В районах добычи угольных шахт, подземных рудников по добыче металлических и неметаллических руд, а также на некоторых химических предприятиях в окружающей среде длительное время присутствуют горючие газы, такие как метан (CH₄), этан (C₂H₆) и водород (H₂), часто в сочетании с высокими концентрациями угольной пыли. Согласно статье 135 «Правил безопасности в угольных шахтах» (редакция 2022 г.), когда объемная концентрация метана в подземном воздухе достигает от 5% до 15%, она находится в пределах взрываемости. В таких опасных зонах любое неискробезопасное электрическое оборудование, которое генерирует электрические искры, нагретые поверхности или электростатические разряды, может стать источником воспламенения, что приведет к катастрофическим последствиям.

Системные риски отказа связи

Традиционные терминалы связи (такие как обычные аналоговые телефоны и коммерческие радиостанции) в своей конструкции не учитывают механизмы взрывозащищенной изоляции. Их внутренние срабатывания реле, импульсы набора номера, цепи заряда-разряда аккумуляторов и другие звенья склонны к выделению энергии на уровне микроджоулей. Экспериментальные данные показывают, что энергия всего 0,28 мДж может воспламенить метановоздушную смесь (минимальная энергия зажигания, МЭЗ = 0,28 мДж). Как только связь прерывается, это напрямую приводит к следующим последствиям:

• Потеря аварийной командной связи: после аварии диспетчерский центр на поверхности не может передать указания об эвакуации подземному персоналу;
• Слепая зона в ситуационной осведомленности: невозможность получения в реальном времени данных о местоположении персонала и параметрах окружающей среды в ключевых зонах, таких как очистные забои и вентиляционные штреки;
• Риск несоблюдения нормативных требований: нарушение обязательных требований статьи 36 Закона «О безопасности труда» и «Технических условий на строительство шести систем для безопасного укрытия в подземных угольных шахтах», согласно которым система связи должна обеспечивать «полное покрытие, отсутствие слепых зон и высокую надежность».

Согласно отчету об анализе аварий за 2024 год, подготовленному Национальным управлением по безопасности горных работ, из 37 крупных газовых аварий за последние пять лет в 19 случаях имела место задержка реагирования или полный отказ системы связи, при этом среднее время задержки составило 28,6 минуты, что значительно усилило последствия аварий.

Эволюция систем регулирования и стандартов

В глобальном масштабе сформировалась зрелая система стандартов для безопасности электрического оборудования во взрывоопасных средах. В Китае основная база включает:

• Серия стандартов GB 3836 (эквивалентна серии IEC 60079): определяет требования к конструкции, испытаниям и сертификации для таких видов взрывозащиты, как взрывонепроницаемая оболочка (Ex d), искробезопасная цепь (Ex i) и повышенная безопасность (Ex e);
• AQ 1070-2020 «Общие технические условия на взрывозащищенные телефоны для горной промышленности»: уточняет, что шахтные телефоны должны пройти сертификацию безопасности для угольных шахт (МА) и соответствовать показателям экологической адаптации, таким как степень защиты IP54 и рабочая температура от -10℃ до +40℃;
• Документ № [2010] 146 Государственного управления по безопасности труда: предписывает всем угольным шахтам страны усовершенствовать и доработать «Шесть систем», включая систему связи.

Примечательно, что с 2023 года коммуникационное оборудование, вновь подающее заявку на сертификацию МА, должно одновременно соответствовать требованиям к «Уровню защиты оборудования (EPL)» в новой версии GB/T 3836.1-2021, согласно которым оборудование, используемое в среде Группы I (шахтный метан), должно как минимум достигать уровня EPL Ma (что означает, что оборудование не может стать источником воспламенения при нормальной работе и ожидаемых условиях неисправности).

Технические принципы: механизмы безопасной конструкции взрывозащищенных шахтных телефонов

Взрывозащищенные шахтные телефоны — это не просто корпуса обычных телефонов с добавленной взрывозащитной крышкой. Они подвергаются систематической реконструкции безопасности по нескольким направлениям, включая топологию схем, ограничение энергии, герметизацию конструкции и передачу сигнала.

Выбор типа взрывозащиты: комбинированная конструкция взрывонепроницаемой оболочки и искробезопасной цепи

В настоящее время основные взрывозащищенные шахтные телефоны, как правило, используют комбинированную взрывозащищенную структуру «Взрывонепроницаемая оболочка + Искробезопасная цепь» (Ex d[ib] I Mb), объединяющую преимущества обоих методов защиты:

• Взрывонепроницаемая оболочка (Ex d): Основная цепь (например, модуль звонка, интерфейс питания) размещается внутри высокопрочного корпуса из литого алюминиевого сплава. Поверхность соединения корпуса обработана с высокой точностью (зазор ≤ 0,15 мм, длина ≥ 25 мм), чтобы в случае внутреннего взрыва пламя эффективно охлаждалось и блокировалось внутри корпуса, не имея возможности воспламенить внешнюю среду;
• Искробезопасная цепь (Ex ib): Части с низким энергопотреблением, такие как абонентская цепь вызова и модуль сбора сигналов, выполнены по искробезопасной схеме. С помощью таких компонентов, как токоограничивающие резисторы и барьеры безопасности на стабилитронах, максимальное напряжение холостого хода цепи ограничено до ≤ 28 В, ток короткого замыкания — ≤ 100 мА, а емкость накопления энергии — ≤ 1 мкФ, что гарантирует, что даже в условиях неисправности, такой как короткое замыкание или обрыв цепи, выделяемая энергия будет значительно ниже минимальной энергии зажигания метана.

