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

1 前言

礦山硐室常需設起吊裝置來滿足設備的安裝檢修，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。礦山設有錨桿吊鉤的硐室有馬頭門、井底水泵房、排泥硐室和調車場等。

2.2 錨桿吊鉤設計

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和黏結強度參數(shù)來進行設計，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——錨桿拉力設計值， N；

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

Nd=1.35γwQ

(2)

式中：Nd——錨桿拉力設計值， 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——錨桿拉力設計值， N；

fmg——錨固段注漿體與地層間極限黏結強度標準值(MPa或kPa)；

f′mg——錨固段注漿體與鋼筋間極限黏結強度標準值(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抗拔安全系數(shù)；

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

φ——錨固段長度對極限黏結強度的影響系數(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，坑內運輸不方便。礦山設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 起吊梁設計

起吊梁設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) 起吊梁設計

起吊梁設計：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《鋼結構設計手冊》，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)輔助連接鋼梁設計

輔助連接鋼梁對起吊梁起到減跨和提高側向穩(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《鋼結構設計手冊》，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，而配套設施則根據(jù)相關的裝備參數(shù)和起吊重量來設計。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，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 起重機設計

起重機設計主要集中于吊車梁、運行軌道、牛腿和車檔的設計，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計；牛腿可根據(jù)設計的外載荷和相關參數(shù)，查看《新編混凝土結構設計手冊》中的牛腿配筋表來設計[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構設計。鋼牛腿立柱設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計有一定借鑒意義。