煤礦井下無線電波防爆安全功率閾值研究

梁偉鋒，孫繼平，彭銘，潘濤，張高敏

（1.國家能源集團國神公司 三道溝煤礦，陜西 府谷 719400；2.中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083；3.國能信息技術有限公司，北京 100011；4.中國科學院上海微系統與信息技術研究所無線傳感網與通信重點實驗室，上海 200050）

0 引言

為防止煤礦井下無線設備發射的無線電波引起瓦斯爆炸，需限制煤礦井下無線電波的功率和能量。煤礦井下無線電波防爆安全功率（或能量）閾值限定得較低，利于防爆安全；但在無線傳輸衰減和接收靈敏度等一定的條件下，無線覆蓋半徑小，需增加無線基站和分站數量，增加系統成本和維護工作量，不利于5G，WiFi6，UWB，ZigBee等礦用移動通信系統及人員和車輛定位系統在煤礦井下應用。煤礦井下無線電波防爆安全功率（或能量）閾值限定得較高，在無線傳輸衰減和接收靈敏度等一定的條件下，無線覆蓋半徑大，系統成本低，便于使用和維護，但不利于防爆安全，會引起煤礦井下瓦斯爆炸。

國內外學者研究了無線電波防爆安全功率（或能量）閾值，并形成了相關標準。國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會發布的GB/T 3836.1?2021《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》規定用于煤礦瓦斯（主要是甲烷）氣體環境的I類環境設備連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W。歐洲電工標準化委員會（European Committee for Electrotechnical Standardization，CENELEC）發布的歐洲標準CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》規定用于煤礦瓦斯（主要是甲烷）氣體環境的I類環境設備連續無線電波防爆安全功率閾值為8 W（除起重機等細長結構外）。因此，有必要進行相關研究，提出合理的煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值。

1 我國煤礦井下無線電波防爆安全功率（或能量）閾值

GB/T 3836.1?2021規定了9 kHz～60 GHz的連續無線電波和脈沖時間超過熱起燃時間的脈沖發射無線電波（以下簡稱連續無線電波）防爆安全功率閾值（發射器的有效輸出功率與天線增益的乘積），見表1，同時規定發射器硬件的物理發射功率必須滿足要求，不得采用程序進行設定或對軟件進行控制的方式；規定了脈沖時間比熱起燃時間短的脈沖雷達或其他發射形式的無線電波（以下簡稱脈沖式無線電波）采用防爆安全能量閾值（脈沖式無線電波發射中能從接收體獲取的單個脈沖的最大能量），見表2。

表1 GB/T 3836.1?2021規定的連續無線電波防爆安全功率閾值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規定的脈沖式無線電波防爆安全能量閾值Table2 Explosion-proof safety energy threshold of pulsed radio wave specified in GB/T 3836.1-2021

I類設備用于煤礦瓦斯氣體環境；II類設備用于除煤礦瓦斯氣體環境之外的其他爆炸性氣體環境（IIA類，代表性氣體為丙烷；IIB類，代表性氣體為乙烯；IIC類，代表性氣體為氫氣和乙炔）；III類設備用于除煤礦之外的爆炸性粉塵環境。

