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(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京 100083；3.國能信息技術(shù)有限公司，北京 100011；4.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所無線傳感網(wǎng)與通信重點實驗室，上海 200050）

0 引言

為防止煤礦井下無線設(shè)備發(fā)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(shù)量，增加系統(tǒng)成本和維護工作量，不利于5G，WiFi6，UWB，ZigBee等礦用移動通信系統(tǒng)及人員和車輛定位系統(tǒng)在煤礦井下應(yīng)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(tǒng)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(nèi)外學(xué)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布的GB/T 3836.1?2021《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》規(guī)定用于煤礦瓦斯（主要是甲烷）氣體環(huán)境的I類環(huán)境設(shè)備連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為6 W。歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會（European Committee for Electrotechnical Standardization，CENELEC）發(fā)布的歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》規(guī)定用于煤礦瓦斯（主要是甲烷）氣體環(huán)境的I類環(huán)境設(shè)備連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為8 W（除起重機等細(xì)長結(jié)構(gòu)外）。因此，有必要進(jìn)行相關(guān)研究，提出合理的煤礦井下連續(xù)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(guī)定了9 kHz～60 GHz的連續(xù)無線電波和脈沖時間超過熱起燃時間的脈沖發(fā)射無線電波（以下簡稱連續(xù)無線電波）防爆安全功率閾值（發(fā)射器的有效輸出功率與天線增益的乘積），見表1，同時規(guī)定發(fā)射器硬件的物理發(fā)射功率必須滿足要求，不得采用程序進(jìn)行設(shè)定或?qū)浖M(jìn)行控制的方式；規(guī)定了脈沖時間比熱起燃時間短的脈沖雷達(dá)或其他發(fā)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(fā)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(guī)定的連續(xù)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(guī)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(shè)備用于煤礦瓦斯氣體環(huán)境；II類設(shè)備用于除煤礦瓦斯氣體環(huán)境之外的其他爆炸性氣體環(huán)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(shè)備用于除煤礦之外的爆炸性粉塵環(huán)境。

2 甲烷氣體環(huán)境無線電波防爆安全功率閾值研究現(xiàn)狀

1979年，P.S.Excell等[1]通過設(shè)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(jié)果表明，連續(xù)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(xù)無線電波工作頻率為10 MHz以下環(huán)形金屬結(jié)構(gòu)和9 GHz以下偶極子類型的金屬結(jié)構(gòu)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(fā)射機發(fā)射的連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值。D.P.Howson等[3]通過設(shè)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(xù)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(jié)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(xù)無線電波工作頻率為1.8～21 MHz、作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)的接收效率為30%時，產(chǎn)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(yuǎn)處基站發(fā)射功率為20 kW、連續(xù)無線電波工作頻率為2.8 MHz時，連續(xù)無線電波輻射能量耦合到天然氣輸氣站內(nèi)環(huán)形金屬結(jié)構(gòu)（起重機）時產(chǎn)生的電壓和功率，結(jié)果表明，在起重機構(gòu)成的周長為56 m環(huán)形結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)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(jié)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(jù)無線電波波長與金屬結(jié)構(gòu)尺寸的相對大小，將金屬結(jié)構(gòu)等效為電小尺寸和電大尺寸的接收天線進(jìn)行了研究，認(rèn)為在金屬結(jié)構(gòu)的斷點處直接擊穿空氣、產(chǎn)生放電火花需要非常大的電壓；發(fā)射器發(fā)射大功率無線電波，金屬結(jié)構(gòu)感應(yīng)的電壓一般不會產(chǎn)生放電火花；但如果斷點之間發(fā)生刮擦，則較小功率的無線電波輻射能量耦合到金屬結(jié)構(gòu)上也能產(chǎn)生放電火花。1987年，R.A.James等[9]質(zhì)疑了英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6 656所有的假設(shè)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(fā)可燃性氣體爆炸的風(fēng)險，認(rèn)為這會給企業(yè)增加不必要的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，并用概率分析方法分析了各種假設(shè)下引發(fā)可燃性氣體爆炸的概率。1988年，P.S.Excell等[10]總結(jié)了無線電波輻射能量耦合到作為等效接收天線的金屬結(jié)構(gòu)上的效率計算公式，經(jīng)過分析認(rèn)為，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)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(jié)構(gòu)時，產(chǎn)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(fā)射天線距井下金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)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(fā)4收的多天線發(fā)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(fā)煤礦井下瓦斯爆炸的風(fēng)險，結(jié)果表明，在安全距離為0.25 m范圍內(nèi)沒有能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)時，不會引發(fā)礦井瓦斯爆炸。Meng Jijian[13]分析研究了煤礦井下連續(xù)無線電波發(fā)射功率能否突破有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6 W，通過火花實驗臺，進(jìn)行了發(fā)射功率為10 W的連續(xù)無線電波點火實驗，結(jié)果表明，連續(xù)無線電波發(fā)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(fā)射功率的疊加計算問題，認(rèn)為采用直接相加的方式，將多天線發(fā)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(fā)射功率，不利于5G通信在煤礦井下的應(yīng)用。2022年，張勇[15]研究了連續(xù)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(fā)射功率為10，50，100，200 W時，等效環(huán)形接收線圈斷點處產(chǎn)生的電壓，發(fā)現(xiàn)近場諧振耦合的能量傳輸效率較高，金屬斷點處可以產(chǎn)生較大的電壓，但難以擊穿空氣產(chǎn)生電火花。

