煤礦地面瓦斯抽采泵站防雷設(shè)計

花 植

(山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計有限公司，山西陽泉 045000)

瓦斯抽采系統(tǒng)是實現(xiàn)煤礦井下瓦斯有效治理的重要環(huán)節(jié)之一，地面瓦斯抽采泵站又是瓦斯抽采系統(tǒng)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(qū)且泵站多孤立，這些地區(qū)更易發(fā)生雷擊事故。地面瓦斯泵站為易燃易爆場所，如果泵站發(fā)生雷擊事故，將對整個礦井的生產(chǎn)和礦井生產(chǎn)人員人身安全造成難以挽回的損失，后果不堪設(shè)想。因此，防雷設(shè)計在瓦斯抽采泵站電氣設(shè)計中尤為重要。

1 瓦斯抽采泵站防雷類別

建筑物防雷設(shè)計應(yīng)首先確定其防雷等級。

瓦斯抽采泵站防雷等級在相關(guān)規(guī)范中的要求不盡相同，具體如下:

GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(下稱《防雷規(guī)范》)第三節(jié)“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(guī)定。其中，第一類防雷建筑物包括:1)含0區(qū)或者20區(qū)爆炸危險環(huán)境的建筑物。2)含1區(qū)或者21區(qū)的爆炸危險環(huán)境的建筑物，同時電火花可能引起爆炸并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失、人身傷亡的建筑物。此時對防雷等級的劃分并未根據(jù)預(yù)計雷擊次數(shù)要求進(jìn)行劃分，而是根據(jù)爆炸危險環(huán)境雷擊災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)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(yè)礦井設(shè)計規(guī)范12.8.3條“……瓦斯抽采泵站主機室……應(yīng)為第二類防雷建筑物”，同時12.8.1條要求礦井建(構(gòu))筑物的防雷設(shè)計同時應(yīng)滿足GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求。

GB 50471—2018煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)6.1.1條4款要求地面固定瓦斯抽采泵站應(yīng)設(shè)置“防雷電、防洪澇、及防凍等附屬設(shè)施”。也明確提出瓦斯抽采泵房為甲類廠房，火災(zāi)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(guī)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(dāng)?shù)貧庀蟛块T進(jìn)行專項驗收，所以防雷設(shè)計也應(yīng)執(zhí)行氣象部門的相關(guān)規(guī)范。QXT 150—2011煤炭工業(yè)礦井防雷設(shè)計規(guī)范5.1.1條a款要求“瓦斯抽放站應(yīng)劃為第二類防雷建筑物”。

上述規(guī)范均要求地面瓦斯抽采泵站采取避雷措施，且部分規(guī)范明確提出地面泵站(主機室)應(yīng)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(shè)防有不妥之處。

因為當(dāng)瓦斯泵檢修、因故停抽或瓦斯?jié)舛鹊陀谝?guī)定值時，抽采管路中的瓦斯可能經(jīng)放空管直接排到大氣中。按照GB 50058—2014爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范(下稱《爆炸環(huán)境規(guī)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(zhì)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(zhì)排氣口均為一級釋放源。故瓦斯泵站放空管應(yīng)為一級釋放源。按照《爆炸環(huán)境規(guī)范》3.2.1條2款“1區(qū)應(yīng)為在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境”要求，故放空管管口四周屬于1區(qū)。按《防雷規(guī)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(fā)生爆炸造成礦井停工和人身傷亡。因此瓦斯泵站放空管應(yīng)劃為第一類防雷建筑物，放空管管口處應(yīng)按照第一類防雷建筑物設(shè)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(jù)《防雷規(guī)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(shè)防，泵站放空管局部按照第一類防雷建筑物設(shè)防。

2 接閃器類型選擇

根據(jù)《防雷規(guī)范》4.2.1條，劃分為第一類防雷建筑物后，預(yù)防直擊雷雷擊的接閃器應(yīng)選用獨立的接閃桿或者接閃線、網(wǎng)。

瓦斯抽采泵站的放空管按第一類防雷建筑物設(shè)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(jù)《防雷規(guī)范》4.3.1條，第二類防雷建筑物宜選用接閃網(wǎng)、帶或桿，也能采用混合組成的接閃器(接閃網(wǎng)、帶或桿組成)。其他要求詳見規(guī)范條文。

當(dāng)接閃線塔和接閃線組合能保護(hù)放空管卻無法保護(hù)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(jìn)行防雷保護(hù)。

瓦斯抽采泵站多數(shù)采用鋼屋面，根據(jù)《防雷規(guī)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(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(yīng)處于接閃器的保護(hù)范圍內(nèi);放空管有管帽時，根據(jù)《防雷規(guī)范》4.2.1條2款，瓦斯氣體密度小于空氣，裝置內(nèi)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(guī)范》表4.2.1的第三種情況，保護(hù)范圍應(yīng)包括:管帽以上2.5 m，距管口水平距離5 m。

3 接閃器保護(hù)范圍計算

依據(jù)《防雷規(guī)范》附錄D，接閃器保護(hù)范圍采用滾球法計算。

防雷保護(hù)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(hù)平面范圍如圖1斜線部分所示，保護(hù)空間范圍如圖2所示。

圖1 雙接閃線保護(hù)區(qū)域平面示意圖

圖2 雙接閃線保護(hù)區(qū)域三維示意圖

設(shè)計時需通過計算對兩接閃線保護(hù)最低點、保護(hù)高度下最大保護(hù)范圍及放空管管口到保護(hù)范圍邊界距離進(jìn)行校驗。滾球避雷法接閃器保護(hù)范圍詳細(xì)計算步驟見《防雷規(guī)范》附錄D相關(guān)內(nèi)容。

4 設(shè)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(shè)防，接閃線安裝高度30 m，保護(hù)范圍見圖3，按第二類防雷建筑物設(shè)防且高度10.5 m的接閃線保護(hù)范圍見圖4。圖3，圖4中斜線部分為接閃線保護(hù)范圍。

圖3 接閃線在13 m高度的保護(hù)范圍示意圖

圖4 接閃線在10 m高度的保護(hù)范圍示意圖

放空管管帽防雷保護(hù)校驗:

滿足《防雷規(guī)范》表4.2.1距管口水平距離5 m要求。

兩接閃線間保護(hù)最低點校驗:

鋼屋面高度8 m，最低點保護(hù)高度滿足要求。

因接閃線沿泵房外側(cè)架設(shè)，泵房整體位于兩接閃線間，故不需校驗接閃線外側(cè)保護(hù)范圍。

5 結(jié)語

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