煤矿井下无线电波防爆安全功率阈值研究

梁伟锋，孙继平，彭铭，潘涛，张高敏

（1.国家能源集团国神公司 三道沟煤矿，陕西 府谷 719400；2.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083；3.国能信息技术有限公司，北京 100011；4.中国科学院上海微系统与信息技术研究所无线传感网与通信重点实验室，上海 200050）

0 引言

为防止煤矿井下无线设备发射的无线电波引起瓦斯爆炸，需限制煤矿井下无线电波的功率和能量。煤矿井下无线电波防爆安全功率（或能量）阈值限定得较低，利于防爆安全；但在无线传输衰减和接收灵敏度等一定的条件下，无线覆盖半径小，需增加无线基站和分站数量，增加系统成本和维护工作量，不利于5G，WiFi6，UWB，ZigBee等矿用移动通信系统及人员和车辆定位系统在煤矿井下应用。煤矿井下无线电波防爆安全功率（或能量）阈值限定得较高，在无线传输衰减和接收灵敏度等一定的条件下，无线覆盖半径大，系统成本低，便于使用和维护，但不利于防爆安全，会引起煤矿井下瓦斯爆炸。

国内外学者研究了无线电波防爆安全功率（或能量）阈值，并形成了相关标准。国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会发布的GB/T 3836.1−2021《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》规定用于煤矿瓦斯（主要是甲烷）气体环境的I类环境设备连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W。欧洲电工标准化委员会（European Committee for Electrotechnical Standardization，CENELEC）发布的欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》规定用于煤矿瓦斯（主要是甲烷）气体环境的I类环境设备连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W（除起重机等细长结构外）。因此，有必要进行相关研究，提出合理的煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值。

1 我国煤矿井下无线电波防爆安全功率（或能量）阈值

GB/T 3836.1−2021规定了9 kHz～60 GHz的连续无线电波和脉冲时间超过热起燃时间的脉冲发射无线电波（以下简称连续无线电波）防爆安全功率阈值（发射器的有效输出功率与天线增益的乘积），见表1，同时规定发射器硬件的物理发射功率必须满足要求，不得采用程序进行设定或对软件进行控制的方式；规定了脉冲时间比热起燃时间短的脉冲雷达或其他发射形式的无线电波（以下简称脉冲式无线电波）采用防爆安全能量阈值（脉冲式无线电波发射中能从接收体获取的单个脉冲的最大能量），见表2。

表1 GB/T 3836.1−2021规定的连续无线电波防爆安全功率阈值Table 1 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wave specified in GB/T 3836.1-2021

表2 GB/T 3836.1−2021规定的脉冲式无线电波防爆安全能量阈值Table2 Explosion-proof safety energy threshold of pulsed radio wave specified in GB/T 3836.1-2021

I类设备用于煤矿瓦斯气体环境；II类设备用于除煤矿瓦斯气体环境之外的其他爆炸性气体环境（IIA类，代表性气体为丙烷；IIB类，代表性气体为乙烯；IIC类，代表性气体为氢气和乙炔）；III类设备用于除煤矿之外的爆炸性粉尘环境。

