煤炭智能化开采是我国煤炭工业在新一轮技术变革下的战略选择，是实现煤矿安全高效生产的必由之路，网络信息保障技术为煤炭智能开采提供准确可靠的数据技术支撑，且能有效探查隐蔽致灾的各类情况因素，符合2025 年国家建成煤炭智能化开采的基本大政方针，构建煤炭开采体系化、平台化、制度化的技术体系，煤炭开采系统在精准指向、智能控制上实现颠覆性创新和跨越式发展，实现数据实时监测、信息互联互通、网络架构运行稳定三个维度下的协同发展。为煤矿智能安全生产奠定坚实基础，同时降低因人为操作失误导致灾害事故发生的概率，为煤炭安全高效智能绿色开采提供技术支撑。

综采工作面设备和掘进工作面设备要实现地面远程集控，需要大量数据传输至地面远程集控中心，远程集控中心下达的所有指令，需要通过网络传输至工作面，因此对数据的准确性和速率都有很高要求。

目前井工煤矿4G 网络的上行数据峰值速率为50 Mbit/s，下行数据峰值速率100 Mbit/s 的传输速率，严重制约采掘工作面数据的传输，对远程集控采掘设备存在很大安全隐患。5G矿用网络系统，具有传输速率高、时延小、可靠性高、容量大等优点，提供最高无线接入数据速率，实现上行数据峰值速率400 Mbit/s，下行数据峰值速率1 200 Mbit/s。

基于5G网络的矿井机器人集群及人机生态协作模式应用，在综采工作面部署5G网络，实现液压支架与采煤机协同作业的自主割煤、巡检机器人和视频拼接协同采煤作业。基于5G网络的综采工作面机器人集群及人机生态协作模式应用，将生产班作业人员由5 人减少到2 人，直接生产工效提升了60%。把作业人员从井下恶劣的工作环境中解放出来，减轻了工人劳动强度，免受粉尘、噪声的侵害，远离了危险的作业环境。

大柳塔煤矿人机生态协作模式

国能神东煤炭大柳塔煤矿以“高起点、高技术、高质量、高效率、高效益”的建设方针，以“机械化换人、自动化减人、智能化无人”为目标，建设国家首批智能化示范煤矿。围绕智能化开采、安全保障、经营决策和清洁环保4 大板块，全力打造万物互联、数据驱动、人机交互、专家决策于一体的全智能化矿井争做煤炭行业高质量发展的“ 排头兵”。

大柳塔煤矿活鸡兔井22 上303 工作面为薄煤层综采工作面，建设了地面远程集控中心和工作面集控系统，为实现工作面远程集中控制和地面远程控制，工作面配套部署了视频跟机系统、视频拼接系统、工作面智能巡检机器人和人员精确定位及安全闭锁系统，但综采工作面设备和掘进工作面设备为实现地面远程集控，需要大量数据传输至地面远程集控中心，占用带宽极大，远程集控中心下达的所有指令需要通过网络传输至工作面，对数据准确性、传输速率、传输延时要求较高。

因此，针对井工4G 网络的上行数据峰值速率50 Mbit/s，下行数据峰值速率100 Mbit/s 的传输速率，传输会产生卡顿、丢包和高时延的情况，严重制约采掘工作面数据的实时精准传输，对远程集控采掘设备存在很大安全隐患，也无法实现智能化协同控制功能。同样综采工作面设备远程控制对数据上传带宽和数据传输时延性要求极高，高时延对远程操作采煤设备具有很大的安全隐患。

针对以上问题，大柳塔煤矿活鸡兔井的人机生态协作建设内容主要包括3 方面：基于5G网络架构下的综采工作面数据传输技术、液压与采煤机协调配合、井下机器人巡检数据实时上传并智能汇总拼接视频。最终3 方面协调汇总形成可视一体化煤炭管理系统，具体内容见表1。

表1　人机生态协作模式主要内容

综采工作面5G 传输技术

综采工作面控制台部署矿用隔爆型基站控制器（BBU/RHUB）。矿用隔爆型基站控制器集成了BBU和RHUB，BBU是基带处理单元，集中控制管理整个5G基站系统，具备25 GE接入环网能力，支持至少4 路25 GE RHUB 接入能力；RHUB 是射频远端CPRI 数据汇聚单元，具备与BBU 25 GE级联能力，具备8 路pRRU 接入能力；同时矿用隔爆型基站控制器配置有容量不小于2 h的后备电源，如图1 所示。

图1　5G网络架构

工作面布置8 套矿用隔爆兼本安型无线基站。隔爆兼本安型无线基站内部包含4/5G 无线基站模块、光/电及电/光转换器、混合电路等功能模块。一端为射频光信号和地面近端模块（通过光合路/分路器） 连接，一端为射频电信号和井下无源天线（通过耦合器或分配器） 连接。实现射频光信号和射频电信号间的双向转换功能。矿用隔爆兼本安型无线基站配置容量不小于2 h的后备隔爆电源。

工作面布置10 台矿用隔爆兼本安型信号转换器。信号转换器具有信号转发功能和WiFi 信号覆盖功能，将4G/5G信号转换成WiFi 信号，解决部分设备仅支持WiFi 不支持5G的问题。矿用隔爆兼本安型信号转换器配备容量不小于4 h的后备隔爆电源。

工作面布置12 个定向板状天线。由于井下工作面为狭长型通道，因此基本采用室内分布天馈系统（耦合器，功分器，定向天线） 方式。根据巷道走势、天馈系统的覆盖能力，分布天馈系统覆盖模式工作面区域进行无缝覆盖。