可以看出，國內(nèi)外學(xué)者對煤礦井下連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值6 W存在爭議，認(rèn)為現(xiàn)行的煤礦井下連續(xù)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(tǒng)及人員和車輛定位系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)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(fā)布的IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了修改采用，規(guī)定煤礦井下連續(xù)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(xù)無線電波防爆安全功率閾值6 W的規(guī)定，參考了CENELEC發(fā)布的歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004的相關(guān)內(nèi)容。CLC/TR 50427:2004中規(guī)定了不同爆炸性氣體環(huán)境類別的代表性氣體（表3）及不同爆炸性氣體環(huán)境的連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值（表4）。從表4可看出，I類環(huán)境中連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值分為2類：當(dāng)爆炸性環(huán)境中存在能作為接收天線的細(xì)長結(jié)構(gòu)物體（如起重機）時，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為6 W；當(dāng)爆炸性環(huán)境中不存在能作為接收天線的細(xì)長結(jié)構(gòu)物體（如起重機）時，連續(xù)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(dāng)爆炸性環(huán)境中不存在能作為接收天線的細(xì)長結(jié)構(gòu)物體（如起重機）時，I類環(huán)境中連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為8 W這一條款；不加區(qū)分地規(guī)定I類環(huán)境中連續(xù)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(guī)定的不同爆炸性氣體環(huán)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(guī)定的連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004對英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6656:2002《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了等效采用，規(guī)定了無線電波防爆安全功率閾值。英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6656:2002是在BS 6656:1991《Guide to prevention of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation》基礎(chǔ)上修訂。英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6656:1991詳細(xì)規(guī)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(huán)境中不存在起重機，假設(shè)源阻抗為3 000Ω，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值見表5；若爆炸性環(huán)境中存在起重機，連續(xù)無線電波工作頻率為30 MHz以下，假設(shè)源阻抗為7 500Ω，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值見表6；若所有發(fā)射機發(fā)射的連續(xù)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(xù)無線電波防爆安全功率閾值。由表5、表6可看出，I類環(huán)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(xù)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(xù)無線電波防爆安全功率閾值為6 W。

表5 BS 6656:1991中規(guī)定的不存在起重機時的連續(xù)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(guī)定的存在起重機時的連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)BS 6656:1991規(guī)定I類環(huán)境中連續(xù)無線電波工作頻率大于30 MHz時，無論是否有起重機等細(xì)長環(huán)形結(jié)構(gòu)物體，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值均為8 W。煤礦井下連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值沒有執(zhí)行6 W之前，漏泄、感應(yīng)、透地、多基站等礦井無線通信系統(tǒng)已廣泛應(yīng)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(qū)分地將煤礦井下的連續(xù)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(tǒng)及人員和車輛定位系統(tǒng)，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(xì)長環(huán)形結(jié)構(gòu)物體，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值應(yīng)為8 W。

