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        淺議礦山硐室起吊裝置的設(shè)計

        2020-11-23 06:59:34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
        中國礦山工程 2020年5期
        關(guān)鍵詞:錨桿礦山設(shè)計

        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。

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