礦井綜采設備庫重載地面設計研究

張振宇，劉健康

（中煤西安設計工程有限責任公司，西安 710054）

1 引言

隨著我國經濟體制改革力度的加大和科學技術的迅速發展，現代化高產、高效的大型礦井不斷建成投產，引進及國產的大型高效新型設備，在現代化礦井的生產中得到廣泛應用。近期建成的大型煤礦原煤產量達到10～15Mt/a，選用的液壓支架質量一般在40t/架左右，最大為50t/架【1】。隨著采煤量快速增加，選用的液壓支架趨向大型和重型方向發展。所以，綜采設備庫地面承受的荷載也越來越重。另外，目前對于重載地面的設計，只局限于圖集19J305《重載地面、軌道等特殊樓地面》【2】的選用，但該圖集僅適用于荷載標準值≤200kPa 且均布堆載的地面，對于非均布堆載且荷載等級特重的地面缺乏相關的設計要求【3】。因此，本文結合某綜采設備庫地面設計實例進行相應的總結，以供類似工程參考。

2 計算模型

礦井綜采設備庫承擔著綜采設備的臨時堆存和日常維護等功能，所以，其地面設計時，要考慮液壓支架進出車、搬運、裝卸等各種工況。本文選取煤炭科學研究總院太原研究院研發的WC80EJ 支架搬運車，牽引車采用WC25EJ 鏟板式支架搬運車，工況為液壓支架搬運（滿載）。車輛荷載的技術指標規定見表1。

表1 車輛荷載的主要技術指標

3 計算與分析

3.1 計算數據

前、中輪接地面積A1=0.06m2；后輪接地面積A2=0.516m2；

根據 GB 50037—2013《建筑地面設計規范》【4】（以下簡稱《規范》）中公式C.2.3，分別計算單個荷載的當量圓半徑：

地面混凝土選用C30，查《規范》表C.1.4 得到混凝土設計指標：

抗拉強度 ft=1.43N/mm2；彈性模量 Ec=3.0×104N/mm2；

地面壓實填土類別為濕度正常的砂土（N>30），查《規范》表C.1.5 和表C.1.6 得到：

地基的變形模量E0=40N/mm2；

綜合剛度系數 β=2.49×10-3mm-1。

3.2 臨界荷位區按承載能力極限狀態計算地面厚度

3.2.1 荷載基本組合設計值

根據《規范》中公式C.2.6-1 計算單個荷載基本組合設計值：

S1=S2=S3=S4=122.64kN；S5=S6=880.32kN。

3.2.2 按臨界荷位分別計算地面厚度

選取結構重要性系數γ0=1.0，荷載區域系數kc=2.0，根據《規范》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 確定臨界荷位區

根據《規范》中公式C.1.7 確定最大混凝土地面相對剛度半徑：

根據《規范》中公式C.2.8 確定最大荷載區域半徑：

式中，rj為計算中心荷載支承面的當量圓形計算半徑，mm。

已知，R35=5 500mm，R45=6 628mm，R15=8 020mm（R35、R45、R15為單個荷載之間的距離），同時，Romax＜R35，Romax＜R45，因此，第三、四荷載均不在臨界荷位區內，暫定板厚h=251.3mm，且S5為最不利荷載。

3.3 按正常使用極限狀態驗算抗裂度

根據《規范》中公式C.2.6-2 計算荷載短期組合的設計值：SS=628.8kN；

由《規范》中公式C.3.2 得到滿足抗裂度要求時，混凝土地面的厚度：

因此，抗裂度驗算不滿足要求，混凝土地面厚度按正常使用極限狀態時的抗裂要求進行控制，即不小于283.2mm。

3.4 按組合等效荷載作用計算地面厚度

3.4.1 考慮相鄰荷載之間的影響

選定S5為最不利荷載的計算中心，根據荷位區半徑解出：

由此可見，S1、S2不在荷位區內，無需參與計算組合等效荷載。

3.4.2 確定單個等效荷載和荷載影響角

根據《規范》中公式 C.2.4-1 計算 S3、S4、S6的等效荷載：

根據《規范》中公式C.2.10-1 計算荷載影響角：

3.4.3 換算到多個荷載計算中心的組合等效荷載

由《規范》中公式C.2.4-2 計算組合等效荷載S5s：S5s=880.32×（1+0.464 5）=1 289.2kN。

3.4.4 將組合等效荷載S5s分別代入《規范》中公式C.3.1 和公式C.3.2 中，求出地面厚度

臨界荷位區按承載能力極限狀態計算所得地面混凝土厚度：

臨界荷位區按正常使用極限狀態進行抗裂度驗算，由荷載基本組合和荷載短期組合之間的關系可知：

3.4.5 抗沖切驗算

由于 rj/L=405/753.5=0.537＞0.2，根據《規范》C.3.3 款，可不進行抗沖切驗算。

由以上的計算結果 h5、h5f、hs、hsf比較，取最不利值 hsf作為混凝土地面的厚度，即350mm。

4 地面接縫設計

礦井綜采設備庫地面應在縱橫向設置縮縫?？s縫是為防止混凝土地面在水化過程中或氣溫降低時產生不規則裂縫而設置的。實踐證明，縮縫的構造形式和間距大小對地面板的承載能力影響很大，間距過大或未分縫的混凝土地面，多有不規則的收縮裂縫。根據19J305《重載地面、軌道等特殊樓地面》，鋼筋混凝土地面縱向縮縫的間距在3.0~6.0m 范圍內選用，橫向縮縫的間距在6~12m 范圍內選用。

縱向縮縫采用平頭縫和企口縫，對于目前地面設計中廣泛應用的等厚板設計方案而言，不僅改善了邊角受力性能，而且施工方便。但實踐經驗表明，企口縫的工作性能不好，易在陰企口上沿發生剪切斷裂損壞，對于承受重載的鋼筋混凝土地面，企口縫有明顯的缺點【5】，因此，本文推薦縱向縮縫采用設拉桿的平頭縫形式，上部應鋸切槽口，深度宜為30~40mm，寬度宜為3~8mm，槽內應灌塞填縫料，其構造如圖1a 所示。拉桿應采用螺紋鋼筋，設在板厚中央，并應對拉桿中部100mm 范圍內進行防銹處理。

橫向縮縫是假縫，其構造為上部有縫，下不貫通，目的是引導收縮裂縫集中于該處，斷面下部晚些時間也可能開裂，但呈鋸齒形且彼此緊貼，既可使承載力與縱向縮縫相當，又可避免邊角起翹。橫向縮縫頂部槽口深度宜為地面厚度的1/5~1/4，槽口寬度應根據施工條件、填縫料性能等因素而定，寬度宜為3~8mm，槽內應填塞填縫料，以防垃圾進入，其構造如圖1b所示。

圖1 縱橫向縮縫構造

5 結語

礦井綜采設備庫地面厚度，應根據液壓支架搬運車的荷載、混凝土強度等級和壓實填土地基變形模量，按照《規范》附錄C 進行計算確定。本文依據煤炭科學研究總院太原研究院提供的支架搬運車的樣本，壓實填土地基采用砂土墊層（N>30），按照滿載和空載工況，并將混凝土強度分為C20、C25、C30 3 種等級，逐一計算，將結果列于表2，以供設計人員參考。

表2 綜采設備庫混凝土地面厚度