過曾明, 安建英, 杜貴文(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

礦山硐室常需設(shè)起吊裝置來滿足設(shè)備的安裝檢修，但由于起吊重量，起吊次數(shù)，起吊范圍和硐室所處巖層情況不同導致起吊裝置有不同的選擇和設(shè)計。礦山硐室常見的起吊裝置有3種：錨桿吊鉤、起吊梁和起重機。以下就分別介紹這3種起吊裝置的適用情況，設(shè)計選型以及注意事項。

2 錨桿吊鉤

錨桿吊鉤是礦山硐室起吊裝置中比較簡易的一種。錨桿吊鉤由外露的吊鉤和錨固段錨桿組成，錨固段錨桿采用水泥砂漿或樹脂錨固劑錨固[1]，待錨桿錨固穩(wěn)定后方可起吊設(shè)備。錨桿吊鉤如圖1所示。

2.1 錨桿吊鉤適用條件

錨桿吊鉤不僅加工簡單，而且施工操作也比較簡單。因此錨桿吊鉤在礦山硐室使用較多，但錨桿吊鉤在使用上有一定的約束條件：①要求起吊位置處巖層穩(wěn)定不破碎；②單個吊鉤起吊重量小于等于5t；③起吊范圍比較窄；④一般適用于臨時性或使用次數(shù)不多的起吊場所。礦山設(shè)有錨桿吊鉤的硐室有馬頭門、井底水泵房、排泥硐室和調(diào)車場等。

2.2 錨桿吊鉤設(shè)計

錨桿吊鉤在滿足以上適用條件的情況下，就可以根據(jù)起吊重量Q和黏結(jié)強度參數(shù)來進行設(shè)計，從而確定錨桿吊鉤截面積AS和吊鉤錨固段長度La[2]。

1)錨桿吊鉤截面積AS確定

查詢《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》，錨桿吊鉤截面積As依據(jù)起吊重量為

圖1 錨桿吊鉤

(1)

式中：As——錨桿吊鉤截面積， mm2；

Nd——錨桿拉力設(shè)計值， N；

fy——普通鋼筋抗拉強度設(shè)計值度，N/mm2；當為HPB300鋼筋抗拉強度設(shè)計值為270N/mm2；當為HRB335鋼筋抗拉強度設(shè)計值為300N/mm2。

Nd=1.35γwQ

(2)

式中：Nd——錨桿拉力設(shè)計值， N；

Q——錨桿起吊重量， N；

γw——工作條件系數(shù)，一般情況取1.1。

由以上公式計算確定錨桿吊鉤的直徑和牌號。

2) 錨桿吊鉤錨固長度La計算

查詢《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》，錨桿吊鉤錨固長度La用以下兩個公式計算，取其中的較大者。

(3)

(4)

式中：La——錨固段長度， mm；

Nd——錨桿拉力設(shè)計值， N；

fmg——錨固段注漿體與地層間極限黏結(jié)強度標準值(MPa或kPa)；

f′mg——錨固段注漿體與鋼筋間極限黏結(jié)強度標準值(MPa或kPa)；

D——錨桿錨固段鉆孔直徑，mm；

d——鋼筋直徑，mm；

K——錨固段注漿體與地層間黏結(jié)抗拔安全系數(shù)；

ξ——采用2根或2根以上鋼筋時，界面黏結(jié)強度降低系數(shù)，取0.70～0.85；

φ——錨固段長度對極限黏結(jié)強度的影響系數(shù)；

n——鋼筋根數(shù)。

由以上公式計算確定了錨桿吊鉤的錨固長度，而錨桿吊鉤總長度L是錨固長度La加上吊鉤長度Lb(Lb吊鉤長度由工藝專業(yè)確定)。

2.3 注意事項

在工程實際運用中，錨桿吊鉤還有如下幾點事項需要注意：

(1)當需要在起吊區(qū)域設(shè)置多個錨桿吊鉤時，應合理安排錨桿吊鉤之間的距離：吊鉤布置間距主要受起吊重量和硐室支護等級的影響；若起吊重量增大，吊鉤布置間距則應適當加大；若硐室支護等級加強，吊鉤布置間距則可適當減小[3]。

