花 植
(山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西阳泉 045000)
瓦斯抽采系统是实现煤矿井下瓦斯有效治理的重要环节之一，地面瓦斯抽采泵站又是瓦斯抽采系统的核心。由于受限于采矿工艺条件及泵站危险性要求，地面瓦斯泵站一般位于人烟稀少的山中旷野地区且泵站多孤立，这些地区更易发生雷击事故。地面瓦斯泵站为易燃易爆场所，如果泵站发生雷击事故，将对整个矿井的生产和矿井生产人员人身安全造成难以挽回的损失，后果不堪设想。因此，防雷设计在瓦斯抽采泵站电气设计中尤为重要。
1 瓦斯抽采泵站防雷类别
建筑物防雷设计应首先确定其防雷等级。
瓦斯抽采泵站防雷等级在相关规范中的要求不尽相同，具体如下:
GB 50057—2010建筑物防雷设计规范(下称《防雷规范》)第三节“建筑物的防雷分类”中，3.0.2 条、3.0.3 条、3.0.4 条为强条，并分别对第一类、第二类和第三类防雷建筑物划分范围做了规定。其中，第一类防雷建筑物包括:1)含0区或者20区爆炸危险环境的建筑物。2)含1区或者21区的爆炸危险环境的建筑物，同时电火花可能引起爆炸并造成巨大经济损失、人身伤亡的建筑物。此时对防雷等级的划分并未根据预计雷击次数要求进行划分，而是根据爆炸危险环境雷击灾害造成的经济损失和人身伤害过大而划分为第一类防雷建筑物。
GB 50215—2015煤炭工业矿井设计规范12.8.3条“……瓦斯抽采泵站主机室……应为第二类防雷建筑物”，同时12.8.1条要求矿井建(构)筑物的防雷设计同时应满足GB 50057—2010建筑物防雷设计规范的相关要求。
GB 50471—2018煤矿瓦斯抽采工程设计标准6.1.1条4款要求地面固定瓦斯抽采泵站应设置“防雷电、防洪涝、及防冻等附属设施”。也明确提出瓦斯抽采泵房为甲类厂房，火灾危险性大，破坏性大。对地面瓦斯抽采泵站防雷等级并无其他具体要求。
《煤矿安全规程》(2016版)182条要求“地面泵房必须用不燃性材料建筑，并必须有防雷电装置”，对地面瓦斯抽采泵站防雷等级并无其他具体要求。
地面瓦斯抽采泵站验收由当地气象部门进行专项验收，所以防雷设计也应执行气象部门的相关规范。QXT 150—2011煤炭工业矿井防雷设计规范5.1.1条a款要求“瓦斯抽放站应划为第二类防雷建筑物”。
上述规范均要求地面瓦斯抽采泵站采取避雷措施，且部分规范明确提出地面泵站(主机室)应为第二类防雷建筑物。但是，泵站仅按照第二类防雷建筑物设防有不妥之处。
因为当瓦斯泵检修、因故停抽或瓦斯浓度低于规定值时，抽采管路中的瓦斯可能经放空管直接排到大气中。按照GB 50058—2014爆炸危险环境电力装置设计规范(下称《爆炸环境规范》)3.2.3条2款要求正常工作时，周期性或偶尔会向外排放可燃物质的排气口或其他管道排放口，为一级释放源。即会排放可燃物质排气口均为一级释放源。故瓦斯泵站放空管应为一级释放源。按照《爆炸环境规范》3.2.1条2款“1区应为在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境”要求，故放空管管口四周属于1区。按《防雷规范》3.0.2条3款要求，瓦斯泵站放空管在工作时会释放瓦斯气体，且电火花可以引燃，此后可能会发生爆炸造成矿井停工和人身伤亡。因此瓦斯泵站放空管应划为第一类防雷建筑物，放空管管口处应按照第一类防雷建筑物设防。即放空管管口局部属于第一类防雷建筑物，泵房整体属于第二类防雷建筑物。
