编者按

为展现首都科技创新的丰硕成果，彰显科技工作者服务国家重大战略的责任与使命担当，科协频道特开设“首都优秀科技成果”专栏。专栏聚焦科技工作者公开发表于“首都卓越行动计划”入选科技期刊的部分优秀成果，以权威内容为核心，以专业视角为支撑，致力于搭建起学术成果交流与展示的桥梁。

成果标题

Ignition mechanism of methane by 5G electromagnetic waves and power safety thresholds in underground coal mines

（煤矿井下 5G 电磁波瓦斯引燃机理及功率安全阈值）

成果简介

5G技术凭借其大带宽、低时延和广连接等优势，在煤矿行业的智能化转型中展现出巨大潜力。针对5G射频信号在煤矿井下使用可能引发瓦斯爆炸的潜在风险，以及现行标准对5G射频应用的局限性展开系统性研究。首先，对现有防爆标准进行了溯源与分析，阐明其历史演进与适用范围，并建立了煤矿井下射频设备发射端安全阈值评价体系。随后，综合考虑低温等离子体动力学、电磁波传播理论和瓦斯爆炸反应动力学等因素，构建了空气/甲烷混合气体环境中电磁波功率安全阈值的通用计算模型。通过半波振子天线的参数匹配设计，实现了射频能量对放电电极的有效馈入，并在试验室条件下完成了瓦斯点燃试验。结果表明，射频能量能够引燃瓦斯，且安全阈值受到调制方式、频率、温湿度、能量积聚、天线增益及多源叠加等多重因素的共同影响。研究发现，5G NR 700 MHz频段电磁波的功率安全阈值不低于43.3 W；以发射端作为评价指标时，不需要考虑天线增益对安全阈值的影响。基于相关系数与天线分集的方法可有效量化多源叠加对安全评估的影响，并指出在满足特定条件时可忽略多源叠加，从而提升射频功率的利用效率。本研究明确了煤矿井下700 MHz频段5G基站的功率安全阈值，为其他频段及射频设备的安全研究提供了参考，并强调了修订相关标准的重要性，以便在复杂井下环境中更加精准地评估电磁波引燃易燃气体的风险，从而助力煤矿行业的智能化转型与安全生产。

成果评荐

国家能源安全和煤炭行业高质量发展的时代背景下，5G作为新一代信息基础设施，正在加速融入矿山一线。近年来，我国多座矿井相继建成5G专网，这已成为煤矿智能化建设的重要标志。依托大带宽、低时延、高可靠等优势，5G广泛应用于井下通信、远程控制、智能巡检、无人驾驶等关键场景，成为支撑智能矿山建设的核心技术之一。

受现行防爆标准将井下射频设备等效全向辐射功率统一限定为6W 的约束，井下5G网络建设长期只能依赖发射功率250 mW或500 mW的室分设备，经防爆改造后“勉强下井”，单站覆盖半径通常仅 100～200 m，在采掘工作面等关键区域的有效覆盖往往不足30m。对于大型矿井而言，为实现连续、稳定的高质量覆盖，往往需要部署上百乃至上千台基站，导致网络建设、运维与迭代成本长期居高不下。与此同时，不少矿井井下5G布设密度仍难以满足业务需求，边缘速率偏低，5G“大带宽、低时延、广连接”的技术优势难以充分释放，制约了5G应用规模化落地。

在现行防爆标准的制约下，井下5G通信基站长期面临“功率提不上、边界量不准、检测跟不上”的突出痛点。究其原因，现行标准的主要技术条款形成于20世纪七八十年代，虽历经多轮修订，但关键限值指标长期未作实质性调整，在技术适用性上存在假设简化不当、调制影响缺失、跨频外推失当、复杂工况判据不足等若干问题。

除井下5G外，4G/Wi-Fi/无线充电等其他井下设备、Ⅱ 类/ Ⅲ类/火工品生产等其他爆炸性场所同样存在能力受限与安全边界难以量化的问题。随着全球人工智能的浪潮，爆炸性场所无线射频设备可预见性增长，准确评估各类场景下的各类设备的射频防爆性能至关重要。

围绕这一关键问题，本研究从“宏观”和“微观”两个层面构建跨尺度研究框架，深入揭示射频电磁能在井下空间形成有效点火源的宏观临界条件和微观动态演变规律，完成了射频电磁能瓦斯引燃机理解析。基于等离子体动力学和电磁波传输理论，构建了射频电磁能多参数防爆安全阈值通用计算模型；针对井下多天线系统的实际工况，提出多源叠加量化评价方法；同时用“发射端端口功率”替代EIRP（等效全向辐射功率）作为核心指标。