(2)當需要在起吊區(qū)域設(shè)置多個錨桿吊鉤時，起吊區(qū)域的圍巖等級應為Ⅲ類及以上。

(3)當起吊區(qū)域腐蝕性較強時，應考慮腐蝕對吊鉤的影響，設(shè)計應加大安全系數(shù)。

3 起吊梁

起吊梁是礦山硐室起吊裝置中較簡易的一種，它可以配合繩索或是電動葫蘆起吊設(shè)施裝備。起吊梁采用型鋼梁制作，其梁兩端采用預埋固定或是懸吊固定；當起吊距離較長時，可在起吊梁中間架設(shè)數(shù)根輔助連接鋼梁來減小起吊梁的跨度。起吊梁如圖2所示。

圖2 起吊梁

3.1 起吊梁優(yōu)缺點

起吊梁在礦山硐室使用較多，有如下優(yōu)點：①起吊數(shù)量不受巖層條件影響，起吊點可以靈活布置；②起吊距離比較長；③起吊梁加工安裝比較方便。起吊梁缺點：①起吊重量比較小，一般在10t左右；②起吊梁和輔助鋼梁都比較長，坑內(nèi)運輸不方便。礦山設(shè)有起吊梁的硐室有卸載硐室、中央水泵房硐室、無軌維修硐室、有軌維修硐室、皮帶尾部硐室和皮帶頭部硐室等。

3.2 起吊梁設(shè)計

起吊梁設(shè)計需要進行如下計算：①起吊梁的型號確定，起吊梁的抗彎驗算、抗剪驗算和撓度驗算[4]；②輔助連接鋼梁型號確定，輔助連接鋼梁的抗彎驗算、抗剪驗算、撓度驗算和端部固定驗算(預埋深度驗算)；③起吊梁與輔助連接鋼梁連接螺栓的強度驗算。

1) 起吊梁設(shè)計

起吊梁設(shè)計：一般按起吊重量Q作用在最不利位置，L采用最大跨度的數(shù)值Lmax，具體如圖3所示。

圖3 起吊梁計算簡圖

(1)起吊梁的型號確定。

查詢《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》，起吊梁型號通過截面抵抗矩Wx來確定為

(5)

式中：Wx——對x軸凈截面抵抗矩， mm3；

Q——起吊重量，N;

f——鋼材的抗彎強度設(shè)計值，N/mm2；

Lmax——梁的最大跨度，mm；

α——重要性系數(shù)，取1.2；

γG——永久荷載分項系數(shù)，取1.2；動荷載分項系數(shù)，取1.4。

設(shè)計選取的起吊梁的截面抵抗矩W0應大于Wx：考慮井下的腐蝕環(huán)境，起吊梁型號規(guī)格應留有一定的富余系數(shù)。

(2)起吊梁的抗彎，抗剪和撓度驗算

①起吊梁抗彎驗算

(6)

式中：f——鋼材的抗彎強度設(shè)計值，N/mm2；

σ——起吊梁最大彎矩處的正應力，N/mm2；

W0——起吊梁對x軸凈截面抵抗矩， mm3。

②起吊梁抗剪驗算

τ=V×S/(I×tw)≤fv

(7)

式中：fv——鋼材抗剪強度設(shè)計值，N/mm2；

τ——起吊梁最大剪應力，N/mm2；

V——起吊梁的最大剪力，N；

I——起吊梁截面慣性矩， mm4；

S——計算剪力處以上毛截面對中和軸的面積矩，mm3。

③起吊梁豎向撓度驗算

起吊梁的豎向撓度ν，等截面簡支梁為

(8)

2)輔助連接鋼梁設(shè)計

輔助連接鋼梁對起吊梁起到減跨和提高側(cè)向穩(wěn)定性的作用，其計算簡圖如圖2所示。

(1)輔助連接鋼梁的型號確定。

查詢《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》，輔助連接鋼梁型號通過截面抵抗矩Wx為

(9)

式中：Wx——對x軸凈截面抵抗矩， mm3；

Mmax——輔助連接鋼梁的最大彎矩，N·mm；

f——鋼材的抗彎強度設(shè)計值，N/mm2。

當LX≥LY時，

(10)

輔助連接鋼梁的截面抵抗矩W0應大于Wx：考慮井下的腐蝕環(huán)境，輔助連接鋼梁型號規(guī)格應留一定的富余系數(shù)。

(2)輔助連接鋼梁的抗彎、抗剪、撓度驗算和端部固定驗算。

①輔助連接鋼梁抗彎驗算

(11)

