煤礦地面瓦斯抽采泵站防雷設計

花 植

(山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西陽泉 045000)

瓦斯抽采系統是實現煤礦井下瓦斯有效治理的重要環節之一，地面瓦斯抽采泵站又是瓦斯抽采系統的核心。由于受限于采礦工藝條件及泵站危險性要求，地面瓦斯泵站一般位于人煙稀少的山中曠野地區且泵站多孤立，這些地區更易發生雷擊事故。地面瓦斯泵站為易燃易爆場所，如果泵站發生雷擊事故，將對整個礦井的生產和礦井生產人員人身安全造成難以挽回的損失，后果不堪設想。因此，防雷設計在瓦斯抽采泵站電氣設計中尤為重要。

1 瓦斯抽采泵站防雷類別

建筑物防雷設計應首先確定其防雷等級。

瓦斯抽采泵站防雷等級在相關規范中的要求不盡相同，具體如下:

GB 50057—2010建筑物防雷設計規范(下稱《防雷規范》)第三節“建筑物的防雷分類”中，3.0.2 條、3.0.3 條、3.0.4 條為強條，并分別對第一類、第二類和第三類防雷建筑物劃分范圍做了規定。其中，第一類防雷建筑物包括:1)含0區或者20區爆炸危險環境的建筑物。2)含1區或者21區的爆炸危險環境的建筑物，同時電火花可能引起爆炸并造成巨大經濟損失、人身傷亡的建筑物。此時對防雷等級的劃分并未根據預計雷擊次數要求進行劃分，而是根據爆炸危險環境雷擊災害造成的經濟損失和人身傷害過大而劃分為第一類防雷建筑物。

GB 50215—2015煤炭工業礦井設計規范12.8.3條“……瓦斯抽采泵站主機室……應為第二類防雷建筑物”，同時12.8.1條要求礦井建(構)筑物的防雷設計同時應滿足GB 50057—2010建筑物防雷設計規范的相關要求。

GB 50471—2018煤礦瓦斯抽采工程設計標準6.1.1條4款要求地面固定瓦斯抽采泵站應設置“防雷電、防洪澇、及防凍等附屬設施”。也明確提出瓦斯抽采泵房為甲類廠房，火災危險性大，破壞性大。對地面瓦斯抽采泵站防雷等級并無其他具體要求。

《煤礦安全規程》(2016版)182條要求“地面泵房必須用不燃性材料建筑，并必須有防雷電裝置”，對地面瓦斯抽采泵站防雷等級并無其他具體要求。

地面瓦斯抽采泵站驗收由當地氣象部門進行專項驗收，所以防雷設計也應執行氣象部門的相關規范。QXT 150—2011煤炭工業礦井防雷設計規范5.1.1條a款要求“瓦斯抽放站應劃為第二類防雷建筑物”。

上述規范均要求地面瓦斯抽采泵站采取避雷措施，且部分規范明確提出地面泵站(主機室)應為第二類防雷建筑物。但是，泵站僅按照第二類防雷建筑物設防有不妥之處。

因為當瓦斯泵檢修、因故停抽或瓦斯濃度低于規定值時，抽采管路中的瓦斯可能經放空管直接排到大氣中。按照GB 50058—2014爆炸危險環境電力裝置設計規范(下稱《爆炸環境規范》)3.2.3條2款要求正常工作時，周期性或偶爾會向外排放可燃物質的排氣口或其他管道排放口，為一級釋放源。即會排放可燃物質排氣口均為一級釋放源。故瓦斯泵站放空管應為一級釋放源。按照《爆炸環境規范》3.2.1條2款“1區應為在正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物的環境”要求，故放空管管口四周屬于1區。按《防雷規范》3.0.2條3款要求，瓦斯泵站放空管在工作時會釋放瓦斯氣體，且電火花可以引燃，此后可能會發生爆炸造成礦井停工和人身傷亡。因此瓦斯泵站放空管應劃為第一類防雷建筑物，放空管管口處應按照第一類防雷建筑物設防。即放空管管口局部屬于第一類防雷建筑物，泵房整體屬于第二類防雷建筑物。

根據《防雷規范》4.5.1條2款要求，瓦斯泵站放空管面積占瓦斯泵站總面積不到30%。因此地面瓦斯抽采泵站整體按照第二類防雷建筑物設防，泵站放空管局部按照第一類防雷建筑物設防。

