“滚球法”在煤矿瓦斯抽采泵站防雷设计中的应用

王惠臣

(中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120)

瓦斯抽采泵站是煤矿瓦斯抽采系统的重要组成部分[1]，其是否正常运行对于煤矿的安全生产具有重要意义。瓦斯抽采泵站较多建在空旷场地，且位置相对孤立，容易遭受雷击。雷击不仅会威胁到泵站内抽采设备的安全运行，更严重的是抽采系统输送或排放的瓦斯气体具有爆炸危险性，遭受雷击时可能会影响到到井下生产安全。因此必须高度重视瓦斯泵站的防雷设计，既要体现安全第一的原则，也要满足最新规程、规范[2-5]的相关要求。

瓦斯抽采泵站防雷设计包括防止直击雷、雷电感应、防雷电反击及雷电波侵入等众多内容[6]，本文结合陕西彬县雅店煤矿瓦斯抽采泵站的实际情况，重点讨论滚球法在防止直击雷设计中的应用，并对滚球法确定的保护范围进行安全性分析。

1 工程概况

雅店煤矿瓦斯抽采泵站布置在工业场地东南侧，建筑为单层刚架结构厂房，金属屋面，长49.2m，宽18.0m，高7.2m，海拔高度+877.60m。泵站内布置四套独立的瓦斯抽采系统，每套系统选用两台2BEY72型水环式真空泵，一用一备；泵站西侧布置四根进气主管路(包含放散管负压段)，东侧布置四根出气主管路(包含放散管正压段)，放散管正、负压段的管口标高均为+12.0m，管帽顶部标高为+12.6m，瓦斯抽采泵站平面布置如图1所示。

图1 瓦斯抽采泵站平面布置图(mm)

2 防直击雷设计

瓦斯抽采泵站为正常运行时不太可能出现爆炸性气体混合物的环境，应划为2区爆炸危险场所；泵站西侧布置的放散管负压段为正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境，应划为1区爆炸危险场所；泵站东侧布置的放散管正压段[7]为连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境，应划为0区爆炸危险场所。根据《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010)(以下简称《防雷规范》)第3.0.2条、第3.0.3条和《煤炭工业矿井设计规范》(GB 50215—2015)第12.8.3条2款的有关规定，瓦斯抽采泵站应划为第二类防雷建筑物，放散管正、负压段应划为第一类防雷建筑物[8，9]。

《防雷规范》采用的“滚球法”是国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围计算方法[10]，滚球法就是设想一个半径为hr的球围绕避雷装置左右上下滚动，并认为被此球接触到的地方均是可被雷电击中损坏的地方，而装置附近未能被球接触的空间即是有效的保护空间。由于瓦斯抽采泵站最高的建筑物是放散管，所以首先考虑放散管的防雷，然后再考虑泵站的防雷。根据《防雷规范》第4.2.1条的有关规定，放散管的防直击雷必须通过装设独立接闪杆或架空接闪线来实现，放散管排放的是瓦斯气体，应划为表4.2.1中第4种工况，需要被保护的范围是：管帽以上垂直距离5m，距管口处水平距离5m的区域。根据放散管的位置、管帽高度及工程造价等因素综合考虑[11]，采用“滚球法”依次对以下四种情况：单支接闪杆、两支等高接闪杆、单根接闪线和两根等高接闪线进行计算[12]，并对每种情况确定的保护范围进行安全性分析。

2.1 单支接闪杆保护范围及安全性分析

式中，rx为接闪杆在hx高度平面上的保护半径；hr为滚球半径，hr=30m；hx为被保护物的高度，放散管管帽高度hx=12.6m；h为接闪杆高度，取最大值30m；经计算rx=5.57m。接闪杆与最近放散管之间距离Sx需满足《防雷规范》：第4.2.1条2款规定Sx>5m；第4.2.1条5款规定Sx不小于3m，且Sa1≥0.4(Ri+0.1hx)=4.5m，Se1≥0.4Ri=4m。该工程基本风压按0.4kN/m2考虑，选择30m高GFL1-10型钢结构接闪杆，基础宽度为3.047m。综合上述条件并考虑接闪杆基础宽度，取Sx=6.46m。单支接闪杆保护范围如图2所示，四根放散管应被保护范围r=5+3.5×3+5=20.5m，接闪杆与被保护范围之间距离Lx=Sx+r=6.46+20.5-5=21.95m。由于rx

图2 单支接闪杆保护范围(mm)

2.2 双支接闪杆保护范围及安全性分析

图3 双支接闪杆保护范围(mm)

2.3 单根接闪线保护范围及安全性分析

根据瓦斯抽采泵站布置情况，单根接闪线横跨建筑物东西布置，泵站两侧的八根放散管均位于接闪线一侧。该工程基本风压取值为0.4kN/m2，设计选择30m高GFW1-5型线塔，接闪线采用镀锌钢绞线1×7-8.7-1270。单根接闪线的水平位置应满足《防雷规范》第4.1.2条3款规定，水平距离放散管5m以外，取Sx=6m。单根接闪线保护范围如图4所示，单根接闪线与双支接闪杆相比，杆外侧的保护范围相同，而两根杆之间保护宽度由逐渐缩小变成了统一宽度rx，单根接闪线在hx高度平面的保护半径为：

式中，hx为应保护平面高度，m；滚球半径hr不变，接闪线高度h考虑弧垂后取28m，经计算rx=5.57m

图4 单根接闪线保护范围(mm)

式中，接闪杆高度hx、滚球半径hr基本条件不变，最低点高度ho=18m，经计算D3=48m。四支等高接闪杆的保护范围如图5所示，四支接闪杆和单根接闪线相比保护范围更大，当泵站面积较小，D3<48m时，其保护范围就能够完全覆盖放散管需要被保护的区域。

图5 四支等高接闪杆保护范围

2.4 两根接闪线保护范围及安全性分析

式中，D为两根接闪线间距，滚球半径hr、接闪线高度h不变，只要使保护范围最低点高度大于被保护范围的高度，即ho>hx+5=17.6m，经计算只要两根接闪线间距D不大于45.4m，就可以满足放散管的防雷要求。两根接闪线的保护范围如图6所示，D=24.9m<45.4m，两根接闪线会比四支等高接闪杆提供更大的保护范围，其所形成的保护范围既能保护放散管也能保护瓦斯抽采泵站，能够保护面积较大的瓦斯泵站。另外瓦斯抽采泵站采用金属屋面、金属屋顶作为接闪器，工字钢作为引下线，基础地梁内钢筋作为接地体，达到了双重防雷保护的目的。

图6 两根接闪线保护范围(mm)

3 结 语

瓦斯泵站防雷设计需满足规程规范要求，既要保证安全可靠，还应考虑工程造价尽量合理等因素。根据《防雷规范》相关规定，瓦斯泵站按第二类防雷建筑设置，放散管的负压段和正压段按第一类防雷建筑设置，采用“滚球法”计算泵站保护范围。瓦斯泵站选用单支/双支接闪杆、单根接闪线作为接闪器时，均不能满足放散管作为第一类防雷建筑物的相关要求。瓦斯泵站优先选用多支(四支)等高接闪杆作为接闪器；当选用多支(四支)接闪杆不能满足要求时，再选用两根接闪线进行保护。接闪杆及其接地装置距离道路或出入口不宜小于3m，否则应采取均压措施。在泵站设计之初，合理选择防雷保护方案，力求减少雷电事故发生的可能性，确保煤矿瓦斯抽采泵站的安全高效运行。