2 甲烷氣體環境無線電波防爆安全功率閾值研究現狀

1979年，P.S.Excell等[1]通過設計的放電點火實驗裝置，測量了在不同大小源阻抗下的放電點火功率，結果表明，連續無線電波工作頻率分別為2.2，9.1 MHz時，在源阻抗為50Ω和點火概率為0.01%的情況下，點燃最易燃濃度甲烷氣體的最小功率分別為233，130 W；在源阻抗為2 kΩ和點火概率為0.1%的情況下，點燃最易燃濃度甲烷氣體的最小功率分別為13.4，12.1 W。1981年，D.J.Burstow等[2]通過放電點火實驗裝置，測量了連續無線電波工作頻率為10 MHz以下環形金屬結構和9 GHz以下偶極子類型的金屬結構作為接收天線時，點燃最易燃濃度甲烷氣體的最小功率為10 W，并研究了多發射機發射的連續無線電波防爆安全功率閾值。D.P.Howson等[3]通過設計的放電點火實驗裝置，使用鎢絲和鎘盤作為點火電極，測量了連續無線電波工作頻率為2，9 MHz時，點燃最易燃濃度甲烷氣體的最低電壓和電流，結果表明，射頻源阻抗越高，點火所需功率越低。J.L.J.Rosenfeld等[4]研究了連續無線電波工作頻率為1.8～21 MHz、作為接收天線的金屬結構的接收效率為30%時，產生放電火花點燃最易燃濃度甲烷氣體的最小功率為9 W。A.J.Maddocks等[5]在天然氣輸氣站中測量了遠處基站發射功率為20 kW、連續無線電波工作頻率為2.8 MHz時，連續無線電波輻射能量耦合到天然氣輸氣站內環形金屬結構（起重機）時產生的電壓和功率，結果表明，在起重機構成的周長為56 m環形結構中，產生的電壓為6.3 V、功率為15.8 mW。S.S.J.Robertson等[6]通過實驗裝置測得的結果表明，在回路阻抗為5 000，500Ω時，點燃最易燃濃度甲烷氣體的最小功率分別為6，12 W。1986年，P.S.Excell等[7-8]根據無線電波波長與金屬結構尺寸的相對大小，將金屬結構等效為電小尺寸和電大尺寸的接收天線進行了研究，認為在金屬結構的斷點處直接擊穿空氣、產生放電火花需要非常大的電壓；發射器發射大功率無線電波，金屬結構感應的電壓一般不會產生放電火花；但如果斷點之間發生刮擦，則較小功率的無線電波輻射能量耦合到金屬結構上也能產生放電火花。1987年，R.A.James等[9]質疑了英國標準BS 6 656所有的假設條件都是在最惡劣的條件下，高估了無線電波輻射能量引發可燃性氣體爆炸的風險，認為這會給企業增加不必要的經濟負擔，并用概率分析方法分析了各種假設下引發可燃性氣體爆炸的概率。1988年，P.S.Excell等[10]總結了無線電波輻射能量耦合到作為等效接收天線的金屬結構上的效率計算公式，經過分析認為，現有標準的規定并不合理。2013年，孫繼平等[11]分析了煤礦井下無線電波輻射能量耦合到作為接收天線的金屬結構時，產生的磁耦合共振和電磁輻射諧振能量耦合這2種情況下的能量傳輸效率，并給出了發射天線距井下金屬結構應保持最小安全距離的計算公式。2021年，劉曉陽等[12]采用基于射線跟蹤法的電磁仿真軟件Wireless Insite模擬了4發4收的多天線發射機總輸出功率為24 W（即分配到每根天線的輸出功率為6 W）時，引發煤礦井下瓦斯爆炸的風險，結果表明，在安全距離為0.25 m范圍內沒有能作為接收天線的金屬結構時，不會引發礦井瓦斯爆炸。Meng Jijian[13]分析研究了煤礦井下連續無線電波發射功率能否突破有關標準規定的6 W，通過火花實驗臺，進行了發射功率為10 W的連續無線電波點火實驗，結果表明，連續無線電波發射功率為10 W時，不會引爆爆炸性氣體混合物。鄭小磊等[14]探討了5G通信基站多天線發射功率的疊加計算問題，認為采用直接相加的方式，將多天線發射功率限制為6 W，雖然有利于滿足煤礦井下無線電波防爆安全的要求，但會限制實際無線電波發射功率，不利于5G通信在煤礦井下的應用。2022年，張勇[15]研究了連續無線電波近場諧振耦合的防爆安全問題，通過電磁仿真軟件模擬了發射功率為10，50，100，200 W時，等效環形接收線圈斷點處產生的電壓，發現近場諧振耦合的能量傳輸效率較高，金屬斷點處可以產生較大的電壓，但難以擊穿空氣產生電火花。

可以看出，國內外學者對煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值6 W存在爭議，認為現行的煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值6 W較低，不利于5G，WiFi6，UWB，ZigBee等礦用移動通信系統及人員和車輛定位系統在煤礦井下的應用。

