井下帶式輸送機(jī)機(jī)頭地腳螺栓錨固特性研究

張 杰，何義峰，甄 澤，李宏儒，康小杰

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.榆林市楊伙盤煤礦，陜西 榆林 719316)

目前地腳螺栓的研究大多針對(duì)地表松散層錨固，對(duì)基巖和井下巷道錨固的研究甚少。如規(guī)范中提出多種關(guān)于地面鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法及實(shí)施辦法[1]。對(duì)于地腳螺栓傳統(tǒng)錨固主要包括混凝土基座固定和底座固定兩種方法，在傳統(tǒng)錨固基礎(chǔ)上研究人員提出了盾式地腳螺栓設(shè)備安裝，逐漸成為大型設(shè)備安裝過程中所采用的主要選擇之一[2，3]。針對(duì)建設(shè)工程中預(yù)埋地腳螺栓安裝所用模具通用性差的問題，通過設(shè)計(jì)可調(diào)矩形定位模具和木質(zhì)胎具整體定位法，提高了地腳螺栓安裝時(shí)的通用性和精準(zhǔn)度[4，5]。隨著地腳螺栓使用的普遍性，有限元算法[6-8]被引入研究地腳螺栓基礎(chǔ)參數(shù)[9，10]、受力機(jī)理[11]及節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[12-15]。由于地腳螺栓使用場(chǎng)所的復(fù)雜性，部分學(xué)者利用模糊控制理論、參數(shù)化建模、合成少數(shù)類過采樣技術(shù)和深度置信網(wǎng)絡(luò)診斷方法研究地腳螺栓的錨固特性和帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)沿線帶式輸送機(jī)速度的跟蹤調(diào)節(jié)，保證了帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性[16-21]。

為了提高井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，以韓家灣煤礦3401運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)機(jī)頭錨固基礎(chǔ)為背景，通過對(duì)地腳螺栓受力情況進(jìn)行分析研究，提出了合理的地腳螺栓錨固方案，為帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

韓家灣煤礦3401運(yùn)輸巷服務(wù)年限為12個(gè)月，運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2433.7m(平距)。3-1煤平均厚度為2.4m，傾角為1.5°，屬穩(wěn)定煤層，直接底為粉砂巖，厚度為1.3m左右，屬穩(wěn)定底板，遇水不易弱化，巖層抗壓強(qiáng)度為34.6MPa；基本底為4.3m厚的泥巖層，浸水易被弱化，屬不穩(wěn)定底板，底板巖層綜合柱狀圖如圖1所示。

1.2 機(jī)頭地腳螺栓概況

3401運(yùn)輸巷布置DSJ120/150/2×355型帶式輸送機(jī)，機(jī)頭段長(zhǎng)度為80m，重542200kg。機(jī)頭錨固段并排埋設(shè)106根180°J 型地腳螺栓。螺栓鉆孔直徑為100mm，采用標(biāo)號(hào)C25強(qiáng)度等級(jí)為11.9MPa，抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.5MPa的混凝土作為錨固劑，連續(xù)灌漿一次完成。

2 地腳螺栓破壞機(jī)理分析

井下地腳螺栓緊固力由混凝土錨固劑施加向下的摩擦力提供，地腳螺栓受力如圖2所示。選取地腳螺栓單位長(zhǎng)度Δl產(chǎn)生的錨固力作為研究對(duì)象，底板錨固地腳螺栓受底板水平應(yīng)力P1，混凝土錨固劑產(chǎn)生的P2作用?；炷帘诤穸萴決定P2的大小。當(dāng)?shù)啬_螺栓受到垂直向上的拉拔力F′時(shí)，混凝土錨固劑產(chǎn)生垂直向下的摩擦力F。

對(duì)地腳螺栓Δl長(zhǎng)度進(jìn)行積分，可得式(1)混凝土錨固劑對(duì)單位長(zhǎng)度地腳螺栓的摩擦力F：

式中，μ為摩擦系數(shù)；π為常數(shù)。

由式(1)可知，地腳螺栓錨固深度一定時(shí)，P1即為定值。地腳螺栓直徑r增大，混凝土壁厚度m減小，混凝土作用力P2與地腳螺栓直徑呈負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì)。當(dāng)?shù)啬_螺栓實(shí)際錨固直徑rs小于所需錨固直徑rx時(shí)，單位有效錨固面積減小，從而F′≥F；地腳螺栓錨固直徑rs≥rx，混凝土壁m減小，此時(shí)F′≥F。由此可見，為了實(shí)現(xiàn)地腳螺栓錨固性能的最大化，應(yīng)綜合考慮地腳螺栓直徑r和混凝土壁m值的厚度。

