淺議礦山硐室起吊裝置的設(shè)計(jì)

過(guò)曾明, 安建英, 杜貴文(中國(guó)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(lái)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(dǎo)致起吊裝置有不同的選擇和設(shè)計(jì)。礦山硐室常見(jiàn)的起吊裝置有3種：錨桿吊鉤、起吊梁和起重機(jī)。以下就分別介紹這3種起吊裝置的適用情況，設(shè)計(jì)選型以及注意事項(xiàng)。

2 錨桿吊鉤

錨桿吊鉤是礦山硐室起吊裝置中比較簡(jiǎn)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(shù)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(jiǎn)單，而且施工操作也比較簡(jiǎn)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(gè)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(shí)性或使用次數(shù)不多的起吊場(chǎng)所。礦山設(shè)有錨桿吊鉤的硐室有馬頭門(mén)、井底水泵房、排泥硐室和調(diào)車場(chǎng)等。

2.2 錨桿吊鉤設(shè)計(jì)

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(qiáng)度參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確定錨桿吊鉤截面積AS和吊鉤錨固段長(zhǎng)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(hù)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(jì)值， N；

fy——普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值度，N/mm2；當(dāng)為HPB300鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為270N/mm2；當(dāng)為HRB335鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為300N/mm2。

Nd=1.35γwQ

(2)

式中：Nd——錨桿拉力設(shè)計(jì)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(jì)算確定錨桿吊鉤的直徑和牌號(hào)。

2) 錨桿吊鉤錨固長(zhǎng)度La計(jì)算

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

(3)

(4)

式中：La——錨固段長(zhǎng)度， mm；

Nd——錨桿拉力設(shè)計(jì)值， N；

fmg——錨固段注漿體與地層間極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa或kPa)；

f′mg——錨固段注漿體與鋼筋間極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，界面黏結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.70～0.85；

φ——錨固段長(zhǎng)度對(duì)極限黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)；

n——鋼筋根數(shù)。

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

2.3 注意事項(xiàng)

在工程實(shí)際運(yùn)用中，錨桿吊鉤還有如下幾點(diǎn)事項(xiàng)需要注意：

(1)當(dāng)需要在起吊區(qū)域設(shè)置多個(gè)錨桿吊鉤時(shí)，應(yīng)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(hù)等級(jí)的影響；若起吊重量增大，吊鉤布置間距則應(yīng)適當(dāng)加大；若硐室支護(hù)等級(jí)加強(qiáng)，吊鉤布置間距則可適當(dāng)減小[3]。

(2)當(dāng)需要在起吊區(qū)域設(shè)置多個(gè)錨桿吊鉤時(shí)，起吊區(qū)域的圍巖等級(jí)應(yīng)為Ⅲ類及以上。

(3)當(dāng)起吊區(qū)域腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，應(yīng)考慮腐蝕對(duì)吊鉤的影響，設(shè)計(jì)應(yīng)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(jiǎn)易的一種，它可以配合繩索或是電動(dòng)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(yù)埋固定或是懸吊固定；當(dāng)起吊距離較長(zhǎng)時(shí)，可在起吊梁中間架設(shè)數(shù)根輔助連接鋼梁來(lái)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(diǎn)

起吊梁在礦山硐室使用較多，有如下優(yōu)點(diǎn)：①起吊數(shù)量不受巖層條件影響，起吊點(diǎn)可以靈活布置；②起吊距離比較長(zhǎng)；③起吊梁加工安裝比較方便。起吊梁缺點(diǎn)：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(zhǎng)，坑內(nèi)運(yùn)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(wú)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(jì)

起吊梁設(shè)計(jì)需要進(jìn)行如下計(jì)算：①起吊梁的型號(hào)確定，起吊梁的抗彎驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算[4]；②輔助連接鋼梁型號(hào)確定，輔助連接鋼梁的抗彎驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算、撓度驗(yàn)算和端部固定驗(yàn)算(預(yù)埋深度驗(yàn)算)；③起吊梁與輔助連接鋼梁連接螺栓的強(qiáng)度驗(yàn)算。

1) 起吊梁設(shè)計(jì)

起吊梁設(shè)計(jì)：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(jì)算簡(jiǎn)圖

(1)起吊梁的型號(hào)確定。

查詢《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，起吊梁型號(hào)通過(guò)截面抵抗矩Wx來(lái)確定為

(5)

式中：Wx——對(duì)x軸凈截面抵抗矩， mm3；

Q——起吊重量，N;

f——鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(xiàng)系數(shù)，取1.2；動(dòng)荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.4。

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

(2)起吊梁的抗彎，抗剪和撓度驗(yàn)算

①起吊梁抗彎驗(yàn)算

(6)

式中：f——鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；

σ——起吊梁最大彎矩處的正應(yīng)力，N/mm2；

W0——起吊梁對(duì)x軸凈截面抵抗矩， mm3。

②起吊梁抗剪驗(yàn)算

τ=V×S/(I×tw)≤fv

(7)

