雷電災害是最嚴重的自然災害之一。隨著我國煤礦產業(yè)現(xiàn)代化建設速度的加快和電子技術的飛速發(fā)展，各種敏感的電子設備不斷應用到煤礦的電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和各種監(jiān)控系統(tǒng)中，煤礦的雷電防護形勢日趨嚴峻。作者所處地區(qū)煤礦較多，擁有便利的條件到實地進行考察，然后運用自己的理論知識對煤礦的雷擊安全隱患進行分析并提出防雷保護措施。

1.煤礦易遭雷擊的原因分析

根據(jù)雷擊的選擇性，空曠地帶和土壤電阻率有突變的地方容易遭受雷擊。煤礦都處于空曠地帶，并且很多煤礦同時處于巖石和土壤的交界處及土壤電阻率有突變的地點，煤礦礦區(qū)是一個容易遭受雷擊的地點。

地形對雷暴的移動有以下影響：當積雨云遇山地阻擋時，由于迎風面有上升氣流影響，使雷暴在山地的迎風面停滯少動；當積雨云受山脈阻擋時，雷暴即沿山脈走向移動，如山脈有缺口，則雷暴順著山口移動。我國大部分地區(qū)山地的東坡、南坡較北坡、西北坡易受雷擊，山地的平地較峽谷容易受雷擊。因此如果煤礦處于上述地帶的話是容易遭受雷擊的。

另一方面煤礦在生產和運輸過程中會產生大量的煤炭粉塵，這些粉塵懸浮在礦區(qū)上方的空氣中，無疑增加了礦區(qū)上方空氣的電導率。當雷雨云到達礦區(qū)上空時，這些懸浮的粉塵為雷雨云與礦區(qū)大地電場之間提供了有利的導電通道，從而使雷雨云更容易對地放電，造成地面人員傷亡和設備損壞。

2.煤礦雷擊安全隱患分析

直擊雷是閃電直接擊在建筑物、其他物體、大地或防雷裝置上，產生的電效應、熱效應和機械力。煤礦的辦公樓建筑主體、炸藥庫、主、副井提升機房（架）和變電所這些突出地面越高的物體很易遭受雷擊。強大的雷電流通過被擊物體時產生大量的熱量，如果在短時間不易發(fā)散出來，極容易造成金屬被融化，建筑物被炸裂，尤其是通過雷電流流過存放易燃易爆物品的炸藥庫時，會引起火災或爆炸。

雷電感應分為靜電感應和電磁感應。采用架空供電線路時，在雷雨天氣由于靜電感應架空線路上感應的大量電荷形成感應過電壓波沖擊煤礦的供電設備。煤礦里的金屬屋頂或其他導體同樣會由于雷電靜電感應產生過電壓損壞設備。由于雷電流有極大峰值和陡度，在它周圍的空間有強大的變化的磁場，處在這電磁場中的導體會感應出較大的電動勢。

當存在較大環(huán)路且不閉合時，在開口處容易產生火花和高電壓，引起易燃物品著火、易燃氣體爆炸和電子設備損壞。在煤礦的信息系統(tǒng)、供、配電系統(tǒng)和炸藥庫易產生靜電荷和存在較大環(huán)路的部位最容易遭受雷電感應的損害。

雷電波侵入的主要途徑有三種：

第一種是直接雷擊擊中室外的金屬導線，使閃電的高電壓以脈沖波的形式沿導線侵入室內；

第二種是來自間接雷的電磁脈沖在導線金屬體上感應產生高電位，然后以脈沖波的形式沿著導線傳播侵入室內；

第三種是由于云地閃電擊在建筑物上或建筑物附近時，在地中產生高電位，這種形式的高電位通過零線和接地線侵入室內。按照以上的雷電波侵入的主要途徑分析，煤礦容易遭受雷電波侵入的部位是存在較多線路和電子設備的信息系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、主、副井提升機房，當雷電波侵入脆弱的電子設備時極易造成這些設備的損壞，進而引發(fā)生產事故，嚴重是造成人員傷亡。

雷擊電磁脈沖是閃電通道在先導主放電過程中向外輻射的高頻和甚高頻電磁能量。電磁脈沖主要由傳導耦合和輻射耦合兩種方式傳送到被干擾對象。對于煤礦而言，雷擊電磁脈沖主要作用于通信系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)等信息系統(tǒng)。

在井內的電子設備同樣也會受到干擾或損壞，電磁脈沖可以穿透巖層或者通過井口干擾或損壞井內的電子設備，雖然電磁脈沖在穿透巖層時有一定衰減，但是其對井內設備的破壞力還是不容忽視的。

雷擊電磁脈沖同時也可作用于進入礦井的各種金屬管道和線纜形成過電壓干擾或損壞井內電子設備，造成瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、風機監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等監(jiān)控系統(tǒng)的癱瘓，造成生產事故。

經過以上分析可以將煤礦各部位和系統(tǒng)易遭受的主要雷害匯總如表1所示。

表1 煤礦各部位和系統(tǒng)易遭受的雷害匯總

3.煤礦的防雷保護

現(xiàn)代防雷技術原則強調全方位保護,綜合治理,多層設防,多思路考慮,把防雷作為一個系統(tǒng)工程來設計。表1得出了煤礦的各個系統(tǒng)和部位主要易遭受何種雷害，以下就煤礦上述各部位和系統(tǒng)如何有效防止主要雷害做了防雷保護設計。