3 機(jī)頭及地腳螺栓受力分析

3.1 帶式輸送機(jī)機(jī)頭受力分析

通過對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)頭進(jìn)行受力分析，計(jì)算機(jī)頭對(duì)地腳螺栓施加的垂直分力和水平分力。帶式輸送機(jī)機(jī)頭受力模型如圖3所示，該模型主要包括傳動(dòng)滾筒、改向滾筒、底座及三角結(jié)構(gòu)梁。傳動(dòng)滾筒與電動(dòng)機(jī)相連為整個(gè)帶式輸送機(jī)提供動(dòng)力，改向滾筒通過輸送帶和三角結(jié)構(gòu)梁與傳動(dòng)滾筒相連形成輸送帶張力，為保證帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行取最大運(yùn)行功率進(jìn)行計(jì)算。

機(jī)頭受力支撐點(diǎn)為A、B預(yù)埋板，地腳螺栓對(duì)預(yù)埋板進(jìn)行錨固。機(jī)頭運(yùn)行時(shí)輸送帶形成較大張力S1和S2，帶式輸送機(jī)滿載啟動(dòng)時(shí)，輸送帶受力最大，因此對(duì)滿載啟動(dòng)時(shí)機(jī)頭的受力狀態(tài)進(jìn)行研究。機(jī)頭存在自身重量的結(jié)構(gòu)分別為傳動(dòng)滾筒、改向滾筒和頭架且均作用于A、B預(yù)埋板。首先，通過式(2)對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)頭在垂直方向的受力進(jìn)行計(jì)算：

FY=(FAY+FBY)ξ+G1+G2+G3+(S1+S2)sinα=0

(2)

式中，G1為頭部滾筒重量，kg；G2為改向滾筒重量，kg；G3為頭架重量，kg；S1為頭部滾筒奔離點(diǎn)最大張力，kN；S2為頭部滾筒趨入點(diǎn)最大張力，kN；α為膠帶傾角，(°)；ξ為外力修正系數(shù)。

將預(yù)埋板A點(diǎn)作為研究對(duì)象，帶式輸送機(jī)機(jī)頭滿載啟動(dòng)瞬間作為研究狀態(tài)，可根據(jù)式(3)計(jì)算地腳螺栓的垂直分力：

∑MA=[(H1+D/2)S2+(H2+d/2)S1]ξ×cosα+

L2G2+L3G3-L1G1+LFBY=0

(3)

式中，H1為傳動(dòng)滾筒中心高，mm；D為頭部滾筒直徑，mm；H2為改向滾筒中心高，mm；d為改向滾筒直徑，mm；L為A、B點(diǎn)水平距離，mm；L1為頭部滾筒距A點(diǎn)距離，mm；L2為改向滾筒距A點(diǎn)距離，mm；L3為頭架重心距A點(diǎn)距離，mm。

輸送帶張力作用于機(jī)頭形成水平作用力，由預(yù)埋板作用于地腳螺栓。通過(4)式對(duì)帶式輸送機(jī)水平方向受力進(jìn)行計(jì)算：

∑FX=(FAX+FBX)ξ-(S1+S2)cosα=0

(4)

A、B預(yù)埋板為同一水平不同節(jié)點(diǎn)，當(dāng)A板受到水平作用力F時(shí)，通過鋼架作用于B板，A、B兩預(yù)埋板受力相同，既FAX=FBX。

將韓家灣煤礦采用的DSJ120/150/2×355型帶式輸送機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)、(4)，求得單個(gè)預(yù)埋板對(duì)地腳螺栓施加的垂直分力為113.3kN(拉拔力)和177.2kN(壓力)及水平分力為94.7kN。

3.2 地腳螺栓參數(shù)優(yōu)化

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)3401主運(yùn)輸巷機(jī)頭地腳螺栓錨固進(jìn)行模擬，煤巖體及地腳螺栓相關(guān)參數(shù)見表1。設(shè)計(jì)模型尺寸為20m(X軸)×3m(Y軸)×12.5(Z軸)。運(yùn)輸巷寬5m，高2.4m。模型上表面為覆巖層自重應(yīng)力邊界，載荷施加值為3.02MPa，材料的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，采用大變形進(jìn)行計(jì)算。模型上邊界為自由邊界，其它邊界為位移約束。根據(jù)理論計(jì)算及Q235鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，由cable單元模擬直徑分別為?30mm、?36mm、?42mm的地腳螺栓，將地腳螺栓的拉拔力以預(yù)緊力的形式體現(xiàn)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工預(yù)緊力的損失問題，由現(xiàn)場(chǎng)施工知損失量系數(shù)為10%～15%，此處取15%，因此對(duì)地腳螺栓施加130kN的初始預(yù)緊力。