Такая комбинированная конструкция обеспечивает реализацию мощных функций (например, громкого звонка), одновременно гарантируя искробезопасность человеко-машинного интерфейса, отвечая требованиям совместного применения IEC 60079-1 и IEC 60079-11.

Выбор ключевых компонентов и материалов

Особенно в шумных очистных забоях (уровень окружающего шума часто превышает 85 дБ) традиционные звуковые сигналы легко маскируются. Поэтому оборудование нового поколения обычно интегрирует акустический и оптический звонок двойного режима, используя высокочастотные светодиодные вспышки (частота 2 Гц) в качестве вспомогательного сигнала, что значительно повышает доступность вызова.

Управление энергопотреблением и безопасность электропитания

Взрывозащищенные шахтные телефоны обычно питаются от искробезопасного источника питания постоянного тока 48 В, обеспечиваемого диспетчерской станцией через предохранительный соединитель (тип KTA16A). Предохранительный соединитель, действуя как барьер безопасности между неискробезопасной зоной на поверхности и искробезопасной подземной зоной, выполняет следующие функции:

• Ограничение напряжения: выходное напряжение ≤ 60 В пост. тока;
• Ограничение тока: выходной ток ≤ 150 мА;
• Изоляция: электрическая изоляция между входом/выходом ≥ 1500 В перем. тока;
• Защита от неисправностей: встроенный самовосстанавливающийся предохранитель PTC для предотвращения перегрева, вызванного короткими замыканиями в линии.

Кроме того, некоторые автономные усилительные переговорные устройства (например, модель M252433) имеют встроенный литий-железо-фосфатный аккумуляторный блок 12 В / 6 А·ч, поддерживающий 72 часа непрерывной работы без внешнего питания, что подходит для развертывания во временных выработках или аварийных укрытиях.

Системная интеграция: построение полной сети безопасной связи в шахте

Отдельный взрывозащищенный телефон — это всего лишь оконечный узел; его ценность реализуется только при поддержке общей архитектуры системы связи. Современные системы связи шахт обычно имеют трехуровневую структуру: «Диспетчерский центр на поверхности + Подземная кольцевая сеть + Искробезопасный терминал».

Поверхностный уровень ядра: диспетчерская коммутационная платформа

• Цифровая программируемая диспетчерская станция (например, SOC8000B+KTA16A): поддерживает емкость от 32 до 1536 добавочных номеров, с диспетчерскими функциями, такими как вторжение, вмешательство, групповой вызов, запись и интеграция CTI;
• Онлайн-система цифровой записи (например, SOC1800): встроенный жесткий диск, круглосуточная запись всех каналов 7x24, поддержка поиска по времени, номеру и типу события;
• Резервное питание ИБП: аккумуляторная батарея 48 В / 100 А·ч, обеспечивающая непрерывную работу системы в течение ≥ 20 часов после отключения сетевого питания;
• Грозозащита и заземление: распределительная рамка VDF интегрирует газоразрядные трубки (GDT) и защиту PTC, сопротивление заземления ≤ 4 Ом.

Подземный уровень передачи: искробезопасная линия связи

• Основной магистральный кабель: огнестойкий кабель связи для горных работ типа MHYAV (алюминий-полиэтиленовая сцепленная оболочка), подходит для влажных наклонных стволов, поддерживает до 100 пар;
• Ответвительная проводка: кабель типа MHYV с полиэтиленовой изоляцией и оболочкой из ПВХ, используется для стационарной установки в выработках;
• Узлы соединения: искробезопасная распределительная коробка серии JHH (IP54), используется для разветвления кабелей и подключения терминалов, оснащена внутренними пружинными зажимами, установка без инструментов;
• Топология сети: рекомендуемая гибридная архитектура «Industrial Ethernet Ring + Искробезопасные абонентские линии», пропускная способность кольцевой сети ≥ 1 Гбит/с, абонентские линии подключаются через предохранительные соединители.

Примечание: Категорически запрещается прокладывать искробезопасные телефонные линии в одном канале с силовыми кабелями или сигнальными линиями мониторинга во избежание электромагнитной связи и потенциального проникновения энергии.

