浅议矿山硐室起吊装置的设计

过曾明, 安建英, 杜贵文(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 前言

矿山硐室常需设起吊装置来满足设备的安装检修，但由于起吊重量，起吊次数，起吊范围和硐室所处岩层情况不同导致起吊装置有不同的选择和设计。矿山硐室常见的起吊装置有3种：锚杆吊钩、起吊梁和起重机。以下就分别介绍这3种起吊装置的适用情况，设计选型以及注意事项。

2 锚杆吊钩

锚杆吊钩是矿山硐室起吊装置中比较简易的一种。锚杆吊钩由外露的吊钩和锚固段锚杆组成，锚固段锚杆采用水泥砂浆或树脂锚固剂锚固[1]，待锚杆锚固稳定后方可起吊设备。锚杆吊钩如图1所示。

2.1 锚杆吊钩适用条件

锚杆吊钩不仅加工简单，而且施工操作也比较简单。因此锚杆吊钩在矿山硐室使用较多，但锚杆吊钩在使用上有一定的约束条件：①要求起吊位置处岩层稳定不破碎；②单个吊钩起吊重量小于等于5t；③起吊范围比较窄；④一般适用于临时性或使用次数不多的起吊场所。矿山设有锚杆吊钩的硐室有马头门、井底水泵房、排泥硐室和调车场等。

2.2 锚杆吊钩设计

锚杆吊钩在满足以上适用条件的情况下，就可以根据起吊重量Q和黏结强度参数来进行设计，从而确定锚杆吊钩截面积AS和吊钩锚固段长度La[2]。

1)锚杆吊钩截面积AS确定

查询《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》，锚杆吊钩截面积As依据起吊重量为

图1 锚杆吊钩

(1)

式中：As——锚杆吊钩截面积， mm2；

Nd——锚杆拉力设计值， N；

fy——普通钢筋抗拉强度设计值度，N/mm2；当为HPB300钢筋抗拉强度设计值为270N/mm2；当为HRB335钢筋抗拉强度设计值为300N/mm2。

Nd=1.35γwQ

(2)

式中：Nd——锚杆拉力设计值， N；

Q——锚杆起吊重量， N；

γw——工作条件系数，一般情况取1.1。

由以上公式计算确定锚杆吊钩的直径和牌号。

2) 锚杆吊钩锚固长度La计算

查询《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》，锚杆吊钩锚固长度La用以下两个公式计算，取其中的较大者。

(3)

(4)

式中：La——锚固段长度， mm；

Nd——锚杆拉力设计值， N；

fmg——锚固段注浆体与地层间极限黏结强度标准值(MPa或kPa)；

f′mg——锚固段注浆体与钢筋间极限黏结强度标准值(MPa或kPa)；

D——锚杆锚固段钻孔直径，mm；

d——钢筋直径，mm；

K——锚固段注浆体与地层间黏结抗拔安全系数；

ξ——采用2根或2根以上钢筋时，界面黏结强度降低系数，取0.70～0.85；

φ——锚固段长度对极限黏结强度的影响系数；

n——钢筋根数。

由以上公式计算确定了锚杆吊钩的锚固长度，而锚杆吊钩总长度L是锚固长度La加上吊钩长度Lb(Lb吊钩长度由工艺专业确定)。

2.3 注意事项

在工程实际运用中，锚杆吊钩还有如下几点事项需要注意：

(1)当需要在起吊区域设置多个锚杆吊钩时，应合理安排锚杆吊钩之间的距离：吊钩布置间距主要受起吊重量和硐室支护等级的影响；若起吊重量增大，吊钩布置间距则应适当加大；若硐室支护等级加强，吊钩布置间距则可适当减小[3]。

(2)当需要在起吊区域设置多个锚杆吊钩时，起吊区域的围岩等级应为Ⅲ类及以上。

(3)当起吊区域腐蚀性较强时，应考虑腐蚀对吊钩的影响，设计应加大安全系数。

3 起吊梁

起吊梁是矿山硐室起吊装置中较简易的一种，它可以配合绳索或是电动葫芦起吊设施装备。起吊梁采用型钢梁制作，其梁两端采用预埋固定或是悬吊固定；当起吊距离较长时，可在起吊梁中间架设数根辅助连接钢梁来减小起吊梁的跨度。起吊梁如图2所示。

图2 起吊梁

3.1 起吊梁优缺点

起吊梁在矿山硐室使用较多，有如下优点：①起吊数量不受岩层条件影响，起吊点可以灵活布置；②起吊距离比较长；③起吊梁加工安装比较方便。起吊梁缺点：①起吊重量比较小，一般在10t左右；②起吊梁和辅助钢梁都比较长，坑内运输不方便。矿山设有起吊梁的硐室有卸载硐室、中央水泵房硐室、无轨维修硐室、有轨维修硐室、皮带尾部硐室和皮带头部硐室等。

3.2 起吊梁设计

起吊梁设计需要进行如下计算：①起吊梁的型号确定，起吊梁的抗弯验算、抗剪验算和挠度验算[4]；②辅助连接钢梁型号确定，辅助连接钢梁的抗弯验算、抗剪验算、挠度验算和端部固定验算(预埋深度验算)；③起吊梁与辅助连接钢梁连接螺栓的强度验算。

1) 起吊梁设计

起吊梁设计：一般按起吊重量Q作用在最不利位置，L采用最大跨度的数值Lmax，具体如图3所示。

图3 起吊梁计算简图

(1)起吊梁的型号确定。

查询《钢结构设计手册》，起吊梁型号通过截面抵抗矩Wx来确定为

(5)