3.3 地腳螺栓直徑對(duì)錨固性能的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝位置，將地腳螺栓分別錨固在距巷道左幫0.6m和2.6m處。地腳螺栓模擬長(zhǎng)度為1.2m，直徑分別為?30mm、?36mm、?42mm。通過研究錨固范圍內(nèi)的底板垂直應(yīng)力和位移，從而確定合理的地腳螺栓錨固直徑，模擬結(jié)果以地腳螺栓錨固點(diǎn)的巷道橫截面切片，垂直應(yīng)力云圖和垂直位移云圖分別如圖4、圖5所示。

由圖4可以得：采用?30mm的地腳螺栓對(duì)機(jī)頭錨固時(shí)，地腳螺栓錨固端頭形成一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，由螺栓錨固端頭到自由端，底板最先受到擠壓應(yīng)力后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，受到最大垂直壓應(yīng)力為2.8MPa。地腳螺栓為?36mm、?42mm時(shí)，底板最大垂直壓應(yīng)力分別為2.7MPa、2.5MPa，最大垂直拉應(yīng)力分別為0.92MPa、0.89MPa、0.98MPa。地腳螺栓直徑的增大有利于減小底板錨固時(shí)形成的應(yīng)力集中，但在地腳螺栓直徑為42mm時(shí)，底板拉應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較大。由此可見，地腳螺栓直徑與底板的垂直壓應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)性，同垂直拉應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

表1 模型各材料的物理力學(xué)性質(zhì)

由圖5可以得：采用?30mm的地腳螺栓對(duì)機(jī)頭錨固時(shí)，螺栓錨固點(diǎn)產(chǎn)生垂直向上的位移，最大可達(dá)4.19mm。地腳螺栓為?36mm、?42mm時(shí)，錨固點(diǎn)處的底板最大垂直向上位移分別為1.36mm、3.40mm。由此表明，當(dāng)?shù)啬_螺栓直徑增大時(shí)，底板的垂直向上位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

在地腳螺栓直徑為42mm時(shí)，垂直拉應(yīng)力和垂直向上位移明顯增大。因此，并不表明選用大直徑地腳螺栓錨固機(jī)頭更好，應(yīng)合理選擇地腳螺栓直徑和混凝土壁厚度，綜合考慮決定選用型號(hào)為?36×1200mm的地腳螺栓對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)頭進(jìn)行錨固。

4 工程實(shí)踐

采用GMY400錨桿(索)測(cè)力計(jì)對(duì)三種直徑的地腳螺栓緊固力(殘存預(yù)緊力)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由地腳螺栓緊固力損失量圖可看出，?36mm地腳螺栓在加速損失階段、緩慢損失階段、穩(wěn)定階段緊固力損失率分別為8.25%、3.19%、1.43%，整體損失率為12.45%。?30mm地腳螺栓在三個(gè)階段的損失率分別為13.17%、8.17%、1.98%，整體損失率為22.31%。?42mm損失率分別為9.77%、4.13%、1.98%，整體損失率為15.22%。?36mm地腳螺栓較?30mm和?42mm地腳螺栓緊固力損失量分別減小了44.19%和18.19%，且穩(wěn)定階段仍可滿足帶式輸送機(jī)機(jī)頭所需緊固力。地腳螺栓緊固力損失量如圖6所示。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，選用?36mm的地腳螺栓緊固力損失量明顯低于另外兩種直徑的地腳螺栓緊固力損失量，很大程度上提高了地腳螺栓的錨固性能，保證了帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

1)分析了地腳螺栓破壞機(jī)理，研究表明地腳螺栓的錨固性能主要受地腳螺栓直徑和混凝土壁的厚度影響，為了實(shí)現(xiàn)地腳螺栓錨固性能的最大化，應(yīng)綜合考慮二者的取值。

2)建立了帶式輸送機(jī)機(jī)頭受力力學(xué)模型，計(jì)算了地腳螺栓所受的拉拔力、垂直壓力和水平分力，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了帶式輸送機(jī)機(jī)頭錨固的合理地腳螺栓直徑為?36mm。

3)在韓家灣煤礦使用GMY400錨桿(索)測(cè)力計(jì)對(duì)三種直徑地腳螺栓緊固力進(jìn)行為期24周的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明?36mm地腳螺栓很大程度上減小了緊固力的損失，改善了地腳螺栓錨固的整體性能和預(yù)防了機(jī)頭事故的發(fā)生。