式中：fv——鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；

τ——起吊梁最大剪應(yīng)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(jì)算剪力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩，mm3。

③起吊梁豎向撓度驗(yàn)算

起吊梁的豎向撓度ν，等截面簡(jiǎn)支梁為

(8)

2)輔助連接鋼梁設(shè)計(jì)

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

(1)輔助連接鋼梁的型號(hào)確定。

查詢《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，輔助連接鋼梁型號(hào)通過(guò)截面抵抗矩Wx為

(9)

式中：Wx——對(duì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

當(dāng)LX≥LY時(shí)，

(10)

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

(2)輔助連接鋼梁的抗彎、抗剪、撓度驗(yàn)算和端部固定驗(yàn)算。

①輔助連接鋼梁抗彎驗(yàn)算

(11)

式中：f——鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；

σ——輔助連接鋼梁最大彎矩處的正應(yīng)力，N·m；

W0——輔助連接鋼梁對(duì)x軸凈截面抵抗矩， mm3。

②輔助連接鋼梁抗剪驗(yàn)算

τ=V×S/(I×tw)≤fv

(12)

式中:fv——鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；

τ——輔助連接鋼梁最大剪應(yīng)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(jì)算剪力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩，mm3。

③輔助連接鋼梁豎向撓度驗(yàn)算

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

(13)

④輔助連接鋼梁端部固定驗(yàn)算

輔助連接鋼梁端部固定驗(yàn)算即要求鋼梁預(yù)埋深度LS≥輔助連接鋼梁的梁高H。

3)連接螺栓設(shè)計(jì)

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(lái)確定：即鋼梁的翼緣開(kāi)孔直徑規(guī)定(取二者中的較小者)，得出螺栓直徑為開(kāi)孔直徑-2mm。

3.3 注意事項(xiàng)

在工程實(shí)際運(yùn)用中，起吊梁還有如下幾點(diǎn)事項(xiàng)需要注意：

(1)當(dāng)硐室超挖較多時(shí)，會(huì)導(dǎo)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(shí)，可以加大輔助連接鋼梁型號(hào)，也可以采用錨桿懸吊來(lái)減跨。

(2)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采用托架固定輔助鋼梁兩端時(shí)，須嚴(yán)格驗(yàn)算托架的強(qiáng)度和穩(wěn)定，以及驗(yàn)算錨桿的抗剪和抗拔。

4 起重機(jī)

起重機(jī)是礦山硐室起吊裝置中比較復(fù)雜的一種。它有專門(mén)的起吊裝備(由廠家生產(chǎn)供應(yīng))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(jī)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(lái)設(shè)計(jì)。起重機(jī)如圖4所示。

圖4 起重機(jī)

4.1 起重機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)

在礦山硐室內(nèi)，起重機(jī)主要用于大型裝備的安裝和檢修。它有以下優(yōu)點(diǎn)：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(gè)方向上移動(dòng)；③起吊設(shè)備比較平穩(wěn)安全。起重機(jī)的缺點(diǎn)：①安裝比較復(fù)雜；②工程造價(jià)比前二者高很多；③起重機(jī)運(yùn)行的硐室尺寸要求大，造成硐室開(kāi)挖和支護(hù)成本高，難度大。礦山設(shè)有起重機(jī)的硐室有破碎硐室、卷?yè)P(yáng)機(jī)硐室和天輪硐室等。

4.2 起重機(jī)設(shè)計(jì)

起重機(jī)設(shè)計(jì)主要集中于吊車梁、運(yùn)行軌道、牛腿和車檔的設(shè)計(jì)，其中吊車梁、運(yùn)行軌道和車檔可根據(jù)《鋼吊車梁》集中吊車梁選用表來(lái)選取設(shè)計(jì)；牛腿可根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)手冊(cè)》中的牛腿配筋表來(lái)設(shè)計(jì)[5]。

4.3 注意事項(xiàng)

在工程實(shí)際運(yùn)用中，起重機(jī)還有以下幾點(diǎn)事項(xiàng)需要注意：

(1)在滿足起重機(jī)使用的前提下，應(yīng)保證硐室壁與起重機(jī)的最小間距符合安全規(guī)程，特別需要核實(shí)硐室高度。如果硐室高度不夠，會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)移動(dòng)區(qū)域受限，最終無(wú)法滿足安裝檢修的需求。

(2)當(dāng)起重機(jī)硐室采用噴錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)，牛腿與立柱應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鋼牛腿立柱設(shè)計(jì)除了應(yīng)考慮立柱強(qiáng)度、穩(wěn)定性外，還應(yīng)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(jiàn)礦山硐室的起吊裝置：錨桿吊鉤、起吊梁和起重機(jī)，并列出其適用情況和優(yōu)缺點(diǎn)，最后詳細(xì)分析了起吊裝置選取設(shè)計(jì)以及注意事項(xiàng)。本文對(duì)礦山硐室有類似起吊裝置的選取設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。