Уровень доступа терминалов: разнообразные взрывозащищенные терминалы

Помимо стандартных настенных взрывозащищенных телефонов, система также может интегрировать:

• Усилительные переговорные терминалы: поддерживают речевое вещание, экстренные вызовы, подходят для необслуживаемых зон, таких как конвейерные штреки, насосные камеры;
• Беспроводные искробезопасные трубки: на основе частных сетей Wi-Fi 6 или 5G, в паре с искробезопасными базовыми станциями для мобильной связи;
• Колонны экстренной помощи SOS: устанавливаются у входов в выработки и наклонных стволов, прямое соединение с диспетчерской консолью одной кнопкой, автоматическая загрузка координат GPS/BeiDou.

Инженерная практика: типичные сценарии применения и стратегии развертывания

Шахта с высоким газовыделением и выбросами: решение с полным покрытием выработок

Проектная ситуация: Шахта с высоким газовыделением на юго-западе Китая, с абсолютной газообильностью 28 м³/мин, глубиной разработки более 900 метров, с несколькими зонами газовых аномалий.
Требования к связи:

• Отсутствие слепых зон связи по всей подземной части шахты;
• Интеграция с системой контроля газа;
• Поддержка экстренного оповещения и двусторонней переговорной связи.

План реализации:

1. Развернуть взрывозащищенные телефоны класса Ex d[ib] I Mb в ключевых узлах, таких как главные и вспомогательные стволы, центральные подстанции и пункты в горных выработках, с интервалом ≤ 150 метров;
2. Размещать по одному устройству каждые 50 метров в очистных забоях, оснащенных шумозащищенными микротелефонными трубками (отношение сигнал/шум ≥ 30 дБ);
3. Интегрировать диспетчерскую систему с платформой мониторинга безопасности KJ90N. При CH₄ > 1,0% автоматически повышать приоритет связи в этой зоне;
4. Все телефонные терминалы интегрируют акустический и оптический модуль сигнализации, связанный с состоянием местных вентиляторов.

Результат: После внедрения системы коэффициент доступности связи увеличился до 99,98%, успешно предотвращены 3 случая превышения содержания газа в 2025 году, достигнуто отсутствие пострадавших.

Глубокий ствол металлического рудника: многосистемная архитектура слияния

Проектная ситуация: Медный рудник с глубиной ствола 1250 метров, высокой температурой (температура породы 42°C), высокой влажностью (отн. влажность ≥ 90%), что приводило к высокой частоте отказов традиционного коммуникационного оборудования.
Инновационное решение:

• Применена архитектура «Волоконно-оптическая кольцевая сеть + искробезопасное питание PoE», что сократило количество подземных узлов электропитания;
• Интегрированы датчики температуры и влажности во взрывозащищенные телефоны, данные передаются обратно в систему SCADA;
• Интеграция с системой позиционирования персонала (UWB); при вызове автоматически отображается карта местоположения персонала;
• Диспетчерская консоль оснащена 22-дюймовым сенсорным экраном, поддерживающим визуализацию диспетчеризации на электронной карте.

Эксплуатационные преимущества: Функция удаленной диагностики сократила среднее время ремонта с 4,2 часа до 0,8 часа, годовые затраты на техническое обслуживание снизились на 35%.

Выбор и приемка взрывозащищенных шахтных телефонов

Основные положения в Техническом задании

Покупатели со стороны заказчика должны указать следующие технические требования в тендерной документации:

• Сертификация взрывозащиты: должен быть предоставлен действующий сертификат безопасности для угольных шахт (МА) и сертификат взрывозащиты (Ex d[ib] I Mb);
• Экологическая адаптивность: рабочая температура -10℃ ~ +40℃, относительная влажность ≤ 95% (+25℃), атмосферное давление 80~110 кПа;
• Электрические характеристики: звуковое давление звонка ≥ 70 дБ (А), четкость речи (PSQM) ≥ 4,0;
• Интерфейсные протоколы: поддержка аналоговых интерфейсов FXS/FXO, опционально протокол SIP для IP-конвергенции;
• Показатели надежности: средняя наработка на отказ ≥ 50 000 часов.

Приемо-сдаточные испытания при вводе в эксплуатацию

Перспективы на будущее: синергетическое развитие интеллекта и стандартизации

С продвижением «14-го пятилетнего плана безопасности горного производства» взрывозащищенная шахтная связь движется к новому этапу «Интеллектуальное восприятие — Автономное принятие решений — Совместное реагирование»:

• 5G + искробезопасные конвергентные терминалы: поддержка обратной передачи видео 4K, удаленного управления с дополненной реальностью, но необходимо решить проблему риска связи ВЧ-энергии 5G в искробезопасных цепях;
• Оценка состояния связи на основе ИИ: прогнозирование тенденций старения оборудования на основе таких данных, как качество вызовов и время ответа на вызов;
• Взаимное признание международных стандартов: содействие гармонизации китайской сертификации МА с системами IECEx и ATEX, облегчение экспорта отечественного оборудования.

Однако, независимо от технологической эволюции, безопасность остается первым принципом. Ценность взрывозащищенного шахтного телефона заключается не в множестве его функций, а в его способности надежно передать команду «Немедленно эвакуироваться» в самых экстремальных условиях — это и цель инженерии, и отправная точка безопасности.

```