深井接地在岩石丘陵地区的应用与探讨

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深井接地在岩石丘陵地区的应用与探讨

陈正锋

(大同煤矿集团 宏远工程建设有限责任公司,山西大同037003)

摘要在矿山基本建设中，矿区变电所、风井场地及瓦斯抽放泵站等建(构)筑物一般建设在山区上，该区域气候干燥，雨水少，地质以岩石为主，场区传统的水平式接地网接地电阻满足不了设计规范要求，故如何降低场区接地电阻，长期有效地保证场区设备及人身安全，显得尤为重要。介绍了岩石丘陵地区的室外防雷接地施工应用情况，通过实例对垂直式深井接地与传统的水平式接地的实用性进行了比较，验证了岩石地区采用深井接地的经济性和可靠性，符合国内岩石丘陵地区室外接地网施工、改造的发展趋势。

关键词深井接地；岩石丘陵地区；施工

收稿日期：2014-11-21

作者简介：陈正锋(1972—)，男，四川重庆人，2012年毕业于长沙理工大学，工程师，主要从事机电工程方面的研究工作

中图分类号：TD608

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)01-0043-03

AbstractIn the basic construction of coal mine, the buildings such as mine substation, ventilation shaft site, gas drainage pumping station and others are usually in the mountains area. The climate of the region is dry and less rain, rock is the main geology. In the areas, it can't satisfy the design specification requirement of horizontal grounding network grounding resistance in tradition, so it is particularly important that how to reduce the ground resistance and chronically and effectively ensure the safety of equipment and person in court areas. Introduces the application situation of outdoor lightning protection construction in rock hilly region. The practicability of vertical deep well grounding and horizontal grounding in tradition are compared by living example. Verifies the economy and reliability of deep well grounding in rock hilly region, it conforms to construction and reconstruction trend of outdoor grounding grid in domestic rock hilly region.

在矿山基本建设过程中，矿区的变电所、风井场地及地面瓦斯抽放泵站等建(构)筑物一般建设在矿区井田区域的山区上，该区域气候干燥，雨水少，地质以岩石为主，地面表皮软土厚度约为100 mm，碎石结合体厚度约为1 000 mm，土壤层较薄，对水、气隔绝能力较差，水分挥发向下渗透较为严重，降雨时上层滞水，即从地面流失，雨过天晴，土壤很快变干。场区传统的水平式接地网接地电阻满足不了设计规范要求，因此，采取何种接地施工方法，降低场区接地电阻，长期有效地保证场区设备及人身安全，显得尤为重要。

1施工实例

2012年10月—2013年8月，同煤集团宏远工程建设有限责任公司承揽施工了大同煤矿集团大唐塔山煤矿有限公司二盘区风井广场地面瓦斯抽放泵站安装工程，其中地面防雷接地工程设计为5座避雷线塔，每座避雷线塔均采用“口”字型水平接地网独立接地。其水平接地线采用-40 mm×4 mm热镀锌扁钢焊接连接，接地极采用G50δ=3.5 mm，L=2 500 mm镀锌钢管，间隔5 m垂直埋入，埋深-800 mm.同时，在埋设接地极及接地线时，全部换填素土及降阻剂。经施工后测试，该避雷线塔独立接地电阻分别达到112 Ω、212 Ω、115 Ω、160 Ω、180 Ω，系统接地电阻为182 Ω，远远大于设计及规范要求(10 Ω)，不能保证场区设备安全及人身安全。

根据现场勘测情况(图1)，由于瓦斯泵站位于山顶位置，该地区土质主要以岩石层为主，表层软土在100～150 mm，土壤电阻率较高，降低接地电阻难度较大。同时，当地的年雷暴日在41.4 d/a，容易受到雷电袭击。为了保证场区及设备安全可靠，经施工方与业主和设计院沟通，对原防雷接地设计方案“水平式接地网”进行重新改造施工。

图1　岩石土层结构图

该方案的改造重点就是如何降低场区的接地电阻，以达到设计要求。为了达到降低接地电阻的目的，从电阻公式R=ρε/C可知，降低接地电阻有以下两种途径：

1) 增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容C.2) 改善地质电学性质，减小土壤的电阻率ρ和介电系数ε.因此，根据土壤的特点，当土壤电阻率ρ一定(<300 Ω·m)时，水平接地网的接地电阻基本是由地网面积决定；当土壤电阻率ρ较高(≥300 Ω·m)时，地网接地电阻就很难达到设计要求。

从第一种途径看，增大接地体几何尺寸就需要增大水平地网，根据水平地网接地电阻计算公式：

R=0.443ρS-1/2+ρL-1/2=0.5ρS-1/2

式中：

L—接地体的总长度，m；

ρ—土壤电阻率，Ω·m；

S—水平地网的面积，m2.

由上可知，要使接地电阻<10 Ω，则水平地网的面积S≥0.002 5ρ2.设土壤电阻率ρ=300 Ω·m，则每座线塔水平地网面积要>225 m2，5座塔水平接地网就需要>1 125 m2.

故要降低地网的接地电阻，仅仅停留在地层表面，采用传统的水平扩大地网面积的办法，在岩石高土壤电阻率地区是不可取的，也无法得到稳定的理想的接地电阻值，这在实际操作中是极不经济，也是不可行的。所以，需要在不增加水平地网面积的情况下，将接地体延伸到地下，与地下含水土层接壤，实现降阻的目的。等效的接地网结构图见图2.