3 GB/T 3836.1?2021溯源分析

GB/T 3836.1?2021對國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）發布的IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》的相關內容進行了修改采用，規定煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W。IEC 60079-0:2017中對煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值6 W的規定，參考了CENELEC發布的歐洲標準CLC/TR 50427:2004的相關內容。CLC/TR 50427:2004中規定了不同爆炸性氣體環境類別的代表性氣體（表3）及不同爆炸性氣體環境的連續無線電波防爆安全功率閾值（表4）。從表4可看出，I類環境中連續無線電波防爆安全功率閾值分為2類：當爆炸性環境中存在能作為接收天線的細長結構物體（如起重機）時，連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W；當爆炸性環境中不存在能作為接收天線的細長結構物體（如起重機）時，連續無線電波防爆安全功率閾值為8 W。GB/T 3836.1?2021和IEC 60079-0:2017省去了當爆炸性環境中不存在能作為接收天線的細長結構物體（如起重機）時，I類環境中連續無線電波防爆安全功率閾值為8 W這一條款；不加區分地規定I類環境中連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W，缺乏必要的理論分析和實驗驗證。

表3 CLC/TR 50427:2004規定的不同爆炸性氣體環境類別的代表性氣體Table 3 Representative gasesof different typesof explosive gas environments specified in CLC/TR 50427:2004

表4 CLC/TR 50427:2004中規定的連續無線電波防爆安全功率閾值Table4 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wavespecified in CLC/TR 50427:2004

4 無線電波防爆安全功率閾值的適用范圍

歐洲標準CLC/TR 50427:2004對英國標準BS 6656:2002《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》中的相關內容進行了等效采用，規定了無線電波防爆安全功率閾值。英國標準BS 6656:2002是在BS 6656:1991《Guide to prevention of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation》基礎上修訂。英國標準BS 6656:1991詳細規定了無線電波工作頻率為15 kHz～35 GHz時無線電波防爆安全功率閾值：若爆炸性環境中不存在起重機，假設源阻抗為3 000Ω，連續無線電波防爆安全功率閾值見表5；若爆炸性環境中存在起重機，連續無線電波工作頻率為30 MHz以下，假設源阻抗為7 500Ω，連續無線電波防爆安全功率閾值見表6；若所有發射機發射的連續無線電波工作頻率均為30 MHz以上，則可以采用表5中的連續無線電波防爆安全功率閾值。由表5、表6可看出，I類環境中無線電波工作頻率為30 MHz～35 GHz時，無論是否存在起重機，連續無線電波防爆安全功率閾值均為8 W；對于工作頻率30 MHz以下，若存在起重機，連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W。

表5 BS 6656:1991中規定的不存在起重機時的連續無線電波防爆安全功率閾值Table5 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wavein the absenceof crane as specified in BS6656:1991

表6 BS 6656:1991中規定的存在起重機時的連續無線電波防爆安全功率閾值Table6 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wave in thepresence of crane as specified in BS 6656:1991

5 煤礦井下無線電波防爆安全功率閾值

英國標準BS 6656:1991規定I類環境中連續無線電波工作頻率大于30 MHz時，無論是否有起重機等細長環形結構物體，連續無線電波防爆安全功率閾值均為8 W。煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值沒有執行6 W之前，漏泄、感應、透地、多基站等礦井無線通信系統已廣泛應用于煤礦井下，未見有引起瓦斯和煤塵爆炸事故的案例。因此，不加區分地將煤礦井下的連續無線電波防爆安全功率閾值定為6 W，缺乏理論分析和實驗驗證。特別是5G，WiFi6，UWB，ZigBee等礦用移動通信系統及人員和車輛定位系統，工作頻率較高，一般在GHz以上（不包括700 MHz的5G等），無論是否有起重機等細長環形結構物體，連續無線電波防爆安全功率閾值應為8 W。

