煤矿井下无线电波对人体的影响

丁序海，潘涛，彭铭，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. 国能信息技术有限公司，北京 100011；3. 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；4. 中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院，北京 100083）

0 引言

矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统是煤矿智能化建设的基础，是煤矿安全高效生产的重要保障。用于煤矿井下的5G，WiFi6，UWB，ZigBee 等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等发射的较大功率无线电波会影响煤矿井下作业人员健康[1-5]。因此，本文研究了煤矿井下无线电波对人体的影响，提出了煤矿井下无线电波发射限值，可避免或减少煤矿井下电磁辐射对人体的伤害。

1 电磁辐射对人体的作用

1.1 比吸收率

比吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）是描述电磁辐射对人体作用的物理量，表示人体组织单位时间、单位质量所吸收的电磁辐射能量[6]。SAR 与电磁辐射频率、电磁辐射强度、人体暴露时间、人体尺寸和人体电介质特性等有关。SAR 分为全局SAR和局部SAR：全局SAR 是整个人体内平均的SAR；局部SAR 是人体某个部位的SAR。

全局SAR 为[7]

式中：t为人体暴露时间， s；W为人体吸收的电磁辐射能量， J；m为 人体组织的质量， kg； ρ为人体组织的密度，kg/m3；V为人体组织的体积， m3。

局部SAR 为

式中： σ为人体组织的电导率，S/m；E1为人体组织中电场强度的有效值，V/m。

1.2 人体不同组织对电磁辐射的吸收

人体不同组织具有不同的密度和电介质特性，因此，人体不同组织对电磁辐射的吸收能力不同，受到电磁辐射危害也不同。对动物或生物组织，SAR 分布可以直接通过测量的方式来获取，如测温法、测场强法等。但人体的SAR 分布，特别是人体内部机能组织或器官的SAR 分布，很难通过直接测量的方式来获取，因此，现有研究主要通过计算电磁学算法模拟计算得出。

2015 年，B.Kaur 等[8]研究了电磁辐射对人体各个器官的影响，认为电磁辐射对眼睛、耳廓和大脑等组织的影响最大。2019 年，禹忠等[9]采用时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain，FDTD）方法研究了工作频率为26 GHz 的电磁辐射对人体不同部位的影响，发现下肢组织的SAR 比心脏和人脑部分的SAR 低。2020 年，赵雪龙等[10]采用基于FDTD 方法的Sim4Life 电磁仿真软件研究了暴露于P-X 波段的人体内不同器官的SAR，结果表明：无线电波频率越高，越难以穿透进入身体内部，即对应的内部器官的SAR 越低；当射频源位于人体正前方时，眼睛、睾丸等器官的SAR 相对较高；当射频源位于人体正后方时，大脑、小脑等器官的SAR 相对较高。2022 年，杜丹等[11]通过在实验室测量暴露在1～6 GHz 电磁辐射下活体老鼠不同部位的SAR，发现眼睛、大脑和睾丸等器官对电磁辐射最为敏感。