2 甲烷气体环境无线电波防爆安全功率阈值研究现状

1979年，P.S.Excell等[1]通过设计的放电点火实验装置，测量了在不同大小源阻抗下的放电点火功率，结果表明，连续无线电波工作频率分别为2.2，9.1 MHz时，在源阻抗为50Ω和点火概率为0.01%的情况下，点燃最易燃浓度甲烷气体的最小功率分别为233，130 W；在源阻抗为2 kΩ和点火概率为0.1%的情况下，点燃最易燃浓度甲烷气体的最小功率分别为13.4，12.1 W。1981年，D.J.Burstow等[2]通过放电点火实验装置，测量了连续无线电波工作频率为10 MHz以下环形金属结构和9 GHz以下偶极子类型的金属结构作为接收天线时，点燃最易燃浓度甲烷气体的最小功率为10 W，并研究了多发射机发射的连续无线电波防爆安全功率阈值。D.P.Howson等[3]通过设计的放电点火实验装置，使用钨丝和镉盘作为点火电极，测量了连续无线电波工作频率为2，9 MHz时，点燃最易燃浓度甲烷气体的最低电压和电流，结果表明，射频源阻抗越高，点火所需功率越低。J.L.J.Rosenfeld等[4]研究了连续无线电波工作频率为1.8～21 MHz、作为接收天线的金属结构的接收效率为30%时，产生放电火花点燃最易燃浓度甲烷气体的最小功率为9 W。A.J.Maddocks等[5]在天然气输气站中测量了远处基站发射功率为20 kW、连续无线电波工作频率为2.8 MHz时，连续无线电波辐射能量耦合到天然气输气站内环形金属结构（起重机）时产生的电压和功率，结果表明，在起重机构成的周长为56 m环形结构中，产生的电压为6.3 V、功率为15.8 mW。S.S.J.Robertson等[6]通过实验装置测得的结果表明，在回路阻抗为5 000，500Ω时，点燃最易燃浓度甲烷气体的最小功率分别为6，12 W。1986年，P.S.Excell等[7-8]根据无线电波波长与金属结构尺寸的相对大小，将金属结构等效为电小尺寸和电大尺寸的接收天线进行了研究，认为在金属结构的断点处直接击穿空气、产生放电火花需要非常大的电压；发射器发射大功率无线电波，金属结构感应的电压一般不会产生放电火花；但如果断点之间发生刮擦，则较小功率的无线电波辐射能量耦合到金属结构上也能产生放电火花。1987年，R.A.James等[9]质疑了英国标准BS 6 656所有的假设条件都是在最恶劣的条件下，高估了无线电波辐射能量引发可燃性气体爆炸的风险，认为这会给企业增加不必要的经济负担，并用概率分析方法分析了各种假设下引发可燃性气体爆炸的概率。1988年，P.S.Excell等[10]总结了无线电波辐射能量耦合到作为等效接收天线的金属结构上的效率计算公式，经过分析认为，现有标准的规定并不合理。2013年，孙继平等[11]分析了煤矿井下无线电波辐射能量耦合到作为接收天线的金属结构时，产生的磁耦合共振和电磁辐射谐振能量耦合这2种情况下的能量传输效率，并给出了发射天线距井下金属结构应保持最小安全距离的计算公式。2021年，刘晓阳等[12]采用基于射线跟踪法的电磁仿真软件Wireless Insite模拟了4发4收的多天线发射机总输出功率为24 W（即分配到每根天线的输出功率为6 W）时，引发煤矿井下瓦斯爆炸的风险，结果表明，在安全距离为0.25 m范围内没有能作为接收天线的金属结构时，不会引发矿井瓦斯爆炸。Meng Jijian[13]分析研究了煤矿井下连续无线电波发射功率能否突破有关标准规定的6 W，通过火花实验台，进行了发射功率为10 W的连续无线电波点火实验，结果表明，连续无线电波发射功率为10 W时，不会引爆爆炸性气体混合物。郑小磊等[14]探讨了5G通信基站多天线发射功率的叠加计算问题，认为采用直接相加的方式，将多天线发射功率限制为6 W，虽然有利于满足煤矿井下无线电波防爆安全的要求，但会限制实际无线电波发射功率，不利于5G通信在煤矿井下的应用。2022年，张勇[15]研究了连续无线电波近场谐振耦合的防爆安全问题，通过电磁仿真软件模拟了发射功率为10，50，100，200 W时，等效环形接收线圈断点处产生的电压，发现近场谐振耦合的能量传输效率较高，金属断点处可以产生较大的电压，但难以击穿空气产生电火花。

