿启动矿用5G专网系统建设，依托5G+视觉识别等技术，通过传感器、视频采集等设备实时监测井下采掘设备控制信号、车辆状况、通风环境参数等信息，实现快速安全传输、智能判断及故障预警，当现场出现异常情况，可做到远程迅速处置，提升了矿山危险状况下的安全生产预测效率和应急管理能力。河钢集团研发的智能巡检机器人在特殊场所代替人工进行巡检，具有5G实时数据回传、自主/手动运行模式自由切换、故障报警等功能，运用手机APP和云端智能巡检管控平台完成远程全自动巡检[5]。

2.2 无人驾驶及远程控制

V2X(车联网无线通信系统)依托5G技术的高速率、高可靠性、大带宽、低时延等特性，将无人矿车(包括挖掘机、铲运机、掘进机、电机车等设备)、矿山道路(井下巷道)和云智能调度平台连接起来，通过矿车—道路—平台的实时通信，实现车辆无人驾驶及远程控制。采矿工人在地面调度大厅就能操作井下采矿设备，实现了“少人、无人”的安全生产，从而改善工人劳动环境，降低了矿山运行成本和事故发生概率。5G在无人驾驶中的应用见图1，其中T-Box表示远控信息处理器，RSU表示路侧单元。

图1 5G技术在无人驾驶中的应用Fig.1 Application of 5G technology in self-driving

紫金山金铜矿研发了基于5G技术的井下电机车无人驾驶系统，11台无人机车在溜井、卸矿站等不同地点有序运输，日运输矿量达到4万t以上[7]。普朗铜矿由远程控制5G铲运机代替现场作业，节省了井下爆破作业前后人员安全撤离及通风的时间，进而增加4小时的矿石开采时间，采矿效率提升了18 %。

2.3 目标跟踪和动态管控

应用5G技术对矿山生产情况进行实时目标跟踪和动态化管控，实现跟踪目标与控制中心的信息互通、集成和共享，便于管理人员了解矿山生产情况。5G技术在目标跟踪中的应用见图2。设置若干固定监控设备，依托5G网络接收信息并传至控制中心，调度人员可实时监督各采矿车辆的作业情况并落实管理工作。

图2 5G技术在目标跟踪中的应用Fig.2 Application of 5G technology in target tracking

千业水泥以5G网络为依托，融合GPS及北斗定位、视觉感知、信息传感等技术，实现矿山穿孔、铲装、运输等环节的无人化远程操控，完成区域内作业车辆的集群调度工作，实现1人操控多台设备，实现矿区车辆安全、高效驾驶，生产效率提升达80 %以上。为进一步提升目标跟踪和动态管控效果，需做好2点：①在矿区内部增设智能固定监控设备，确保实时、准确、全面采集各类生产信息；②构建智能监控装置的系统内部信息传输通道，确保各模块间有效通信。

2.4 应急管理

基于5G网络构建应急管理大数据综合管控平台，采用数据挖掘技术实现对灾害的综合性评估[8]，做到智能监测预警和快速应急响应。通过5G网络将实时采集的各类数据信息安全可靠地传输至综合管控平台，经汇总和深入分析生产安全性，可智能判断是否需要报警和应急处置，构建起具备AI感知、辅助决策、协同控制、互联互通的一键式应急管理系统。基于5G网络的应急管理大数据综合管控平台见图3。

图3 基于5G网络的应急管理大数据综合管控平台Fig.3 5G network-based integrated big data management platform for emergency

义煤公司建设“电子封条”联网接入矿山智能监管平台，实现“互联网+监管”。通过在煤矿关键地点(主副井口、风井口、车辆出入口和调度室等处)安装摄像机等设备，利用智能化视频识别、图像分析等技术，实时监测矿井出入井人员及作业状态，发现异常动态，自动生成、推送报警信息，实现全天候远程监测。安庆铜矿井下泵房、压风机房、变电所等场所应用5G技术构建生产经营大数据分析平台，实现智能诊断、生产流程和经营决策优化[9]。

3 矿山安全生产中5G技术发展的建议

(1)提高与安全相关的人、物、设备、工艺、环境、安全管理等数字化感知程度。智能化分析决策的基础是精准的数字感知信息[10]，“人、机、环、管”等安全环节通过数字化感知，实现安全智能化。

(2)将矿山应急管理系统与灾害精准监测预警系统相结合，完善矿山安全风险监测预警机制和监测监控系统，提高矿山灾害应急效率和水平。基于人工智能和大数据技术对矿山企业安全感知信息进行融合，提升事故灾害精准预警、协同救援等智能化安全监管水平。

(3)鼓励企业加强5G场景应用技术创新活动和成果转化，相关部门研究制定矿山安全智能化体系建设评价指标和标准，促进技术创新、标准研制和产业化协同发展，以指导矿山安全智能化建设。

4 结 语

5G技术可确保网络信息传输的实时性，解决无人驾驶的通信延时问题，实现运动目标跟踪及环境监控，从而提升矿山企业的本质安全水平。在“5G+矿山安全生产”应用中，应重视提高与安全相关的数字化感知程度，推动矿山应急管理系统与灾害精准监测预警系统相结合，鼓励矿山企业积极开展5G场景应用技术创新活动和成果转化，相关部门研究制定矿山安全智能化体系建设评价指标和标准。