“D指导”怎么看？

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成果来源

原文链接：

https://www.mtxb.com.cn/article/doi/10.13225/j.cnki.jccs.2024.1400

来源期刊：

《煤炭学报》( Journal of China Coal Society )，2025年第4期

第一作者简介

张勇

研究员，安标国家中心防爆与电气安全技术标准研究院院长，煤炭无人化开采数智技术全国重点实验室防爆与智能系统安全技术及标准研究室主任，全国防爆电气设备标准化技术委员会(SAC/TC9)委员、全国矿山安全标准化技术委员会（SAC/TC617）委员。长期研究矿用装备基础性、前沿性安全技术，创新性开展煤矿电磁兼容、井下锂电池安全、隔爆外壳新材料、5G电磁波瓦斯安全阈值、煤矿井下无线充电、矿山功能安全与矿井远距离大功率供电等新技术研究。近年来主持/参与国家科技支撑计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、国家矿山安全监察局攻关任务等科研项目30余项；负责《煤矿安全规程》（2025版）“第三编 井工煤矿”中“电气”章节的修订，同时为适应大容量锂电池井下规模化应用的新形势，牵头“井下动力锂电池充电与应用安全”研究专题。发表论文24篇，其中SCI检索6篇；参与著作撰写2部；授权专利13项，软件著作权4项；制定国家、行业标准30余项；获省部级科技奖励10余项；牵头的科研项目获评“2023年煤矿智能化重大进展”“2025年煤炭科学技术创新探索奖”“2026年煤炭无人化开采数智技术重大成果奖”等；作为负责人获评“2023年煤矿智能化卓越团队”。

通信作者简介

郭子文

助理研究员，安标国家中心防爆与电气安全技术标准研究院技术主管，煤炭无人化开采数智技术全国重点实验室科研人员，中国煤炭科工集团“青年高潜人才”，中国自动化学会智慧矿山专委会委员。长期专注于矿用智能化装备安全技术与标准研究，聚焦爆炸性环境中射频电磁能本质安全、井下通信、无线电能传输、激光雷达与检测检验标准体系建设等方向，主持/参与国家科学基金等国家级项目3项、中央企业创新创业资金资助项目5项，承担横向课题10余项；以第一作者或通信作者在《煤炭学报》《JEES》系列等期刊发表SCI/EI论文10余篇，授权中国发明专利20余项、PCT专利2项、美国及德国专利各1项；参与制定国家强制性标准3项、行业标准6项；获评“2026年煤炭无人化开采数智技术重大成果奖”“ 中国煤炭科工集团第一届青年创新创效大赛银奖”“世界智慧矿山大会优秀学术报告奖”等。

第二作者简介

孟积渐

安标国家中心技术专家，煤炭无人化开采数智技术全国实验室防爆与智能系统安全标准研究室副主任、矿山安标委防爆与设备分标委委员、煤矿安全标委会气体检测及救护器材分会委员、“一带一路”国际矿山标准化工作组副秘书长、ISO/TC82/TF5召集人、ISO/TC127 JTF1联合召集人、ISO/TC82国内技术对口工作组成员、IEC/TC31国内技术对口工作组成员。近年主持参与国家、行业和中煤科工集团科技项目等科研项目30余项，获省部级、中央企业级科技进步奖5项，牵头、主导或参与制定国家、行业、团体标准20余项。获2023年煤炭青年科技奖，获评2023年煤矿智能化卓越人物。

第三作者简介

陈湘源

国能榆林能源有限责任公司科信部部长，安全管理工程和软件工程双硕士学位，中国矿山安全学会煤矿监控与通信专业委员会委员，中国煤炭工业技术委员会智能化与新技术专家委员会委员，中国煤炭学会自动化专业委员会委员。长期从事煤矿智能化与新技术研究，在中文核心期刊、科技期刊发表论文30余篇。

第四作者简介

王晓峰

国能榆林能源有限责任公司信息智能管理中心经理。长期致力于煤矿机电管理与智能化建设，授权中国发明专利7项，发表学术论文4篇。牵头完成5项国能榆林能源智能矿山建设项目，作为骨干成员参与3个省部级科研项目，在矿山数字化转型与技术革新方面作出了重要贡献。

第五作者简介

陈晓晶

研究员，中煤科工集团常州研究院有限公司副总经理，国家煤矿智能化专家库，《工矿自动化》杂志第三届青年专家委员会主任，第四届矿山机电与辅助运输专家委员会委员，第五届煤矿专用设备标准化技术委员会煤田勘探设备分会委员。近二十年专注煤矿自动化、数字化与智能化研发与工程实践，主持或参与省部级及公司自研科研项目20余项，其中省部级项目6项；成果荣获省部级一等奖2项、二等奖9项、三等奖2项。

第六作者简介

陈海舰

中煤科工集团常州研究院有限公司通信分院院长，先后从事矿用通信仪表设备安标技术审查及检测检验、企业科研管理工作，目前致力于通信定位产业研发组织与推广工作。参与国家级科研项目4项，主持或参与省部级科研项目8项；组织完成了融合通信定位系统与平台升级优化和新标准认证。主持及参与完成的科技成果经鉴定达“国际领先水平”5项、“国际先进水平”3项。申请发明专利28项，获中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖1项、二等奖2项，获江苏省煤炭学会科技进步奖一等奖1项等。

期刊简介

《煤炭学报》创刊于1964年，是由中国科学技术协会主管，中国煤炭学会主办的面向国内外发行的煤炭科学技术方面的综合性学术刊物。目前被Ei、Scopus、CSCD等国内外20多种重要数据库收录，核心总被引频次、核心影响因子、综合评价总分等期刊主要引证指标多年稳居能源科学综合类学科第1位。期刊曾荣获“首届国家期刊奖”、第五届出版政府奖、全国“百强报刊”等多项国家级期刊奖项，连续13年被评为“中国最具国际影响力学术期刊”，连续17次荣获“百种中国杰出学术期刊”称号，2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划领军期刊”“首都科技期刊卓越行动计划重点中文科技期刊”。

来源：《煤炭学报》

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