图2　 等效的接地网结构图

如图2所示，原地网设计为“口”字型地网，水平接地线为-40 mm×4 mm热镀锌扁钢，垂直接地体为d50 mm热镀锌钢管。

改造施工时，在不增加其水平地网的情况下，根据土壤分层情况，在水平接地网的终端用工程钻探机钻d50 mm,深60 m的接地深井，垂直引长接地极，并将深井内的接地镀锌钢管与水平接地线扁钢焊接连通，形成一个独立完善的接地网，同时在接地深井内采用压力灌浆工艺灌注JLD-II物理高效降阻剂，以得到更低更稳定的接地电阻值。采用该方案施工后，在晴朗干燥天气用ZC-8摇表测试，每座避雷塔接地电阻值分别为2.1 Ω、1.2 Ω、1.2 Ω、1.0 Ω、0.9 Ω，系统接地电阻为1.2 Ω，达到了设计规范要求(10 Ω).

2应用情况及社会经济效益分析

以施工工程为例。

1) 原设计水平地网总面积(以电阻R=10 Ω计算)。

由式(1)，求得：

每座线塔接地面积：S=225 m2

5座线塔接地网总面积：S总=1 125 m2

2) 原设计水平地网施工费用(元，原地网面积1 125 m2)：

直接费用(含其它直接费)5 000元，间接费1 000元，材料费2 500元，合计85 000元。

3) 采用传统方式向外扩大水平地网费用(万元)。

a) 水平改造后地网的总面积。

将已改造后的接地电阻值(以施工后最大阻值2.1 Ω计算)代入式(1)，求得每座线塔接地面积：S=5 102 m2.

5座线塔接地网总面积:S总=25 510.7 m2

b) 增加的地网面积。

S增=25 510.7-1 125=24 385.7 m2

c) 增加的地网面积与原设计地网面积比较。

24 385.7÷1 125=21.676(倍)

d) 计算水平扩网所需的费用(万元)。

8.5×21.676=184.25万元

4) 采用深井接地发生的费用。

每座线塔钻孔4个，每个单价为2万元，小计8万元，灌降阻剂3.84万元，其它费用2万元，合计13.84万元。

企业应该尽量从原产地或者可靠的采购途径拿货，以保证产品质量。企业可以雇佣专业性较强的采购人员设计相关的采购标准或由采购人亲自把握拿货的质量。例如某超市共100平米，用50平米来卖生鲜，员工一半人负责这项业务，销售的业绩一半也来自此类产品，此类产品的价格比市面上低一成。这是因为这个超市有约三百位员工组成了一个生鲜采购的团队，大家分别负责不同的产品类别，更是有采购人员直接在原产地工作，与当地人进行良性沟通互相帮助，使得他们生产的产品质量有保证。再经过仔细的挑选等一系列步骤，以保证产品在交给承运人之前的品质。从根源上就能够把握住产品，来降低运输、仓储等成本。

5座线塔共计：69.2万元。

5) 水平扩网与深井接地费用比较。

节省费用：184.25-69.2=115.05万元。

故根据上述分析计算，利用深井接地，经济效益十分明显。该方案能有效降低岩石地区工业场区接地电阻，符合设计规范要求，达到降阻持续时间长、系统稳定、耐腐蚀、安全可靠的理想效果。

同时，该方案减少了场区占地面积，能长期有效地保证场区设备及人身安全，投资少、工期短，社会经济效益显著。

3施工中应注意的问题

1) 施工中，深井位置必须根据现场实际情况进行选择，一般安设在地网边沿效果较好。若选择在地网中间，由于水平接地极的屏蔽作用，其效果会大大减少。

2) 钻探深孔时，只要找出地下深层土壤电阻率较低的区域即可。钻孔深度需结合地质情况，从经济实用的角度出发，一般不穿过未风化的板岩层。孔距一般不能小于水平地网的等值半径，尽可能使地网形成半球状。

4总结

深井接地施工实际上是在不扩大水平地网的基础上向大地纵深寻求扩大地网面积，即在垂直方向加大地网尺寸，与水平地网连接，形成立体地网。它具有以下几个特点：

1) 接地极能与土壤良好接触，降低了接地极与周围土壤的接触电阻。

2) 由于地网尺寸加大，使接地体等效直径加大，降低了接地电阻。

3) 深井内灌注的长效物理降阻剂由导电的非电解质固体粉末及起固化作用的水泥组成，电阻率低，接地电阻稳定，降阻效果不受季节变化、酸碱、温度及湿度影响，能长期保持。

4) 接地极采用镀锌材料及深埋，具有可靠的防腐性能，能保证接地的可靠性和有效性。

5) 能减少场区占地面积，经济效果明显。

因此，深井接地对岩石地区地网降阻的效果是明显的，符合国内岩石丘岭地区室外接地网施工、改造的发展趋势。

参考文献

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Application and Discussion on Deep Well Grounding in Rock Hilly Areas

CHEN Zhengfeng

Key wordsDeep well grounding; Rock hilly region; Construction

·专题综述·