3.1 煤礦辦公樓建筑主體的防雷保護

一般在煤礦礦區(qū)辦公樓建筑主體是最高的構筑物，根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》的建筑物防雷分類要求，屬第三類防雷建筑物。辦公樓建筑主體應沿屋角、屋脊和檐角等易受雷擊的部位敷設避雷網（帶），并應在整個屋面組成不大于20m×20m或24m×16m的網格。

對于突出屋面的物體，如為金屬物體可不裝接閃器，但應就近與避雷帶連接。在屋面避雷帶保護范圍之外的非金屬物體應裝接閃器，和屋面避雷帶連接。如下圖示：

圖1 辦公樓建筑主體屋面等電位連接示意圖

辦公樓建筑主體直擊雷防護裝置的引下線及其接地裝置應符合《建筑物防雷設計規(guī)范》關于第三類防雷建筑物的相關要求。

3.2 煤礦信息系統(tǒng)的防雷保護

煤礦的信息系統(tǒng)包括通信系統(tǒng)和各種監(jiān)控系統(tǒng)，其防雷措施應符合《電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》的要求。在進入信息系統(tǒng)機房的導電物均應在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區(qū)的界面處做等電位連接。當外來導電物、電力線、通信線在不同地點進入建筑物時，宜設若干等電位連接帶，并應就近連到環(huán)形接地體、內部環(huán)形導體或此類鋼筋上。它們在電氣上是貫通的并連通到接地體，含基礎接地體。

信息系統(tǒng)機房電源系統(tǒng)采用三級防護。信息系統(tǒng)信號線路浪涌保護器的選擇，應根據(jù)線路的工作頻率、傳輸介質、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口形式、特性阻抗等參數(shù)，選用電壓駐波比和插入損耗小的適配的浪涌保護器。

圖2 監(jiān)控機房防雷保護示意圖

在煤礦井口處將電源線、信號線分槽布設,護套信號線加套屏蔽金屬管,各條信號電纜之間作了橫向均壓連接, 并將進入井內的金屬管道、軌道、電纜金屬屏蔽層等均作了等電位連接并接地。在井下信息設備的終端加裝信號浪涌保護器。

3.3 煤礦供電系統(tǒng)的防雷保護

煤礦供電系統(tǒng)的防雷保護從直擊雷、雷電波侵入這兩個方面考慮，其主要防護部位有變電所、變電所內變壓器和輸電線路。

變電所預防直擊雷的有效措施就是在變電所安裝避雷裝置，按照《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，煤礦變電所應按第三類防雷建筑物進行設計。

變電所內的主變壓器最重要，應重點保護。利用變電所母線安裝閥型避雷器，把它接在主變壓器旁邊。在雷電波入侵到主變壓器時，產生全反射使它們身上的電壓升高，雷電波電壓曲線與閥型避雷器的較平坦的伏秒特性相交，使避雷器動作。

對有正常防雷的110~220kV變電所，流過避雷器的雷電流不大于5kA，在主變壓器沖擊耐壓大于避雷器沖擊放電電壓時，主變壓器得到可靠保護。其次要選擇好安裝避雷器的位置，它與主變壓器及其它設備的距離都應小于最大允許電氣距離，當一組不滿足要求時可再增一組。

圖3 電源防雷器整體示意圖

3.4煤礦炸藥庫的防雷保護

炸藥庫是煤礦井上最危險的部位，應從預防直擊雷和預防雷電感應兩個方面考慮。在預防直擊雷方面，應按第一類防雷建筑物的防雷措施設計。炸藥庫應安裝獨立的避雷針，為了降低在設計中避雷針的高度，建議盡量避免采用單針保護。

在庫區(qū)內設置防雷電感應的接地裝置,建筑物的金屬屋頂、金屬門窗、防靜電裝置、視頻監(jiān)控裝置等金屬物,均應可靠連接到防雷電感應的接地裝置上。

防雷電感應的接地裝置和電氣設備的接地裝置可共用,接地電阻不大于10Ω。防感應雷部分，主要有監(jiān)控設施等，其防范措施嚴格依照規(guī)范執(zhí)行，具體做法在前文已有敘述。

3.5 立井提升機房（架）的防雷保護

立井提升機房的防雷級別按照《煤礦安全規(guī)程》要求屬第二類防雷建筑物設計。

立井提升機房的防雷電波侵入、雷電電磁感應、雷擊電磁脈沖的措施和信息系統(tǒng)機房的措施大致相同。

立井提升架應按第三類防雷建筑物進行設計，立井提升架一般雖為金屬框架，可作為接閃器和引下線使用，但前提是立井提升架本身必須接地良好且雷電流泄放能力足夠好，這就要求其接地面積較大，能夠泄放絕大部分的雷電流入地。同時要做好纜繩、金屬管道和線纜的等電位連接，相鄰金屬物的跨接處理。

4.結論

由于煤礦雷電環(huán)境的特殊性,在對煤礦防雷工程進行設計時,必須對所涉及煤礦的地理、地質、氣象、環(huán)境、雷電活動規(guī)律、保護對象的狀況和特點等條件認真了解,深入到煤礦進行實地勘察,才能達到保障煤礦安全生產的目的。本文分析了煤礦的雷擊安全隱患及防雷保護，雖然比較簡要，但還是比較全面的。有錯誤和不足之處，敬請各位專家、同仁批評斧正。

本文編自《電氣技術》，作者為景東平、延雪花。