针对煤矿井下电气防爆、无线传输衰减大等特点，分析了矿用5G 技术和适用范围：矿用5G 宜采用本质安全型防爆;用于控制的矿用5G 应具有较强的抗干扰能力;采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用矿用5G;煤矿井下车辆无人驾驶地面远程控制宜选用矿用5G;没有针对矿井移动通信特点研发的矿用5G 性价比低于矿用 WiFi移动通信系统;严禁用矿用5G 移动通信系统替代矿用有线调度通信系统;没针对煤矿安全监控特点研发的矿用5G 不能替代煤矿安全监控系统;没有针对矿井动目标精确定位特点研发的矿用5G 定位精度低于矿用 UWB精确定位系统;450～6000 MHz频率范围的矿用5G 传输速率低于矿用 WiFi6;没有针对煤矿井下固定设备监控特点研发的矿用5G 可靠性低于矿用有线监控系统。指出了亟需针对煤矿井下安全生产特点，研发矿用5G，而不仅仅是对现有地面5G 产品进行防爆改造。

1 .矿用5G应采用本质安全防爆。

煤矿有瓦斯等爆炸性气体，煤矿使用的电气设备必须是防爆电气设备。矿用防爆电气设备的防爆类型主要有本质安全型、隔爆型、橡胶密封型和增安型煤矿井下无线传输会在机电设备的金属支架和金属外壳内产生感应电动势，引起瓦斯爆炸。为了防止大功率非线性点火引起瓦斯爆炸，GB3836.1 & mdash2010《爆炸环境第1部分:设备通用要求》[4]规定煤矿井下无线发射设备的射频阈值功率(无线发射设备有效输出功率与天线增益的乘积)不得超过6W5G。一般基站采用多天线，多根发射天线同时工作，发射功率叠加。所以矿用5G基站要按照多根发射天线同时工作的最大总功率来考核其防爆性能。设备的电火花放电能量取决于放电时间、电源的放电功率、负载中的电容和电感等。放电时间越长，电源放电率越大，负负载中的电容和电感越大，火花放电能量越大，气体爆燃的概率越大。天线的等效电感(包括分布电感)和电容(包括分布电容)会增加火花放电能量。所以本质安全型、隔爆型、本质安全型矿用5G基站都要测试天线的等效电感(含分布电感)和等效电容(含分布电容)。对于发射功率软件可调的矿用5G基站，应固化发射功率调控软件，保证正常工作和故障情况下最大发射功率不增加；最大发射功率不得因设备断电重启、电缆断裂、基站控制器损坏、交换机/路由器损坏、电磁干扰等原因而增加。不能保证软件不增加最大发射功率的矿用5G基站，应根据硬件的最大发射功率评估其防爆性能。。其中本质安全型的防爆性能最好，适用于煤矿井下所有场所和瓦斯超限等各种情况，具有防爆性能好、体积小、重量轻等优点。所以矿用5G应该是矿用本质安全型的首选。但本质安全防爆措施限制了大功率、高电压、大电流、大电容和大电感。功率超过25 W的电气设备很难做成矿用本质安全防爆电气设备。矿用隔爆和复合防爆5G基站体积大，质量差，防爆性能不如本质安全型。当甲烷超标或风停时，电源会被切断，所以他们不能在甲烷超标和风停的控制区域工作。

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2用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力。

地下空室狭小，大型机电设备相对集中，电磁干扰严重。采煤机、掘进机、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、水泵、提升机等大型机电设备的启动和停止。、大功率变频设备的工作、架空电力机车的火花、矿井人员和车辆定位系统等无线设备都影响5G系统的正常工作。所以控制用的矿用5G抗干扰能力强[5]，通过了GB/t 17626.3 & mdash；2016《电磁兼容试验与测量技术》射频电磁场辐射的瞬态脉冲群抗扰度试验，评估等级为A；交流端口通过GB/t 17626.5 & mdash；2022《电磁电容和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》中规定的严酷等级为3级的浪涌(冲击)抗扰度试验3采煤工作面和掘进工作面地面遥控应选用矿用5G。，评估等级为B；直口和信号口通过GB/t 17626.5 & mdash；2022电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验[8]中规定的严酷等级为2级的浪涌(冲击)抗扰度试验，评估等级为b。

电容电感滤波是提高设备抗干扰能力的有效方法。而本质安全型防爆电气设备不仅限制了最大工作电压、最大电流和最大功率，还限制了电路中的电容和电感。因此，在本质安全防爆的条件下，提高5G系统的抗干扰能力是一个迫切的技术问题。