2 接閃器類型選擇

根據《防雷規范》4.2.1條，劃分為第一類防雷建筑物后，預防直擊雷雷擊的接閃器應選用獨立的接閃桿或者接閃線、網。

瓦斯抽采泵站的放空管按第一類防雷建筑物設防，且多根放空管一般排列在一條直線上，因此多根放空管接閃器采用等高接閃線塔和接閃線的組合方式。

根據《防雷規范》4.3.1條，第二類防雷建筑物宜選用接閃網、帶或桿，也能采用混合組成的接閃器(接閃網、帶或桿組成)。其他要求詳見規范條文。

當接閃線塔和接閃線組合能保護放空管卻無法保護整個泵房單體建筑時，需要對泵房單體建筑物(除放空管)按照第二類防雷建筑物進行防雷保護。

瓦斯抽采泵站多數采用鋼屋面，根據《防雷規范》5.2.7條，第二類、第三類防雷建筑物的接閃器宜利用其金屬屋面。但由于直接用鋼屋面作為接閃器時，對鋼屋面的金屬厚度要求0.5 mm，實際采購安裝時無法保證滿足此要求。因此，泵站鋼屋面接閃器采用接閃帶方式，其網格尺寸不大于10 m×10 m或12 m×8 m。為避免接閃帶安裝對鋼屋面造成破壞，接閃帶選用40×4鍍鋅扁鋼通過自攻螺絲、鉚釘或者卡板貼裝在鋼屋面上。具體做法可以參考12系列建筑標準設計圖集12D10《防雷與接地工程》分冊第42頁。

放空管無管帽時，管口上方半徑5 m的半球體應處于接閃器的保護范圍內;放空管有管帽時，根據《防雷規范》4.2.1條2款，瓦斯氣體密度小于空氣，裝置內壓力與周圍空氣壓力差一般不超過5 kPa，故瓦斯抽采泵站放空管屬于《防雷規范》表4.2.1的第三種情況，保護范圍應包括:管帽以上2.5 m，距管口水平距離5 m。

3 接閃器保護范圍計算

依據《防雷規范》附錄D，接閃器保護范圍采用滾球法計算。

防雷保護采用兩組等高接閃線塔和接閃線的組合，防雷要求詳見上述，其保護平面范圍如圖1斜線部分所示，保護空間范圍如圖2所示。

圖1 雙接閃線保護區域平面示意圖

圖2 雙接閃線保護區域三維示意圖

設計時需通過計算對兩接閃線保護最低點、保護高度下最大保護范圍及放空管管口到保護范圍邊界距離進行校驗。滾球避雷法接閃器保護范圍詳細計算步驟見《防雷規范》附錄D相關內容。

4 設計實例

該瓦斯抽采泵房建筑尺寸為(長×寬)92.5 m×18 m，含三防間、泵房、水處理間、水泵房及值班室。鋼屋面高度8 m，放空管管帽高度10 m。

放空管管帽按第一類防雷建筑物設防，接閃線安裝高度30 m，保護范圍見圖3，按第二類防雷建筑物設防且高度10.5 m的接閃線保護范圍見圖4。圖3，圖4中斜線部分為接閃線保護范圍。

圖3 接閃線在13 m高度的保護范圍示意圖

圖4 接閃線在10 m高度的保護范圍示意圖

放空管管帽防雷保護校驗:

滿足《防雷規范》表4.2.1距管口水平距離5 m要求。

兩接閃線間保護最低點校驗:

鋼屋面高度8 m，最低點保護高度滿足要求。

因接閃線沿泵房外側架設，泵房整體位于兩接閃線間，故不需校驗接閃線外側保護范圍。

5 結語

地面瓦斯抽采泵站安全運行是整個礦井安全生產的前提之一。當兩接閃線保護范圍能覆蓋整個泵房時，可不在泵房屋面另設第二類防雷保護;當兩接閃線無法保護整個泵房時，地面瓦斯抽采泵站整體應按第二類防雷建筑物設防，放空管管口局部應按第一類防雷建筑物設防，并應采用滾球避雷法進行保護計算。同時，接閃線塔應設獨立接地裝置，并應注意與泵站瓦斯管路及泵房接地裝置的間距。