王惠臣

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

瓦斯抽采泵站是煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)的重要組成部分[1]，其是否正常運(yùn)行對(duì)于煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義。瓦斯抽采泵站較多建在空曠場(chǎng)地，且位置相對(duì)孤立，容易遭受雷擊。雷擊不僅會(huì)威脅到泵站內(nèi)抽采設(shè)備的安全運(yùn)行，更嚴(yán)重的是抽采系統(tǒng)輸送或排放的瓦斯氣體具有爆炸危險(xiǎn)性，遭受雷擊時(shí)可能會(huì)影響到到井下生產(chǎn)安全。因此必須高度重視瓦斯泵站的防雷設(shè)計(jì)，既要體現(xiàn)安全第一的原則，也要滿足最新規(guī)程、規(guī)范[2-5]的相關(guān)要求。

瓦斯抽采泵站防雷設(shè)計(jì)包括防止直擊雷、雷電感應(yīng)、防雷電反擊及雷電波侵入等眾多內(nèi)容[6]，本文結(jié)合陜西彬縣雅店煤礦瓦斯抽采泵站的實(shí)際情況，重點(diǎn)討論滾球法在防止直擊雷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并對(duì)滾球法確定的保護(hù)范圍進(jìn)行安全性分析。

1 工程概況

雅店煤礦瓦斯抽采泵站布置在工業(yè)場(chǎng)地東南側(cè)，建筑為單層剛架結(jié)構(gòu)廠房，金屬屋面，長(zhǎng)49.2m，寬18.0m，高7.2m，海拔高度+877.60m。泵站內(nèi)布置四套獨(dú)立的瓦斯抽采系統(tǒng)，每套系統(tǒng)選用兩臺(tái)2BEY72型水環(huán)式真空泵，一用一備；泵站西側(cè)布置四根進(jìn)氣主管路(包含放散管負(fù)壓段)，東側(cè)布置四根出氣主管路(包含放散管正壓段)，放散管正、負(fù)壓段的管口標(biāo)高均為+12.0m，管帽頂部標(biāo)高為+12.6m，瓦斯抽采泵站平面布置如圖1所示。

圖1 瓦斯抽采泵站平面布置圖(mm)

2 防直擊雷設(shè)計(jì)

瓦斯抽采泵站為正常運(yùn)行時(shí)不太可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，應(yīng)劃為2區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所；泵站西側(cè)布置的放散管負(fù)壓段為正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，應(yīng)劃為1區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所；泵站東側(cè)布置的放散管正壓段[7]為連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，應(yīng)劃為0區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057—2010)(以下簡(jiǎn)稱《防雷規(guī)范》)第3.0.2條、第3.0.3條和《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50215—2015)第12.8.3條2款的有關(guān)規(guī)定，瓦斯抽采泵站應(yīng)劃為第二類防雷建筑物，放散管正、負(fù)壓段應(yīng)劃為第一類防雷建筑物[8，9]。

《防雷規(guī)范》采用的“滾球法”是國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)推薦的接閃器保護(hù)范圍計(jì)算方法[10]，滾球法就是設(shè)想一個(gè)半徑為hr的球圍繞避雷裝置左右上下滾動(dòng)，并認(rèn)為被此球接觸到的地方均是可被雷電擊中損壞的地方，而裝置附近未能被球接觸的空間即是有效的保護(hù)空間。由于瓦斯抽采泵站最高的建筑物是放散管，所以首先考慮放散管的防雷，然后再考慮泵站的防雷。根據(jù)《防雷規(guī)范》第4.2.1條的有關(guān)規(guī)定，放散管的防直擊雷必須通過(guò)裝設(shè)獨(dú)立接閃桿或架空接閃線來(lái)實(shí)現(xiàn)，放散管排放的是瓦斯氣體，應(yīng)劃為表4.2.1中第4種工況，需要被保護(hù)的范圍是：管帽以上垂直距離5m，距管口處水平距離5m的區(qū)域。根據(jù)放散管的位置、管帽高度及工程造價(jià)等因素綜合考慮[11]，采用“滾球法”依次對(duì)以下四種情況：?jiǎn)沃Ы娱W桿、兩支等高接閃桿、單根接閃線和兩根等高接閃線進(jìn)行計(jì)算[12]，并對(duì)每種情況確定的保護(hù)范圍進(jìn)行安全性分析。