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事故调查表明，我国煤矿死亡事故主要发生在采煤工作面和掘进工作面[9]。因此，通过煤矿自动化、信息化和智能化，减少井下工人数量，尤其是采煤工作面和掘进工作面，是煤矿安全生产中迫切需要解决的问题。目前，采煤工作面已实现采煤机、液压支架、刮板输送机联动(以下简称齿条联动)、记忆割煤、工作面巷道遥控。但煤岩界面的自动识别等技术问题仍未解决；采煤机、液压支架和刮板输送机的定位精度能够满足无人采煤工作面的要求。人们发展了探测工作面巷道顶底板位置，通过地质钻孔估算顶底板位置的地质模型方法。但当顶底板变化较大时，误差较大，难以满足无人采煤工作面对顶底板精确定位的需求。在煤岩界面自动识别、采煤工作面设备精确定位等技术难题攻克之前，为了尽快实现采煤工作面无人化或少人作业，减少采煤工作面作业人数，作者提出了齿条联动+记忆割煤+地质模型+地面遥控的方法(以下简称地面遥控法)。在地面遥控方式中，如齿条联动、记忆割煤、地质模型等。已在采煤工作面应用，急需解决地面遥控问题。地面远程控制需要解决采煤工作面信息(包括采煤工作面的视频图像和语音，传感器采集的环境、采煤机、液压支架、刮板输送机等设备运行状态的信息等)的实时可靠采集和上传问题。)，以及地面控制命令的实时可靠下载。采煤工作面粉尘多，采煤机工作时有喷雾，导致视频图像不清晰，难以在地面通过视频图像远程识别顶底板煤岩界面。透雾透尘摄像机的采用能较好地解决采煤工作面视频图像不清晰的问题，优于工作面现场肉眼观察。采煤工作面采煤机、液压支架、刮板输送机等设备都是移动设备，因此应采用无线传输技术。采煤工作面视频图像的实时可靠无线上传要求传输速率高、时延小、传输系统可靠性高。具有传输速率高、时延小、可靠性高、5G大容量等优点。在FR1 (450 ~ 6000 MHz)频段，5G最高传输速率为1.2Gbit/s(上行)和2.2Gbit/s(下行)[1，10-11]。应采用5G面对面工业互联网络，支持0.5 ~ 1 ms空端口延迟，端到端延迟不大于5ms，可靠性更高[12-13]。而WiFi6的平均时延是20ms[1]，可靠性无法保证。在传输延迟和可靠性方面，5G优于WiFi6等其他常见的无线通信技术。因此，5G4煤矿应用于采煤工作面和掘进工作面的远程控制，5G煤矿应用于井下无人车的远程控制。

胶轮车、电力机车等无人采矿车是减少井下作业人员，避免或减少严重事故，提高运输效率的有效措施。矿用车辆无人驾驶包括自动驾驶、地面遥控、自动驾驶+地面遥控。采矿车是无人驾驶的，需要通过采矿车的精确定位系统和惯性导航系统对车辆进行定位和导航；通过激光雷达、毫米波雷达、热像仪、摄像头、车辆传感器、道路传感器等感知车辆及周围环境。通过时延小、可靠性高、传输速率高的矿用无线通信系统，车联网系统可以监控矿用车辆的运行状态和环境，控制信号灯、电动转辙机(仅适用于轨道交通系统)和车辆运行等。具有传输速率高、时延小、可靠性高、5G大容量等优点。5G面对面车辆连接网络应用于支持V2V(车辆到车辆)和V2I(车辆到路边单元)之间的直接通信[12-13]。因此，煤矿井下车辆无人遥控应选择mine 5G。