英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6656:2002及歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004均規(guī)定沒有起重機等細(xì)長環(huán)形結(jié)構(gòu)物體的I類環(huán)境中連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為8 W；有起重機等細(xì)長環(huán)形結(jié)構(gòu)物體的I類環(huán)境中連續(xù)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(huán)形結(jié)構(gòu)（圖1），當(dāng)這個大的環(huán)形結(jié)構(gòu)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(dá)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(zé)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(shè)的電纜、水管、鐵軌、鋼絲繩、架空線、膠帶架等軸向?qū)w細(xì)長，但不會形成利于無線電波接收的環(huán)形天線。巷道工字鋼支護等橫向?qū)w可以形成利于無線電波接收的環(huán)形天線，但周長一般不大于20.8 m，最大為25 m，工字鋼導(dǎo)體截面大，不滿足細(xì)長結(jié)構(gòu)特征。綜采工作面液壓支架可以形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，但液壓支架千斤頂將其分為多個環(huán)形結(jié)構(gòu)，臨近采煤機和刮板輸送機的環(huán)形結(jié)構(gòu)最大，周長一般不大于25 m，支架導(dǎo)體截面大，不滿足細(xì)長結(jié)構(gòu)特征。因此，煤礦井下連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值應(yīng)選擇沒有能作為接收天線的細(xì)長環(huán)形結(jié)構(gòu)物體條件下的8 W。

圖1 起重機構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)Fig.1 The annular structure composed of crane

6 結(jié)論

（1）GB/T 3836.1?2021對IEC 60079-0:2017的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了修改采用，規(guī)定煤礦井下連續(xù)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(xù)無線電波防爆安全功率閾值6 W的規(guī)定，參考了歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004中的相關(guān)內(nèi)容。歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004規(guī)定當(dāng)爆炸性環(huán)境中存在能作為接收天線的細(xì)長結(jié)構(gòu)物體（如起重機）時，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為6 W；當(dāng)爆炸性環(huán)境中不存在能作為接收天線的細(xì)長結(jié)構(gòu)物體（如起重機）時，連續(xù)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(dāng)爆炸性環(huán)境中不存在能作為接收天線的細(xì)長結(jié)構(gòu)物體（如起重機）時，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為8 W這一條款；不加區(qū)分地規(guī)定I類環(huán)境中連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)BS 6656:1991規(guī)定I類環(huán)境中連續(xù)無線電波工作頻率大于30 MHz時，無論是否有起重機等細(xì)長環(huán)形結(jié)構(gòu)物體，無線電波防爆安全功率閾值均為8 W。煤礦井下連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值沒有執(zhí)行6 W之前，漏泄、感應(yīng)、透地、多基站等礦井無線通信系統(tǒng)已廣泛應(yīng)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(qū)分地將煤礦井下連續(xù)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(tǒng)及人員和車輛定位系統(tǒng)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(xì)長環(huán)形結(jié)構(gòu)物體，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值應(yīng)為8 W。

（3）英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6656:2002及歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004均規(guī)定沒有起重機等細(xì)長環(huán)形結(jié)構(gòu)物體的I類環(huán)境中連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為8 W；有起重機等細(xì)長環(huán)形結(jié)構(gòu)物體的I類環(huán)境中連續(xù)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(dá)10 km），但巷道斷面較小，周長最大為25 m。沿巷道軸向敷設(shè)的電纜、水管、鐵軌、鋼絲繩、架空線、膠帶架等軸向?qū)w細(xì)長，但不會形成利于無線電波接收的環(huán)形天線。巷道工字鋼支護等橫向?qū)w可以形成利于無線電波接收的環(huán)形天線，但周長最大為25 m，工字鋼導(dǎo)體截面大，不滿足細(xì)長結(jié)構(gòu)特征。綜采工作面液壓支架可以形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，但液壓支架千斤頂將其分為多個環(huán)形結(jié)構(gòu)，臨近采煤機和刮板輸送機的環(huán)形結(jié)構(gòu)最大，周長一般不大于25 m，支架導(dǎo)體截面大，不滿足細(xì)長結(jié)構(gòu)特征。因此，煤礦井下連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值應(yīng)選擇沒有能作為接收天線的細(xì)長結(jié)構(gòu)物體（如起重機）條件下的8 W。