可以看出，国内外学者对煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值6 W存在争议，认为现行的煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值6 W较低，不利于5G，WiFi6，UWB，ZigBee等矿用移动通信系统及人员和车辆定位系统在煤矿井下的应用。

3 GB/T 3836.1−2021溯源分析

GB/T 3836.1−2021对国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）发布的IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》的相关内容进行了修改采用，规定煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W。IEC 60079-0:2017中对煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值6 W的规定，参考了CENELEC发布的欧洲标准CLC/TR 50427:2004的相关内容。CLC/TR 50427:2004中规定了不同爆炸性气体环境类别的代表性气体（表3）及不同爆炸性气体环境的连续无线电波防爆安全功率阈值（表4）。从表4可看出，I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值分为2类：当爆炸性环境中存在能作为接收天线的细长结构物体（如起重机）时，连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W；当爆炸性环境中不存在能作为接收天线的细长结构物体（如起重机）时，连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W。GB/T 3836.1−2021和IEC 60079-0:2017省去了当爆炸性环境中不存在能作为接收天线的细长结构物体（如起重机）时，I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W这一条款；不加区分地规定I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W，缺乏必要的理论分析和实验验证。

表3 CLC/TR 50427:2004规定的不同爆炸性气体环境类别的代表性气体Table 3 Representative gasesof different typesof explosive gas environments specified in CLC/TR 50427:2004

表4 CLC/TR 50427:2004中规定的连续无线电波防爆安全功率阈值Table4 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wavespecified in CLC/TR 50427:2004

4 无线电波防爆安全功率阈值的适用范围

欧洲标准CLC/TR 50427:2004对英国标准BS 6656:2002《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》中的相关内容进行了等效采用，规定了无线电波防爆安全功率阈值。英国标准BS 6656:2002是在BS 6656:1991《Guide to prevention of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation》基础上修订。英国标准BS 6656:1991详细规定了无线电波工作频率为15 kHz～35 GHz时无线电波防爆安全功率阈值：若爆炸性环境中不存在起重机，假设源阻抗为3 000Ω，连续无线电波防爆安全功率阈值见表5；若爆炸性环境中存在起重机，连续无线电波工作频率为30 MHz以下，假设源阻抗为7 500Ω，连续无线电波防爆安全功率阈值见表6；若所有发射机发射的连续无线电波工作频率均为30 MHz以上，则可以采用表5中的连续无线电波防爆安全功率阈值。由表5、表6可看出，I类环境中无线电波工作频率为30 MHz～35 GHz时，无论是否存在起重机，连续无线电波防爆安全功率阈值均为8 W；对于工作频率30 MHz以下，若存在起重机，连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W。

表5 BS 6656:1991中规定的不存在起重机时的连续无线电波防爆安全功率阈值Table5 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wavein the absenceof crane as specified in BS6656:1991

表6 BS 6656:1991中规定的存在起重机时的连续无线电波防爆安全功率阈值Table6 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wave in thepresence of crane as specified in BS 6656:1991

5 煤矿井下无线电波防爆安全功率阈值

英国标准BS 6656:1991规定I类环境中连续无线电波工作频率大于30 MHz时，无论是否有起重机等细长环形结构物体，连续无线电波防爆安全功率阈值均为8 W。煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值没有执行6 W之前，漏泄、感应、透地、多基站等矿井无线通信系统已广泛应用于煤矿井下，未见有引起瓦斯和煤尘爆炸事故的案例。因此，不加区分地将煤矿井下的连续无线电波防爆安全功率阈值定为6 W，缺乏理论分析和实验验证。特别是5G，WiFi6，UWB，ZigBee等矿用移动通信系统及人员和车辆定位系统，工作频率较高，一般在GHz以上（不包括700 MHz的5G等），无论是否有起重机等细长环形结构物体，连续无线电波防爆安全功率阈值应为8 W。