1.3 电磁辐射对人体头部的影响

人体头部对电磁辐射较敏感，并且头部有丰富的神经组织等，因此，电磁辐射作用于头部时，对人体健康的危害更大。

1998 年，P. S. Excell[12]采用FDTD 方法模拟了在接听电话时人体头部的SAR 分布，设定手机发射功率为1 W，头部模型分辨率为2 mm，计算得出在无线电波工作频率为900 MHz 下的头部任意10 g 组织最大平均SAR 为2.8 W/kg，在无线电波工作频率为1.8 GHz 下的头部任意10 g 组织最大平均SAR 为5.8 W/Kg。2005 年，R. A. Abd-Alhameed 等[13]采用矩量法（Method of Moments，MoM）/FDTD 混合方法，模拟在距通信基站不同距离下人体的SAR 分布，计算得出在900 MHz 时，半波偶极子天线距离头部前面0.5，1，2 个波长时，头部任意10 g 组织最大平均SAR 分别为0.764，0.245，0.069 W/kg，半波偶极子天线距离头部后面0.5，1，2 个波长时，头部任意10 g 组织最大平均SAR 分别为0.351，0.106，0.035 W/kg。2009 年，侯建强等[14]采用FDTD 方法计算了当发射功率为1 W 的手机垂直于人体头部放置时，整个人体头部平均SAR 为0.04 W/kg，头部任意10 g 组织的最大平均SAR 为3.391 W/kg。2015 年，黄子健等[15]采用基于FDTD 方法的XFdtd 仿真软件，模拟了工作频率为900，2 400 MHz，发射功率为100 mW 的路由设备距人体不同距离时的SAR，结果表明，在任何距离下人体头部平均SAR 均没有超过国际非电离辐射防护委员会（International Commission on Non Ionizing Radiation Protection，ICNIRP）规定的0.08 W/kg 限值，但在距离小于5 mm 时任意10 g 组织的最大平均SAR 超过了ICNIRP 规定的2 W/kg。2019 年，白杨等[16]建立了人体头部模型，将头部模型分为7 层，分别赋予不同的密度和电介质参数，采用高阶有限元方法模拟了在工作频率为900 MHz 下的平 面 倒F 天 线（Planar Inverted F-shaped Antenna，PIFA）手机距离人体头部1 mm 时的SAR，发现未超过我国2 W/kg 的SAR 限值。张一凡等[17]采用FDTD 方法计算了人体头部在工作频率为5.8 GHz、发射功率为500 W 的通信基站下的人体头部SAR，并与ICNIRP 规定的限值进行比较，认为在通信基站天线的主瓣、旁瓣、后瓣方向上的安全距离分别为25，3，2 m。2020 年，P. Zradziński 等[18]通过将头部建模为多层椭球体，并将皮肤、脂肪、骨和脑分别设置不同的密度和电介质参数，采用FDTD 方法模拟了2.4 GHz 可穿戴设备置于头带或头盔上时头部的SAR，发现当射频模块位于头带时的SAR 比位于头盔上时高10 倍，且当天线发射功率超过50 mW 时，头部任意10 g 组织的最大平均SAR 可能超过公众暴露限值（2 W/kg），而当天线发射功率超过250 mW 时，头部任意10 g 组织的最大平均SAR 可能超过职业暴露限值（10 W/kg）。2021 年，陈登鹏等[19]通过建立3 层人体头部模型，采用COMSOL 仿真软件模拟了常用的4 种5G 手机工作频率（3 500，2 600，1 900，900 MHz）下，发射功率为21，24 dB·m 时，人体头部不同组织层的SAR 和温度场分布，发现均未超过ICNIRP 规定的限值（2 W/kg），且在1 900 MHz 时皮肤层的SAR 最大，达0.715 W/kg，对应的皮肤表面温度达37.209 ℃，该温度变化不会产生生理损伤；当发射天线与头部的距离从0.5 cm 增大到3 cm 时，皮肤层SAR 减小50.2%。

1.4 SAR 限值

2007 年，国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布的GB 21288-2007《移动电话电磁辐射局部暴露限值》对人体在使用30 MHz～6 GHz 的射频设备时头部SAR 做出了相应的限制，规定在任意10 g 人体组织、任意连续6 min 平均SAR 不得超过2 W/kg。2020 年，国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布的GB 21288-2020《移动电话电磁辐射暴露限值》（报批稿）对职业暴露和公众暴露做了区分，给出了人体局部SAR 限值。