5.没有根据矿井移动通信特点开发的矿用5G，性价比低。

煤矿井下通信可分为有线调度通信、广播通信、救灾通信、应急通信和移动通信。矿井有线调度通信系统用于日常煤矿生产调度和安全调度，具有煤矿井下不需要供电，抗灾害和变化能力强的优点。矿井广播通信系统用于通知煤矿井下工人撤离和避险，并具有报告井下灾害等功能。用于日常安全生产调度广播。矿山救灾通信系统由矿山救护队员携带，用于救护队员、救护基地和救护队员之间的通信。矿井应急通信系统用于灾害发生后与地面的通信，具有抗灾能力强的优点。目前，有线调度通信系统也作为矿井应急通信系统矿井有线调度通信系统是煤矿安全生产的重要保障，在生产和安全调度中发挥着重要作用。矿井有线调度通信系统主要由本质安全防爆电话、安全栅、交换机、调度台、电缆和分支/接线盒组成。矿井有线调度通信系统在井下没有需要供电的设备，安装在井下的本质安全防爆电话由地面开关通过安全栅和电缆供电。煤矿甲烷超限停电和风停停电等。，不影响矿井有线调度通信系统的正常工作。当煤矿发生瓦斯煤尘爆炸(包括瓦斯爆炸、煤尘爆炸和瓦斯煤尘爆炸)、煤与瓦斯突出、冲击地压、水灾、火灾、冒顶、炸药爆炸等事故时，只要电缆没断，电话没坏，系统就能正常工作。迄今为止，矿井有线调度通信系统是煤矿最可靠的通信系统，不仅用于日常生产和安全调度通信，还用于事故应急救援通信，在事故应急救援工作中发挥着重要作用。比如2007年7月29日，河南单县一煤矿被淹。共有69人处于危险之中。经过76小时的救援，遇险人员全部安全升井。事故发生后，遇险人员通过有线调度电话及时向地面调度室报告被困人员的数量、位置和情况，为救援提供了准确的信息，缩短了救援时间[14]。矿井有线调度通信系统是煤矿安全避险的安全途径& ldquo六大系统& rdquo一个。《煤矿安全规程》7矿用5G，不是根据煤矿安全监控的特点开发的，不能替代煤矿安全监控系统。煤矿安全监控系统具有甲烷、一氧化碳、温度、风速、风压、风向、进料状况等监控功能；当甲烷超限或风停时，会发出声光报警信号，并切断相关区域的电源，避免发生瓦斯爆炸等事故；具有煤与瓦斯突出感知、报警、断电功能，能及时发现事故，疏散遇险人员，避免瓦斯爆炸等事故发生。煤矿安全监控系统在煤矿安全生产中发挥着重要作用。煤矿冒顶和机械碰撞会造成电缆(光缆或电缆)断裂。为避免系统电缆断裂和主机故障，影响甲烷超限和风电切断，《煤矿安全规程》[15]规定，当主机和系统电缆故障时，必须保证甲烷电闭锁和风电闭锁的全部功能。目前矿井5G核心网在地面，控制着整个系统。地面采用设备和网络冗余，可靠性和稳定性高。然而，当地下光缆断裂或交换机/路由器出现故障时，地下系统就会瘫痪。甲烷超标或风停后，非本质安全防爆的5G基站、基站控制器和交换机/路由器必须断电。因此，没有根据煤矿安全监控的特点进行二次开发，只是将现有的地面5G转换为矿用5G进行防爆，不能替代煤矿安全监控系统。规定，所有煤矿必须配备有线调度通信系统；调度通信系统的通信电缆必须专用。为进一步提高有线调度通信系统的抗灾能力，有线调度通信系统的矿用本质安全防爆电话应安装在机电间。电缆应设置在巷壁与地面的夹角处，或设置在压缩空气管道内。矿用5G移动通信系统主要由矿用手机、矿用基站和天线等移动终端、矿用基站控制器、矿用网络交换机/路由器、地面调度终端、地面5G核心网、光缆、光缆分配/接线盒、矿用电源(可集成矿用基站、矿用基站控制器、矿用网络交换机/路由器)等组成。矿5G必须在地下铺设光缆。矿井5G基站、矿井5G基站控制器、矿井网络交换机/路由器等。设置在煤矿中的全部由井下电网供电。由于矿井备用电源工作时间有限，煤矿井下瓦斯超限断电、风停断电都会影响矿井5G移动通信系统的正常工作。煤矿发生瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、冲击地压、水灾、火灾、冒顶、炸药爆炸等事故时，矿用5G基站及天线、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等。会损坏，光缆会断。虽然矿用5G基站、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等。也可设置在机电室内，光缆可设置在巷道壁与底板夹角处或压缩空气管道内，矿用5G移动通信系统在煤矿内设备较多，需要由井下电网供电。因此，矿井5G移动通信系统的抗灾能力远不及矿井有线通信系统，难以需求紧急通信。严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统。。本发明用于手机等移动终端之间以及手机等移动终端与地面调度室之间的通信，具有及时、方便的优点。矿长、总工程师、区队长、工程技术人员、班组长、爆破工、安全检查员、瓦斯检查员、移动电钳工、安全班长、司机等关键岗位和移动操作人员应佩戴手机等移动终端。矿井移动通信系统主要包括泄漏移动通信系统、感应移动通信系统、透地移动通信系统、多基站移动通信系统等。目前矿井移动通信系统主要采用多基站移动通信系统，多基站移动通信系统主要有4G/5G、WiFi等。矿井WiFi移动通信系统具有成本低的优势，但不适合手机等移动终端移动速度快的场景。煤矿胶轮车、电机车行驶速度受限，手机等移动终端移动速度慢。WiFi矿用移动通信系统可以满足煤矿移动通信的需求。4G/5G矿井移动通信系统具有手机种类多、语音通话质量高等优点，可用于快速移动通信，但成本较高。所以不存在矿用WiFi移动通信系统性价比高的矿用5G移动通信系统。

