矿井综采设备库重载地面设计研究

张振宇，刘健康

（中煤西安设计工程有限责任公司，西安 710054）

1 引言

随着我国经济体制改革力度的加大和科学技术的迅速发展，现代化高产、高效的大型矿井不断建成投产，引进及国产的大型高效新型设备，在现代化矿井的生产中得到广泛应用。近期建成的大型煤矿原煤产量达到10～15Mt/a，选用的液压支架质量一般在40t/架左右，最大为50t/架【1】。随着采煤量快速增加，选用的液压支架趋向大型和重型方向发展。所以，综采设备库地面承受的荷载也越来越重。另外，目前对于重载地面的设计，只局限于图集19J305《重载地面、轨道等特殊楼地面》【2】的选用，但该图集仅适用于荷载标准值≤200kPa 且均布堆载的地面，对于非均布堆载且荷载等级特重的地面缺乏相关的设计要求【3】。因此，本文结合某综采设备库地面设计实例进行相应的总结，以供类似工程参考。

2 计算模型

矿井综采设备库承担着综采设备的临时堆存和日常维护等功能，所以，其地面设计时，要考虑液压支架进出车、搬运、装卸等各种工况。本文选取煤炭科学研究总院太原研究院研发的WC80EJ 支架搬运车，牵引车采用WC25EJ 铲板式支架搬运车，工况为液压支架搬运（满载）。车辆荷载的技术指标规定见表1。

表1 车辆荷载的主要技术指标

3 计算与分析

3.1 计算数据

前、中轮接地面积A1=0.06m2；后轮接地面积A2=0.516m2；

根据 GB 50037—2013《建筑地面设计规范》【4】（以下简称《规范》）中公式C.2.3，分别计算单个荷载的当量圆半径：

地面混凝土选用C30，查《规范》表C.1.4 得到混凝土设计指标：

抗拉强度 ft=1.43N/mm2；弹性模量 Ec=3.0×104N/mm2；

地面压实填土类别为湿度正常的砂土（N>30），查《规范》表C.1.5 和表C.1.6 得到：

地基的变形模量E0=40N/mm2；

综合刚度系数 β=2.49×10-3mm-1。

3.2 临界荷位区按承载能力极限状态计算地面厚度

3.2.1 荷载基本组合设计值

根据《规范》中公式C.2.6-1 计算单个荷载基本组合设计值：

S1=S2=S3=S4=122.64kN；S5=S6=880.32kN。

3.2.2 按临界荷位分别计算地面厚度

选取结构重要性系数γ0=1.0，荷载区域系数kc=2.0，根据《规范》中公式C.3.1 得到地面混凝土厚度：

h1=h2=h3=h4=130.8mm；h5=h6=251.3mm。

3.2.3 确定临界荷位区

根据《规范》中公式C.1.7 确定最大混凝土地面相对刚度半径：

根据《规范》中公式C.2.8 确定最大荷载区域半径：

式中，rj为计算中心荷载支承面的当量圆形计算半径，mm。

已知，R35=5 500mm，R45=6 628mm，R15=8 020mm（R35、R45、R15为单个荷载之间的距离），同时，Romax＜R35，Romax＜R45，因此，第三、四荷载均不在临界荷位区内，暂定板厚h=251.3mm，且S5为最不利荷载。

3.3 按正常使用极限状态验算抗裂度

根据《规范》中公式C.2.6-2 计算荷载短期组合的设计值：SS=628.8kN；

由《规范》中公式C.3.2 得到满足抗裂度要求时，混凝土地面的厚度：

因此，抗裂度验算不满足要求，混凝土地面厚度按正常使用极限状态时的抗裂要求进行控制，即不小于283.2mm。

3.4 按组合等效荷载作用计算地面厚度

3.4.1 考虑相邻荷载之间的影响

选定S5为最不利荷载的计算中心，根据荷位区半径解出：

由此可见，S1、S2不在荷位区内，无需参与计算组合等效荷载。

3.4.2 确定单个等效荷载和荷载影响角

根据《规范》中公式 C.2.4-1 计算 S3、S4、S6的等效荷载：

根据《规范》中公式C.2.10-1 计算荷载影响角：

3.4.3 换算到多个荷载计算中心的组合等效荷载

由《规范》中公式C.2.4-2 计算组合等效荷载S5s：S5s=880.32×（1+0.464 5）=1 289.2kN。

3.4.4 将组合等效荷载S5s分别代入《规范》中公式C.3.1 和公式C.3.2 中，求出地面厚度

临界荷位区按承载能力极限状态计算所得地面混凝土厚度：

临界荷位区按正常使用极限状态进行抗裂度验算，由荷载基本组合和荷载短期组合之间的关系可知：

3.4.5 抗冲切验算

由于 rj/L=405/753.5=0.537＞0.2，根据《规范》C.3.3 款，可不进行抗冲切验算。

由以上的计算结果 h5、h5f、hs、hsf比较，取最不利值 hsf作为混凝土地面的厚度，即350mm。

4 地面接缝设计

矿井综采设备库地面应在纵横向设置缩缝。缩缝是为防止混凝土地面在水化过程中或气温降低时产生不规则裂缝而设置的。实践证明，缩缝的构造形式和间距大小对地面板的承载能力影响很大，间距过大或未分缝的混凝土地面，多有不规则的收缩裂缝。根据19J305《重载地面、轨道等特殊楼地面》，钢筋混凝土地面纵向缩缝的间距在3.0~6.0m 范围内选用，横向缩缝的间距在6~12m 范围内选用。

纵向缩缝采用平头缝和企口缝，对于目前地面设计中广泛应用的等厚板设计方案而言，不仅改善了边角受力性能，而且施工方便。但实践经验表明，企口缝的工作性能不好，易在阴企口上沿发生剪切断裂损坏，对于承受重载的钢筋混凝土地面，企口缝有明显的缺点【5】，因此，本文推荐纵向缩缝采用设拉杆的平头缝形式，上部应锯切槽口，深度宜为30~40mm，宽度宜为3~8mm，槽内应灌塞填缝料，其构造如图1a 所示。拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚中央，并应对拉杆中部100mm 范围内进行防锈处理。

横向缩缝是假缝，其构造为上部有缝，下不贯通，目的是引导收缩裂缝集中于该处，断面下部晚些时间也可能开裂，但呈锯齿形且彼此紧贴，既可使承载力与纵向缩缝相当，又可避免边角起翘。横向缩缝顶部槽口深度宜为地面厚度的1/5~1/4，槽口宽度应根据施工条件、填缝料性能等因素而定，宽度宜为3~8mm，槽内应填塞填缝料，以防垃圾进入，其构造如图1b所示。

图1 纵横向缩缝构造

5 结语

矿井综采设备库地面厚度，应根据液压支架搬运车的荷载、混凝土强度等级和压实填土地基变形模量，按照《规范》附录C 进行计算确定。本文依据煤炭科学研究总院太原研究院提供的支架搬运车的样本，压实填土地基采用砂土垫层（N>30），按照满载和空载工况，并将混凝土强度分为C20、C25、C30 3 种等级，逐一计算，将结果列于表2，以供设计人员参考。

表2 综采设备库混凝土地面厚度