目前国际上对电磁辐射的限制标准主要有欧洲和北美两大阵营[20]。欧洲绝大部分国家、新加坡、新西兰、巴西、以色列、土耳其、南非等主要遵从ICNIRP 推出的指南《Guidelines for Limiting Exposure to Electromagnetic Fields（100 kHz to 300 GHz）》。美国、加拿大、日本、韩国等主要遵从美国电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）推出的标准IEEE Std C95.1-2019《IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields, 0 Hz to 300 GHz》。这2 个标准都对暴露在电磁辐射下的人体SAR 进行了限制，都认为当电磁辐射被人体吸收或消耗导致人体温度升高1 ℃以上时会对身体健康造成影响。ICNIRP 和IEEE 的标准都区分了职业暴露和公众暴露，职业暴露适用于工作场所，而公众暴露适用于公共环境。职业暴露者是指在与职业职责相关的受控条件下暴露的成年人经过培训，能够意识到潜在的电磁辐射风险，并懂得如何避免这些风险。普通公众是指所有年龄段和具有不同健康状况的个体，包括身体脆弱的群体或个人，他们可能不了解电磁辐射的危害或无法控制他们接触电磁辐射。各标准的SAR 限值见表1，其中全局SAR 限值为任意30 min 整个人体总的平均SAR 限值，局部SAR 限值为任意6 min 内对应部位的任意10 g 组织的最大平均SAR 限值。从表1 可看出，头部和躯干的局部SAR 限值比四肢的局部SAR 限值小，这是因为头部和躯干比四肢对电磁辐射更为敏感；全局SAR 限值比局部SAR 限值小，这是因为局部SAR 是人体某个部位上任意10 g 组织的平均SAR 峰值，全局SAR 是基于人体总质量的平均SAR。

表 1 现有不同标准的SAR 限值Table 1 SAR limits of existing standards

2 有限空间电磁辐射对人体的影响

2010 年，T. A. J. Mary 等[21]采用MoM 模拟了自由空间、部分封闭电梯和全封闭电梯中使用手机时的人体SAR，结果表明，在全封闭电梯中使用手机的人体SAR 最大，在半封闭电梯中使用手机的人体SAR 比自由空间中使用手机的人体SAR 大。2011 年，A. Y. Simba 等[22]采用FDTD 方法研究在金属墙附近使用工作频率为900 MHz 的移动电话时，对任意10 g 组织的最大平均SAR 的影响，结果表明，人体模型放置在距金属墙64 mm，移动电话距人体16，22，30 mm 时，得到的SAR 比在自由空间的SAR 分别高38%、54%和82%。2012 年，S. W. Leung 等[23]采用FDTD 方法，研究了汽车内发射功率为1 W 的移动电话使用者的SAR 分布，结果表明，移动电话使用者在车内的全局SAR 比在自由空间的SAR 高5%。C.Lazarescu 等[24]采用电磁仿真软件CST，模拟了人体靠近墙壁或在金属电梯内使用移动电话时的SAR 分布情况，结果表明，人体头部的SAR 比在自由空间的SAR 大。2015 年，孙继平[3]认为在井下狭小环境中发射天线距离人体较近，发射天线应远离固定岗位作业人员，避免作业人员长时间暴露于电磁辐射，天线应尽量布置在巷道顶部。2018 年，周文颖等[25]采用电磁仿真软件HFSS，模拟了地铁司机暴露在地铁专用无线通信系统时的人体SAR 和电场强度，认为地铁司机的暴露限值应采用职业暴露限值，结果表明，模拟得到的地铁司机的暴露值小于ICNIRP 规定的职业暴露限值。2022 年，Li Jin 等[26]采用电磁仿真软件COMSOL，模拟了地铁站台内人体暴露于泄漏同轴电缆时的安全性，结果表明，人体SAR 和引起的人体温升均低于ICNIRP 规定的限值。M. A.Ashraf 等[27]采用电磁仿真软件CST，分析了工作频率为2.4 GHz 和868 MHz 的井下可穿戴设备对井下作业人员的健康影响，结果表明：矿井巷道壁的无线电波反射、衍射和散射等，会增强井下作业人员身体对电磁辐射的吸收；在金属拱门附近，金属结构增强了反射，导致作业人员身体的SAR 增高；头部和躯干组织的电介质特性不同，躯干的SAR 低于头部的SAR；外部组织（如头部和躯干）在2.4 GHz 时的SAR 高于在868 MHz 时的SAR，内部组织（如脑脊液、肾脏）在868 MHz 时的SAR 高于在2.4 GHz 时的SAR，这是因为低频比高频更能穿透人体内部。