英國標準BS 6656:2002及歐洲標準CLC/TR 50427:2004均規定沒有起重機等細長環形結構物體的I類環境中連續無線電波防爆安全功率閾值為8 W；有起重機等細長環形結構物體的I類環境中連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W。這是因為起重機的吊繩和接地回路很容易形成一個大的環形結構（圖1），當這個大的環形結構作為接收天線時，接收效率高、阻抗大，在無線電波功率一定的條件下，更容易引起爆炸性氣體混合物爆炸。煤礦井下一般沒有起重機。煤礦井下為受限空間，巷道較長（可達10 km），但巷道斷面較小。煤礦巷道斷面一般寬度不大于6.2 m，高度不大于4.2 m，周長不大于20.8 m。神華神東煤炭集團有限責任公司上灣煤礦最大巷道斷面寬度為6.3 m，高度為6.2 m，周長為25 m，是目前世界最大的巷道斷面。沿巷道軸向敷設的電纜、水管、鐵軌、鋼絲繩、架空線、膠帶架等軸向導體細長，但不會形成利于無線電波接收的環形天線。巷道工字鋼支護等橫向導體可以形成利于無線電波接收的環形天線，但周長一般不大于20.8 m，最大為25 m，工字鋼導體截面大，不滿足細長結構特征。綜采工作面液壓支架可以形成環形結構，但液壓支架千斤頂將其分為多個環形結構，臨近采煤機和刮板輸送機的環形結構最大，周長一般不大于25 m，支架導體截面大，不滿足細長結構特征。因此，煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值應選擇沒有能作為接收天線的細長環形結構物體條件下的8 W。

圖1 起重機構成的環形結構Fig.1 The annular structure composed of crane

6 結論

（1）GB/T 3836.1?2021對IEC 60079-0:2017的相關內容進行了修改采用，規定煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W。IEC 60079-0:2017中對煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值6 W的規定，參考了歐洲標準CLC/TR 50427:2004中的相關內容。歐洲標準CLC/TR 50427:2004規定當爆炸性環境中存在能作為接收天線的細長結構物體（如起重機）時，連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W；當爆炸性環境中不存在能作為接收天線的細長結構物體（如起重機）時，連續無線電波防爆安全功率閾值為8 W。GB/T 3836.1?2021和IEC 60079-0:2017省去了當爆炸性環境中不存在能作為接收天線的細長結構物體（如起重機）時，連續無線電波防爆安全功率閾值為8 W這一條款；不加區分地規定I類環境中連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W，缺乏必要的理論分析和實驗驗證。

（2）英國標準BS 6656:1991規定I類環境中連續無線電波工作頻率大于30 MHz時，無論是否有起重機等細長環形結構物體，無線電波防爆安全功率閾值均為8 W。煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值沒有執行6 W之前，漏泄、感應、透地、多基站等礦井無線通信系統已廣泛應用煤礦井下，未見有引起瓦斯和煤塵爆炸事故的案例。因此，不加區分地將煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值定為6 W，缺乏理論分析和實驗驗證。特別是5G，WiFi6，UWB，ZigBee等礦用移動通信系統及人員和車輛定位系統工作頻率較高，一般在GHz以上（不包括700 MHz的5G等），無論是否有起重機等細長環形結構物體，連續無線電波防爆安全功率閾值應為8 W。

（3）英國標準BS 6656:2002及歐洲標準CLC/TR 50427:2004均規定沒有起重機等細長環形結構物體的I類環境中連續無線電波防爆安全功率閾值為8 W；有起重機等細長環形結構物體的I類環境中連續無線電波防爆安全功率閾值為6 W。煤礦井下一般沒有起重機。煤礦井下為受限空間，巷道較長（可達10 km），但巷道斷面較小，周長最大為25 m。沿巷道軸向敷設的電纜、水管、鐵軌、鋼絲繩、架空線、膠帶架等軸向導體細長，但不會形成利于無線電波接收的環形天線。巷道工字鋼支護等橫向導體可以形成利于無線電波接收的環形天線，但周長最大為25 m，工字鋼導體截面大，不滿足細長結構特征。綜采工作面液壓支架可以形成環形結構，但液壓支架千斤頂將其分為多個環形結構，臨近采煤機和刮板輸送機的環形結構最大，周長一般不大于25 m，支架導體截面大，不滿足細長結構特征。因此，煤礦井下連續無線電波防爆安全功率閾值應選擇沒有能作為接收天線的細長結構物體（如起重機）條件下的8 W。