2.1 單支接閃桿保護(hù)范圍及安全性分析

式中，rx為接閃桿在hx高度平面上的保護(hù)半徑；hr為滾球半徑，hr=30m；hx為被保護(hù)物的高度，放散管管帽高度hx=12.6m；h為接閃桿高度，取最大值30m；經(jīng)計(jì)算rx=5.57m。接閃桿與最近放散管之間距離Sx需滿足《防雷規(guī)范》：第4.2.1條2款規(guī)定Sx>5m；第4.2.1條5款規(guī)定Sx不小于3m，且Sa1≥0.4(Ri+0.1hx)=4.5m，Se1≥0.4Ri=4m。該工程基本風(fēng)壓按0.4kN/m2考慮，選擇30m高GFL1-10型鋼結(jié)構(gòu)接閃桿，基礎(chǔ)寬度為3.047m。綜合上述條件并考慮接閃桿基礎(chǔ)寬度，取Sx=6.46m。單支接閃桿保護(hù)范圍如圖2所示，四根放散管應(yīng)被保護(hù)范圍r=5+3.5×3+5=20.5m，接閃桿與被保護(hù)范圍之間距離Lx=Sx+r=6.46+20.5-5=21.95m。由于rx

圖2 單支接閃桿保護(hù)范圍(mm)

2.2 雙支接閃桿保護(hù)范圍及安全性分析

圖3 雙支接閃桿保護(hù)范圍(mm)

2.3 單根接閃線保護(hù)范圍及安全性分析

根據(jù)瓦斯抽采泵站布置情況，單根接閃線橫跨建筑物東西布置，泵站兩側(cè)的八根放散管均位于接閃線一側(cè)。該工程基本風(fēng)壓取值為0.4kN/m2，設(shè)計(jì)選擇30m高GFW1-5型線塔，接閃線采用鍍鋅鋼絞線1×7-8.7-1270。單根接閃線的水平位置應(yīng)滿足《防雷規(guī)范》第4.1.2條3款規(guī)定，水平距離放散管5m以外，取Sx=6m。單根接閃線保護(hù)范圍如圖4所示，單根接閃線與雙支接閃桿相比，桿外側(cè)的保護(hù)范圍相同，而兩根桿之間保護(hù)寬度由逐漸縮小變成了統(tǒng)一寬度rx，單根接閃線在hx高度平面的保護(hù)半徑為：

式中，hx為應(yīng)保護(hù)平面高度，m；滾球半徑hr不變，接閃線高度h考慮弧垂后取28m，經(jīng)計(jì)算rx=5.57m

圖4 單根接閃線保護(hù)范圍(mm)

式中，接閃桿高度hx、滾球半徑hr基本條件不變，最低點(diǎn)高度ho=18m，經(jīng)計(jì)算D3=48m。四支等高接閃桿的保護(hù)范圍如圖5所示，四支接閃桿和單根接閃線相比保護(hù)范圍更大，當(dāng)泵站面積較小，D3<48m時(shí)，其保護(hù)范圍就能夠完全覆蓋放散管需要被保護(hù)的區(qū)域。

圖5 四支等高接閃桿保護(hù)范圍

2.4 兩根接閃線保護(hù)范圍及安全性分析

式中，D為兩根接閃線間距，滾球半徑hr、接閃線高度h不變，只要使保護(hù)范圍最低點(diǎn)高度大于被保護(hù)范圍的高度，即ho>hx+5=17.6m，經(jīng)計(jì)算只要兩根接閃線間距D不大于45.4m，就可以滿足放散管的防雷要求。兩根接閃線的保護(hù)范圍如圖6所示，D=24.9m<45.4m，兩根接閃線會(huì)比四支等高接閃桿提供更大的保護(hù)范圍，其所形成的保護(hù)范圍既能保護(hù)放散管也能保護(hù)瓦斯抽采泵站，能夠保護(hù)面積較大的瓦斯泵站。另外瓦斯抽采泵站采用金屬屋面、金屬屋頂作為接閃器，工字鋼作為引下線，基礎(chǔ)地梁內(nèi)鋼筋作為接地體，達(dá)到了雙重防雷保護(hù)的目的。

圖6 兩根接閃線保護(hù)范圍(mm)

3 結(jié) 語(yǔ)

瓦斯泵站防雷設(shè)計(jì)需滿足規(guī)程規(guī)范要求，既要保證安全可靠，還應(yīng)考慮工程造價(jià)盡量合理等因素。根據(jù)《防雷規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，瓦斯泵站按第二類防雷建筑設(shè)置，放散管的負(fù)壓段和正壓段按第一類防雷建筑設(shè)置，采用“滾球法”計(jì)算泵站保護(hù)范圍。瓦斯泵站選用單支/雙支接閃桿、單根接閃線作為接閃器時(shí)，均不能滿足放散管作為第一類防雷建筑物的相關(guān)要求。瓦斯泵站優(yōu)先選用多支(四支)等高接閃桿作為接閃器；當(dāng)選用多支(四支)接閃桿不能滿足要求時(shí)，再選用兩根接閃線進(jìn)行保護(hù)。接閃桿及其接地裝置距離道路或出入口不宜小于3m，否則應(yīng)采取均壓措施。在泵站設(shè)計(jì)之初，合理選擇防雷保護(hù)方案，力求減少雷電事故發(fā)生的可能性，確保煤礦瓦斯抽采泵站的安全高效運(yùn)行。