3 煤矿井下无线电波发射限值

3.1 无线电波发射限值

1988 年，国家卫生部发布的GB 9175-1988《环境电磁波卫生标准》将100 kHz～300 GHz 波段的电场强度和功率密度限值分为2 个等级，一级标准是居民区必须满足的最低要求，二级标准适用于工厂和机关等非居民住宅区，见表2。1988 年，国家环境保护局发布的GB 8702-1988《电磁辐射防护规定》区分了公众暴露和职业暴露限值，规定了每天8 h 工作时间内职业暴露电磁辐射限值和每天24 h 内公众暴露的电场强度、磁场强度和功率密度限值，见表3。1989 年，国家卫生部发布的GB 10437-1989《作业场所超高频辐射卫生标准》规定了1 d 内8 h 和4 h 暴露于30～300 MHz 连续波或脉冲波的电场强度和功率密度限值，见表4。1989 年，国家卫生部发布的GB 10436-1989《作业场所微波辐射卫生标准》对频率范围为300 MHz～300 GHz 的固定波束脉冲波、非固定波束脉冲波和连续波分别规定了功率密度限值，见表5。1990 年，国家技术监督局发布的GB 12638-1990《微波和超短波通信设备辐射安全要求》规定了1 d 内8 h 或24 h 暴露于30 MHz～300 GHz 连续波或脉冲波的电场强度和功率密度限值，见表6，若大于规定的限值，需采取戴微波护目镜、穿微波护身衣等相应的防护措施。1996 年，国家环境保护局发布的HJ/T 10.3-1996《辐射环境保护管理导则 电磁辐射环境影响评价方法与标准》将由国家环境保护局负责审批的大型项目的电磁辐射限值取GB 8702-1988 中场强限值的1 /，或功率密度限值的1 /2 ；其他项目则取场强限值的1 /，或功率密度限值的1 /5作为评价标准。1995 年，国家广播电影电视部发布的GY 5054-1995《广播电视天线电磁辐射防护规范》规定了每天工作8 h 内的职业暴露限值和每天24 h 内的公众暴露限值，见表7。2014 年，环境保护部和国家质量监督检验检疫总局发布的GB 8702-2014《电磁环境控制限值》给出了不同频率下普通公众暴露于电磁辐射环境的限值，见表8，当频率小于100 kHz 时，需要同时小于电场强度和磁感应强度限值，当频率大于100 kHz 时，在远场区，小于电场强度、磁场强度或功率密度的任一限值即可，在近场区，需要同时小于电场强度和磁场强度限值。2017 年，中央军委装备发展部发布的GJB 5313A-2017《电磁辐射暴露限值和测量方法》将电磁辐射区域分为作业区和生活区，对不同的暴露时间给出了不同限值，见表9。2019 年IEEE 推出的标准Std C95.1-2019 和2020 年ICNIRP 推出的指南都对职业暴露和公众暴露做了区分，分别给出了相应的限值，见表10 和表11。

表 2 GB 9175-1988 规定的电场强度和功率密度限值Table 2 Limits for electric field strength and power density specified in GB 9175-1988

表 3 GB 8702-1988 规定的电场强度、磁场强度和功率密度限值Table 3 Limits for electric field strength, magnetic field strength and power density specified in GB 8702-1988

表 4 GB 10437-1989 规定的电场强度和功率密度限值Table 4 Limits for electric field strength and power density specified in GB 10437-1989

表 5 GB 10436-1989 规定的功率密度限值Table 5 Limits for power density specified in GB 10436-1989

表 6 GB 12 638-1990 规定的电场强度和功率密度限值Table 6 Limits for electric field strength and power density specified in GB 12 638-1990

表 7 GY 5054-1995 规定的电场强度、磁场强度和功率密度限值Table 7 Limits for electric field strength, magnetic field strength and power density specified in GY 5054-1995

表 8 GB 8702-2014 规定的电场强度、磁场强度、磁感应强度和功率密度限值Table 8 Limits for electric field strength, magnetic field strength,magnetic induction strength and power density specified in GB 8702-2014

表 9 GJB 5313A-2017 规定的电场强度和功率密度限值Table 9 Limits for electric field strength and power density specified in GJB 5313A-2017

3.2 煤矿井下无线电波发射功率限值

5G，WiFi6，UWB，ZigBee 等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等发射的无线电波，会被煤矿井下作业人员人体吸收，当发射的无线电波功率较大时，会对井下作业人员的身体健康造成危害。因此，需要从人体健康的角度，对煤矿井下无线电波发射功率等进行限制。