式中：Wx——对x轴净截面抵抗矩， mm3；

Q——起吊重量，N;

f——钢材的抗弯强度设计值，N/mm2；

Lmax——梁的最大跨度，mm；

α——重要性系数，取1.2；

γG——永久荷载分项系数，取1.2；动荷载分项系数，取1.4。

设计选取的起吊梁的截面抵抗矩W0应大于Wx：考虑井下的腐蚀环境，起吊梁型号规格应留有一定的富余系数。

(2)起吊梁的抗弯，抗剪和挠度验算

①起吊梁抗弯验算

(6)

式中：f——钢材的抗弯强度设计值，N/mm2；

σ——起吊梁最大弯矩处的正应力，N/mm2；

W0——起吊梁对x轴净截面抵抗矩， mm3。

②起吊梁抗剪验算

τ=V×S/(I×tw)≤fv

(7)

式中：fv——钢材抗剪强度设计值，N/mm2；

τ——起吊梁最大剪应力，N/mm2；

V——起吊梁的最大剪力，N；

I——起吊梁截面惯性矩， mm4；

S——计算剪力处以上毛截面对中和轴的面积矩，mm3。

③起吊梁竖向挠度验算

起吊梁的竖向挠度ν，等截面简支梁为

(8)

2)辅助连接钢梁设计

辅助连接钢梁对起吊梁起到减跨和提高侧向稳定性的作用，其计算简图如图2所示。

(1)辅助连接钢梁的型号确定。

查询《钢结构设计手册》，辅助连接钢梁型号通过截面抵抗矩Wx为

(9)

式中：Wx——对x轴净截面抵抗矩， mm3；

Mmax——辅助连接钢梁的最大弯矩，N·mm；

f——钢材的抗弯强度设计值，N/mm2。

当LX≥LY时，

(10)

辅助连接钢梁的截面抵抗矩W0应大于Wx：考虑井下的腐蚀环境，辅助连接钢梁型号规格应留一定的富余系数。

(2)辅助连接钢梁的抗弯、抗剪、挠度验算和端部固定验算。

①辅助连接钢梁抗弯验算

(11)

式中：f——钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，N/mm2；

σ——辅助连接钢梁最大弯矩处的正应力，N·m；

W0——辅助连接钢梁对x轴净截面抵抗矩， mm3。

②辅助连接钢梁抗剪验算

τ=V×S/(I×tw)≤fv

(12)

式中:fv——钢材抗剪强度设计值，N/mm2；

τ——辅助连接钢梁最大剪应力，N/mm2；

V——辅助连接钢梁的最大剪力，N；

I——辅助连接钢梁截面惯性矩， mm4；

S——计算剪力处以上毛截面对中和轴的面积矩，mm3。

③辅助连接钢梁竖向挠度验算

辅助连接钢梁的竖向挠度ν，等截面简支梁可按式(13)计算。另L=LX+LY+LZ，当LX≥LY时，

(13)

④辅助连接钢梁端部固定验算

辅助连接钢梁端部固定验算即要求钢梁预埋深度LS≥辅助连接钢梁的梁高H。

3)连接螺栓设计

连接螺栓的直径根据起吊梁和辅助连接钢梁的规格来确定：即钢梁的翼缘开孔直径规定(取二者中的较小者)，得出螺栓直径为开孔直径-2mm。

3.3 注意事项

在工程实际运用中，起吊梁还有如下几点事项需要注意：

(1)当硐室超挖较多时，会导致辅助连接钢梁跨度加大，则起吊系统的安全性降低。出现以上情况时，可以加大辅助连接钢梁型号，也可以采用锚杆悬吊来减跨。

(2)当现场采用托架固定辅助钢梁两端时，须严格验算托架的强度和稳定，以及验算锚杆的抗剪和抗拔。

4 起重机

起重机是矿山硐室起吊装置中比较复杂的一种。它有专门的起吊装备(由厂家生产供应)和一系列配套设施，如吊车梁，车档，轨道和牛腿立柱等。厂家根据起吊重量和跨度生产起重机装备，而配套设施则根据相关的装备参数和起吊重量来设计。起重机如图4所示。

图4 起重机

4.1 起重机优缺点

在矿山硐室内，起重机主要用于大型装备的安装和检修。它有以下优点：①起吊重量大，大钩能起吊5～50t，小钩能起吊10t及其以下重量；②起吊范围比较大，可以在两个方向上移动；③起吊设备比较平稳安全。起重机的缺点：①安装比较复杂；②工程造价比前二者高很多；③起重机运行的硐室尺寸要求大，造成硐室开挖和支护成本高，难度大。矿山设有起重机的硐室有破碎硐室、卷扬机硐室和天轮硐室等。

4.2 起重机设计

起重机设计主要集中于吊车梁、运行轨道、牛腿和车档的设计，其中吊车梁、运行轨道和车档可根据《钢吊车梁》集中吊车梁选用表来选取设计；牛腿可根据设计的外载荷和相关参数，查看《新编混凝土结构设计手册》中的牛腿配筋表来设计[5]。

4.3 注意事项

在工程实际运用中，起重机还有以下几点事项需要注意：

(1)在满足起重机使用的前提下，应保证硐室壁与起重机的最小间距符合安全规程，特别需要核实硐室高度。如果硐室高度不够，会导致起重机移动区域受限，最终无法满足安装检修的需求。

(2)当起重机硐室采用喷锚网支护时，牛腿与立柱应采用钢结构设计。钢牛腿立柱设计除了应考虑立柱强度、稳定性外，还应考虑立柱间的稳定连接，立柱和硐室直墙、底板的连接。

5 结论

本文介绍了3种常见矿山硐室的起吊装置：锚杆吊钩、起吊梁和起重机，并列出其适用情况和优缺点，最后详细分析了起吊装置选取设计以及注意事项。本文对矿山硐室有类似起吊装置的选取设计有一定借鉴意义。