式中：f——鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值，N/mm2；

σ——輔助連接鋼梁最大彎矩處的正應力，N·m；

W0——輔助連接鋼梁對x軸凈截面抵抗矩， mm3。

②輔助連接鋼梁抗剪驗算

τ=V×S/(I×tw)≤fv

(12)

式中:fv——鋼材抗剪強度設(shè)計值，N/mm2；

τ——輔助連接鋼梁最大剪應力，N/mm2；

V——輔助連接鋼梁的最大剪力，N；

I——輔助連接鋼梁截面慣性矩， mm4；

S——計算剪力處以上毛截面對中和軸的面積矩，mm3。

③輔助連接鋼梁豎向撓度驗算

輔助連接鋼梁的豎向撓度ν，等截面簡支梁可按式(13)計算。另L=LX+LY+LZ，當LX≥LY時，

(13)

④輔助連接鋼梁端部固定驗算

輔助連接鋼梁端部固定驗算即要求鋼梁預埋深度LS≥輔助連接鋼梁的梁高H。

3)連接螺栓設(shè)計

連接螺栓的直徑根據(jù)起吊梁和輔助連接鋼梁的規(guī)格來確定：即鋼梁的翼緣開孔直徑規(guī)定(取二者中的較小者)，得出螺栓直徑為開孔直徑-2mm。

3.3 注意事項

在工程實際運用中，起吊梁還有如下幾點事項需要注意：

(1)當硐室超挖較多時，會導致輔助連接鋼梁跨度加大，則起吊系統(tǒng)的安全性降低。出現(xiàn)以上情況時，可以加大輔助連接鋼梁型號，也可以采用錨桿懸吊來減跨。

(2)當現(xiàn)場采用托架固定輔助鋼梁兩端時，須嚴格驗算托架的強度和穩(wěn)定，以及驗算錨桿的抗剪和抗拔。

4 起重機

起重機是礦山硐室起吊裝置中比較復雜的一種。它有專門的起吊裝備(由廠家生產(chǎn)供應)和一系列配套設(shè)施，如吊車梁，車檔，軌道和牛腿立柱等。廠家根據(jù)起吊重量和跨度生產(chǎn)起重機裝備，而配套設(shè)施則根據(jù)相關(guān)的裝備參數(shù)和起吊重量來設(shè)計。起重機如圖4所示。

圖4 起重機

4.1 起重機優(yōu)缺點

在礦山硐室內(nèi)，起重機主要用于大型裝備的安裝和檢修。它有以下優(yōu)點：①起吊重量大，大鉤能起吊5～50t，小鉤能起吊10t及其以下重量；②起吊范圍比較大，可以在兩個方向上移動；③起吊設(shè)備比較平穩(wěn)安全。起重機的缺點：①安裝比較復雜；②工程造價比前二者高很多；③起重機運行的硐室尺寸要求大，造成硐室開挖和支護成本高，難度大。礦山設(shè)有起重機的硐室有破碎硐室、卷揚機硐室和天輪硐室等。

4.2 起重機設(shè)計

起重機設(shè)計主要集中于吊車梁、運行軌道、牛腿和車檔的設(shè)計，其中吊車梁、運行軌道和車檔可根據(jù)《鋼吊車梁》集中吊車梁選用表來選取設(shè)計；牛腿可根據(jù)設(shè)計的外載荷和相關(guān)參數(shù)，查看《新編混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》中的牛腿配筋表來設(shè)計[5]。

4.3 注意事項

在工程實際運用中，起重機還有以下幾點事項需要注意：

(1)在滿足起重機使用的前提下，應保證硐室壁與起重機的最小間距符合安全規(guī)程，特別需要核實硐室高度。如果硐室高度不夠，會導致起重機移動區(qū)域受限，最終無法滿足安裝檢修的需求。

(2)當起重機硐室采用噴錨網(wǎng)支護時，牛腿與立柱應采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。鋼牛腿立柱設(shè)計除了應考慮立柱強度、穩(wěn)定性外，還應考慮立柱間的穩(wěn)定連接，立柱和硐室直墻、底板的連接。

5 結(jié)論

本文介紹了3種常見礦山硐室的起吊裝置：錨桿吊鉤、起吊梁和起重機，并列出其適用情況和優(yōu)缺點，最后詳細分析了起吊裝置選取設(shè)計以及注意事項。本文對礦山硐室有類似起吊裝置的選取設(shè)計有一定借鑒意義。