根据《防雷规范》4.5.1条2款要求，瓦斯泵站放空管面积占瓦斯泵站总面积不到30%。因此地面瓦斯抽采泵站整体按照第二类防雷建筑物设防，泵站放空管局部按照第一类防雷建筑物设防。
2 接闪器类型选择
根据《防雷规范》4.2.1条，划分为第一类防雷建筑物后，预防直击雷雷击的接闪器应选用独立的接闪杆或者接闪线、网。
瓦斯抽采泵站的放空管按第一类防雷建筑物设防，且多根放空管一般排列在一条直线上，因此多根放空管接闪器采用等高接闪线塔和接闪线的组合方式。
根据《防雷规范》4.3.1条，第二类防雷建筑物宜选用接闪网、带或杆，也能采用混合组成的接闪器(接闪网、带或杆组成)。其他要求详见规范条文。
当接闪线塔和接闪线组合能保护放空管却无法保护整个泵房单体建筑时，需要对泵房单体建筑物(除放空管)按照第二类防雷建筑物进行防雷保护。
瓦斯抽采泵站多数采用钢屋面，根据《防雷规范》5.2.7条，第二类、第三类防雷建筑物的接闪器宜利用其金属屋面。但由于直接用钢屋面作为接闪器时，对钢屋面的金属厚度要求0.5 mm，实际采购安装时无法保证满足此要求。因此，泵站钢屋面接闪器采用接闪带方式，其网格尺寸不大于10 m×10 m或12 m×8 m。为避免接闪带安装对钢屋面造成破坏，接闪带选用40×4镀锌扁钢通过自攻螺丝、铆钉或者卡板贴装在钢屋面上。具体做法可以参考12系列建筑标准设计图集12D10《防雷与接地工程》分册第42页。
放空管无管帽时，管口上方半径5 m的半球体应处于接闪器的保护范围内;放空管有管帽时，根据《防雷规范》4.2.1条2款，瓦斯气体密度小于空气，装置内压力与周围空气压力差一般不超过5 kPa，故瓦斯抽采泵站放空管属于《防雷规范》表4.2.1的第三种情况，保护范围应包括:管帽以上2.5 m，距管口水平距离5 m。
3 接闪器保护范围计算
依据《防雷规范》附录D，接闪器保护范围采用滚球法计算。
防雷保护采用两组等高接闪线塔和接闪线的组合，防雷要求详见上述，其保护平面范围如图1斜线部分所示，保护空间范围如图2所示。
图1 双接闪线保护区域平面示意图
图2 双接闪线保护区域三维示意图
设计时需通过计算对两接闪线保护最低点、保护高度下最大保护范围及放空管管口到保护范围边界距离进行校验。滚球避雷法接闪器保护范围详细计算步骤见《防雷规范》附录D相关内容。
4 设计实例
该瓦斯抽采泵房建筑尺寸为(长×宽)92.5 m×18 m，含三防间、泵房、水处理间、水泵房及值班室。钢屋面高度8 m，放空管管帽高度10 m。
放空管管帽按第一类防雷建筑物设防，接闪线安装高度30 m，保护范围见图3，按第二类防雷建筑物设防且高度10.5 m的接闪线保护范围见图4。图3，图4中斜线部分为接闪线保护范围。
图3 接闪线在13 m高度的保护范围示意图
图4 接闪线在10 m高度的保护范围示意图
放空管管帽防雷保护校验:
满足《防雷规范》表4.2.1距管口水平距离5 m要求。
两接闪线间保护最低点校验:
钢屋面高度8 m，最低点保护高度满足要求。
因接闪线沿泵房外侧架设，泵房整体位于两接闪线间，故不需校验接闪线外侧保护范围。
5 结语
地面瓦斯抽采泵站安全运行是整个矿井安全生产的前提之一。当两接闪线保护范围能覆盖整个泵房时，可不在泵房屋面另设第二类防雷保护;当两接闪线无法保护整个泵房时，地面瓦斯抽采泵站整体应按第二类防雷建筑物设防，放空管管口局部应按第一类防雷建筑物设防，并应采用滚球避雷法进行保护计算。同时，接闪线塔应设独立接地装置，并应注意与泵站瓦斯管路及泵房接地装置的间距。