英国标准BS 6656:2002及欧洲标准CLC/TR 50427:2004均规定没有起重机等细长环形结构物体的I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W；有起重机等细长环形结构物体的I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W。这是因为起重机的吊绳和接地回路很容易形成一个大的环形结构（图1），当这个大的环形结构作为接收天线时，接收效率高、阻抗大，在无线电波功率一定的条件下，更容易引起爆炸性气体混合物爆炸。煤矿井下一般没有起重机。煤矿井下为受限空间，巷道较长（可达10 km），但巷道断面较小。煤矿巷道断面一般宽度不大于6.2 m，高度不大于4.2 m，周长不大于20.8 m。神华神东煤炭集团有限责任公司上湾煤矿最大巷道断面宽度为6.3 m，高度为6.2 m，周长为25 m，是目前世界最大的巷道断面。沿巷道轴向敷设的电缆、水管、铁轨、钢丝绳、架空线、胶带架等轴向导体细长，但不会形成利于无线电波接收的环形天线。巷道工字钢支护等横向导体可以形成利于无线电波接收的环形天线，但周长一般不大于20.8 m，最大为25 m，工字钢导体截面大，不满足细长结构特征。综采工作面液压支架可以形成环形结构，但液压支架千斤顶将其分为多个环形结构，临近采煤机和刮板输送机的环形结构最大，周长一般不大于25 m，支架导体截面大，不满足细长结构特征。因此，煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值应选择没有能作为接收天线的细长环形结构物体条件下的8 W。

图1 起重机构成的环形结构Fig.1 The annular structure composed of crane

6 结论

（1）GB/T 3836.1−2021对IEC 60079-0:2017的相关内容进行了修改采用，规定煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W。IEC 60079-0:2017中对煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值6 W的规定，参考了欧洲标准CLC/TR 50427:2004中的相关内容。欧洲标准CLC/TR 50427:2004规定当爆炸性环境中存在能作为接收天线的细长结构物体（如起重机）时，连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W；当爆炸性环境中不存在能作为接收天线的细长结构物体（如起重机）时，连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W。GB/T 3836.1−2021和IEC 60079-0:2017省去了当爆炸性环境中不存在能作为接收天线的细长结构物体（如起重机）时，连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W这一条款；不加区分地规定I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W，缺乏必要的理论分析和实验验证。

（2）英国标准BS 6656:1991规定I类环境中连续无线电波工作频率大于30 MHz时，无论是否有起重机等细长环形结构物体，无线电波防爆安全功率阈值均为8 W。煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值没有执行6 W之前，漏泄、感应、透地、多基站等矿井无线通信系统已广泛应用煤矿井下，未见有引起瓦斯和煤尘爆炸事故的案例。因此，不加区分地将煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值定为6 W，缺乏理论分析和实验验证。特别是5G，WiFi6，UWB，ZigBee等矿用移动通信系统及人员和车辆定位系统工作频率较高，一般在GHz以上（不包括700 MHz的5G等），无论是否有起重机等细长环形结构物体，连续无线电波防爆安全功率阈值应为8 W。

（3）英国标准BS 6656:2002及欧洲标准CLC/TR 50427:2004均规定没有起重机等细长环形结构物体的I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W；有起重机等细长环形结构物体的I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W。煤矿井下一般没有起重机。煤矿井下为受限空间，巷道较长（可达10 km），但巷道断面较小，周长最大为25 m。沿巷道轴向敷设的电缆、水管、铁轨、钢丝绳、架空线、胶带架等轴向导体细长，但不会形成利于无线电波接收的环形天线。巷道工字钢支护等横向导体可以形成利于无线电波接收的环形天线，但周长最大为25 m，工字钢导体截面大，不满足细长结构特征。综采工作面液压支架可以形成环形结构，但液压支架千斤顶将其分为多个环形结构，临近采煤机和刮板输送机的环形结构最大，周长一般不大于25 m，支架导体截面大，不满足细长结构特征。因此，煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值应选择没有能作为接收天线的细长结构物体（如起重机）条件下的8 W。