6.严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统。

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8没有根据矿井内移动目标精确定位的特点而研制的矿用5G定位精度低。

矿井人员和车辆的精确定位技术是煤矿智能化的关键技术之一。为了遏制煤矿超限额生产，避免或减少煤矿重特大事故的发生，《煤矿安全规程》[15]规定，煤矿必须配备矿井人员位置监测系统。井下人员定位系统在遏制煤矿井下、采掘工作面等重点区域的超限额生产和重特大事故，搜寻遇险人员，防止人员进入盲巷等危险区域，控制作业人员超时下井，管理特种作业人员，领导带班下井，持证上岗，检查井下作业人员出勤等方面发挥了重要作用。矿井人员和车辆的精确定位技术还将用于防止胶带非法骑行，防止车辆伤害和车辆碰撞，以及煤矿胶轮车和电机车的无人驾驶。早期的煤矿井下人员定位系统，主要采用RFID技术，不能定位，只能识别识别卡在哪个变电站识别区。随着煤矿井下人员定位技术的发展，基于ZigBee、UWB等技术的煤矿井下人员定位系统已经研制成功，定位误差从几十米提高到今天的0.2m。未来5G的定位目标是1m的定位精度，目前还没有实现[16-17]。煤矿井下的隧道以及隧道内的设备和车辆会造成严重的多径干扰。所以没有比矿用UWB定位系统精度更低的矿用5G定位系统。

矿用5G在950 ~ 6000 MHz频段的传输速率低于矿用WiFi6。

第三代合作伙伴计划(3GPP)之前发布的5G标准的频率范围是FR1 (450 ~ 6000 MHz)和FR2 (24250 ~ 52600 MHz) [1-2，10-11]。在中国，FR1 (450 ~ 6000 MHz)频段的5G发展迅速[1-2]。中国移动5G频段为2515 ~ 2675 MHz和4800 ~ 4900 MHz，上行最高传输速率1.2Gbit/s，下行最高传输速率2.2Gbit/s，已在地面使用。中国联通5G频段3500~3600 MHz，上行最高传输速率1.2 Gbit/s，下行最高传输速率2.2Gbit/s，已在地面应用。中国电信5G频段为3400~3500 MHz，上行最高传输速率1.2Gbit/s，下行最高传输速率2.2Gbit/s，已在地面使用。中广核的5G频段是702 ~ 798 MHz，没有应用报告。我国5G的FR2 (24250 ~ 52600 MHz)频段尚未分配给运营商，实际应用还需要一段时间。频率范围为24.75 ~ 27.5 GHz和37 ~ 42.5 GHz，上行最高传输速率10Gbit/s，下行最高传输速率20 Gbit/s，在煤矿井下，FR1 (450 ~ 6000 MHz)频段相比FR2 (24250 ~ 52600 MHz)具有信号传输损耗低、无线传输距离远、绕射能力强等优点。因此，矿井5G无线工作者的频段应选择FR1 (450 ~ 6000 MHz)，以提高矿井无线传输的距离和衍射能力，提高系统的稳定性和可靠性，减少基站数量，降低组网成本和维护工作量。WiFi6 (802.11ax)的频段为2.4 GHz和GHz，最高传输速率为9.6Gbit/s..在FR1 (450 ~ 6000 MHz)频率范围内，5G最高传输速率为1.2Gbit/s(上行)和2.2Gbit/s(下行)，WiFi6最高传输速率为9.6 Gbit/s[1]。显然，在FR1的频率范围内(450 ~ 6000 MHz)，WiFi6的传输速率高于5G。所以没有根据煤矿安全生产特点开发的矿用5G的性价比低于矿用WiFi6。对延时要求低的矿井视频图像监控应选择矿用WiFi6，以降低成本和维护工作量。