液压支架与采煤机协同作业

在活鸡兔井22 上303 工作面采煤机安装CPE 终端，通过工作面5G基站实现液压支架与采煤机协同作业实现自主割煤。同时工作面布置视频跟机系统，地面调度指挥中心设置分控中心，实现采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站、巡检机器人等设备的可视化远程控制，如图2 所示。

图2　22 上303 综采工作面智能化控制系统

巡检机器人、视频拼接协同采煤作业

基于5G网络的大宽带高速业务，22上303 综采工作面的液压支架与采煤机协同，实现自主割煤和拉架及巡检机器人、视频跟机、视频拼接技术。辅助巡检机器人搭载红外成像仪及视频摄像头，具有工作面视频监视、采煤机滚筒及其他设备温度监测、甲烷浓度监测、同步跟机等功能，代替人工巡检，降低安全风险。

三维惯导机器人搭载陀螺仪，获取刮板输送机姿态信息，通过数据分析建立刮板输送机弯曲度曲线模型，生成刮板输送机弯曲度曲线，电液控系统将刮板输送机弯曲度曲线的数据获取后，执行相应推移刮板输送机拉架操作，实现工作面刮板输送机找直功能。机器人搭载激光雷达，获取所在空间信息，通过分析以上信息建立工作面三维空间模型，以点云图形方式显示，配合搭载的陀螺仪，获取当前机器人位置信息，建立顶板煤壁的柱状图形，预测工作面煤层走向，指导采煤机自主割煤，22 上303 综采工作面地面远程控制中心如图3所示。

图3　22 上303 综采工作面沉浸式全景视频拼接画面

综采工作面的实景监测，22上303 工作面配置69台自清洗云台摄像仪，8 台高速摄像仪和79 台视频拼接广角摄像仪，同时配套硬盘录像机和视频分析服务器，保证视频存储和分析能够稳定可靠运行，轨道及机器人布置如图4所示，机器人实物如图5 所示。

图4　轨道及机器人布置

图5　机器人实物

大柳塔煤矿依托神东生产管控平台搭建生产执行系统，实现支架压力、采煤机位置和主要设备电参数实时采集上传，通过地面分控中心高清显示器展示，实现工作面状态全方位感知；创新性开发工作面全景视频拼接技术，在地面分控中心布置视频拼接服务器，主要包括视频平台、综合管理服务器、全景远控工作站，安装视频拼接软件、综合视频管理软件，实现视频全景拼接、跟机移动、单路视频调取、全工作面巡航、历史回看以及采区工作区、全综采面大视频的分段显示功能，通过微调井下摄像机角度，对上传到环网内的摄像机画面进行处理、拼接，最终形成22上303 综采工作面沉浸式全景视频拼接画面如图6 所示。

图6　22 上303 综采工作面地面远程控制中心

应用情况及效果分析

应用情况

（1） 基于5G网络的矿井机器人集群及人机生态协作模式，已在大柳塔煤矿活鸡兔井22 上303 工作面完成部署并成功应用。地面集控中心操作采煤机时延小于100 ms，实现了工作面多设备数据的低延时传输，上行数据峰值速率400 Mbit/s，下行数据峰值速率1 200 Mbit/s，实现了远程集控的精准控制。

（2） 基于5G网络的综采工作面机器人集群及人机生态协作模式应用，通过低时延控制实现了采煤机自主割煤、液压支架自动跟机、巡检机器人、三维惯导机器人和视频拼接的协同采煤作业。

（3） 通过基于5G技术采煤机与液压支架协同控制，工作面巡检机器人与采煤机协同作业，2022 年综合自动化率提高至94.45%，获得“国家能源杯”绿色发展劳动竞赛第1 名，成为煤炭行业高质量发展的典范。

效果分析

（1） 煤矿智能化采掘工作面5G网络创新应用，在大柳塔煤矿解决了从深井到地面的远程控制，将原来的4G时延缩短10 倍以上。通过地面集控中心、综采工作面和掘进工作面所有动作实现远程操控，把作业人员从井下恶劣的工作环境中解放出来，减轻了工人劳动强度，免受粉尘、噪声的侵害，远离了危险的作业环境。

（2） 智能综采工作面基于5G网络的综采工作面机器人集群及人机生态协作模式，实现采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站、巡检机器人等设备的可视化远程控制，生产人数由5 人减为2 人，工作面实现无人化跟机，每年节约用工成本120 万元，且保障产量超额完成。经济效益以年产254 万t、吨煤680元计算，实现经济创收17.27 亿元。

（3） 煤矿井下综采工作面通过部署5G网络，实现了采煤机、工作面巡检机器人远程控制，是神东井下综采工作面首个实现5G网络传输的工作面，为煤炭行业5G技术应用积累了宝贵经验。

结 语

大柳塔煤矿通过综采工作面5G网络应用，采煤机远程控制时延降低了10 倍；同时5G技术应用实现了工作面巡检机器人、视频拼接、液压支架等设备协同控制，达到综采工作面无人化开采目的，变革了煤矿综采生产模式，在煤炭行业内属于领先水平，起到了示范引领作用。在实际应用中减少高危区域作业人员数量、降低作业人员劳动强度，实现煤矿井下“无人则安”的终极目标，具有引领示范意义和推广价值。

本文为中国煤炭工业协会评选发布的2023 年度煤炭行业两化深度融合优秀项目。

策划：赵瑞 编辑：黄小雨