YD/T 3026-2016《通信基站电磁辐射管理技术要求》中给出了计算自由空间远场区功率密度的计算公式，其中基于天线发射功率和天线增益计算功率密度的公式为

式中：pd为功率密度，W/m2；P为天线发射功率， W；G为天线增益（倍数）；R为测量位置与天线之间的距离，m；f(θ)为 天线垂直面方向性函数，是对G值的修正，当天线主瓣与监测点的俯角θ＜20°时，取f(θ)=1，当 20°＜θ＜70°时，取f(θ)=0.5，当θ＞70°时，取f(θ)=0.2。

基于电场强度计算功率密度的公式为

式中：E2为测量位置处的电场强度，V/m；η0为自由空间阻抗， Ω。

基于磁场强度计算功率密度的公式为

式中H为磁场强度，A/m。

考虑最恶劣情况，即发射天线主瓣与人体轴向正对（f(θ)=1）时，射频阈功率为

煤矿井下无线发射天线一般安装在顶板和巷帮。假设天线距人体距离为1 m，将国内外标准已经规定的功率密度限值、电场强度限值或磁场强度限值代入式（6）中，计算出天线距人体1 m 时无线电波发射功率限值，见表12。

表 10 IEEE Std C95.1-2019 规定的电场强度、磁场强度和功率密度限值Table 10 Limits for electric field strength, magnetic field strength and power density specified in IEEE Std C95.1-2019

无线电波发射功率限值包括作业环境下的职业暴露限值和一般居住环境下的公众暴露限值两大类。职业暴露是指作业人员在电磁辐射环境中暴露时间不大于8 h，且通过培训知晓电磁辐射可能对人体造成伤害和防护措施。煤矿井下作业人员的工作时间为每班工作8 h（3 班倒）或每班工作6 h（4 班倒），且煤矿井下作业人员下井前都需要接受相应的安全培训，了解电磁辐射的危害与防护措施。因此，煤矿井下无线电波发射功率限值应选择全身职业暴露无线电波发射功率限值。根据不同标准计算得到的无线电波发射功率限值不同（表12），基于职业暴露连续无线电波最小功率密度限值，计算得到的无线电波发射功率限值有6.28，7.5，20.83，25.12 W等。为保证煤矿井下作业人员健康安全，煤矿井下无线电波发射功率限值应取全身职业暴露无线电波发射功率最小的限值6.28 W。

表 11 ICNIPR 2020 指南规定的电场强度、磁场强度和功率密度限值Table 11 Limits for electric field strength, magnetic field strength and power density specified in ICNIPR 2020 guideline

表 12 基于现有标准计算得到的无线电波发射功率限值Table 12 Radio wave emission power limits calculated based on existing standards

为防止煤矿井下无线电波发射引起瓦斯爆炸，GB/T 3836.1-2021《爆炸性环境 第1 部分：设备 通用要求》规定煤矿井下无线电波发射功率不大于6 W。因此，取得防爆合格证和矿用安全标志准用证的5G，WiFi6，UWB，ZigBee 等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等，在保证无线发射天线距固定岗位人员大于1 m 的条件下，不会对煤矿井下作业人员造成伤害。

4 结论

（1） 煤矿井下发射的较大功率无线电波会影响煤矿井下作业人员的健康。人体不同部位对电磁辐射吸收能力不同，电磁辐射对人体头部的影响最大。

（2） 无线电波发射功率限值包括职业暴露限值和公众暴露限值两大类。煤矿井下无线电波发射功率限值应选择全身职业暴露无线电波发射功率限值。根据不同标准计算得到的无线电波发射功率限值不同，煤矿井下无线电波发射功率限值应取全身职业暴露无线电波发射功率最小的限值6.28 W。

（3） 为防止煤矿井下无线电波发射引起瓦斯爆炸，GB/T 3 836.1-2021 规定煤矿井下无线电波发射功率不大于6 W。因此，取得防爆合格证和矿用安全标志准用证的5G，WiFi6，UWB，ZigBee 等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等，在保证无线电波发射天线距固定岗位人员大于1 m 的条件下，不会对煤矿井下作业人员造成伤害。