10.带式输送机、供排水等固定设备的监控和地面遥控应采用有线传输。

与其他常见的无线通信系统相比，5G具有传输速率高、时延小、可靠性高、容量大的优势。煤矿井下无线传输损耗受无线传输频段、天线位置、巷道断面、分支、弯曲、倾斜、支撑和表面粗糙度、巷道中电缆、水管、钢轨等纵向导体、巷道中工字钢等横向体、胶轮车、电机车、带式输送机和巷道中机电设备等因素的影响[1]。因此，没有根据煤矿井下固定监控特点开发的矿用5G，其可靠性低于矿用有线监控系统。对于带式输送机、供电和排水等固定设备的监控和远程控制，首选有线传输。

1结论

煤矿内有瓦斯等易燃易爆气体，矿井内无线传输衰减大，所以在煤矿内直接应用5G左右。仅地面5G产品进行防爆改造，难以满足煤矿智能化建设的需求。因此，针对煤矿井下安全生产的特殊需求，研发矿用5G迫在眉睫。(1)矿用5G应采用本质安全防爆。矿用5G基站应按多根发射天线同时工作的最大总功率来考核其防爆性能。检查矿用5G基站天线的等效电感(含分布电感)和等效电容(含分布电容)。对于发射功率软件可调的矿用5G基站，应固化调节发射功率的软件，保证正常工作和故障情况下最大发射功率不增加；最大发射功率不得因设备断电重启、电缆断裂、基站控制器损坏、交换机/路由器损坏、电磁干扰等原因而增加。不能保证最大发射功率不增加、发射功率率由软件调节的矿用5G基站，按照硬件最大发射功率评估其防爆性能。(2)用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力。在本质安全防爆限制电容和电感的条件下，提高5G系统的抗干扰能力是一个亟待解决的技术问题。(3)采煤工作面无人或少人作业时，宜采用机架联动+记忆割煤+地质模型+地面遥控的方法。采用透雾透尘摄像机解决采煤工作面视频图像不清晰的问题。采掘工作面和掘进工作面遥控选用矿用5G。(4)煤矿无人地面车遥控应选择矿用5G。应使用矿用车辆的精密定位系统和惯性导航系统对车辆进行定位和引导，并使用激光雷达、毫米波射线、热像仪、摄像机、车载传感器和巷道传感器对车辆和周围环境进行感知。(5)WiFi矿井移动通信系统具有成本低的优点。煤矿胶轮车、电机车行驶速度受限，手机等移动终端移动缓慢。WiFi矿用移动通信系统可以满足煤矿移动通信的需求。5G矿井移动通信系统具有手机种类多、语音通话质量高等优点，可用于快速移动通信，但成本较高。没有根据矿用移动通信特点开发的矿用5G移动通信系统，价格比低于矿用WiFi移动通信系统。(6)矿井5G必须在井下铺设光缆。矿井5G基站、矿井5G基站控制器、矿井网络交换机/路由器等。设置在煤矿中的全部由井下电网供电。煤矿井下瓦斯超限停电，会影响矿井5G移动通信系统的正常工作。煤矿发生瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、冲击地压、水灾、火灾、冒顶、炸药爆炸等事故时，会造成矿用5G基站及天线、矿用5G基站控制器、矿用网络交换机/路由器等损坏，光缆断裂。因此，矿用5G移动通信系统在抗灾能力上远不如矿用有线调度通信系统，难以满足应急通信要求。严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统。(7)矿用5G核心网在地面控制整个系统。当地下光缆断了或交换机/路由器故障时，地下系统就会瘫痪。甲烷超标或风停后，非本质安全防爆的5G站、基站控制器、交换机/路由器必须断电。因此，没有根据煤矿安全监控的特点开发的矿用5G不能替代煤矿安全监控系统。(8)矿用UWB精确定位系统的定位精度为0.2m，5G的未来定位目标是定位精度1m，目前还没有实现。根据水雷运动目标精确定位的特点，研制的矿用超宽带精确定位系统，没有比其更低的矿用5G比特精度。(9)在FR1 (450 ~ 6000 MHz)频率范围内，5的最高传输速率为1.2Gbit/s(上行)和2.2Gbit/s(下行)，WiFi6的最高传输速率为9.6Gbit/s，WiFi6的传输速率高于5 G，因此没有针对煤矿安全生产特点开发的矿用视频图像监控，矿用5G的性价比低于矿用WiFi6，选择矿用WiFi6更好(10)未根据煤矿井下固定设备监控特点开发的矿用5G，其可靠性低于矿用有线监控系统。带式输送机、电源、排水等。固定安装监控和地面遥控，有线传输优先。