井下带式输送机机头地脚螺栓锚固特性研究

张 杰，何义峰，甄 泽，李宏儒，康小杰

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；
2.西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；
3.榆林市杨伙盘煤矿，陕西 榆林 719316)

目前地脚螺栓的研究大多针对地表松散层锚固，对基岩和井下巷道锚固的研究甚少。如规范中提出多种关于地面钢结构的计算方法及实施办法[1]。对于地脚螺栓传统锚固主要包括混凝土基座固定和底座固定两种方法，在传统锚固基础上研究人员提出了盾式地脚螺栓设备安装，逐渐成为大型设备安装过程中所采用的主要选择之一[2，3]。针对建设工程中预埋地脚螺栓安装所用模具通用性差的问题，通过设计可调矩形定位模具和木质胎具整体定位法，提高了地脚螺栓安装时的通用性和精准度[4，5]。随着地脚螺栓使用的普遍性，有限元算法[6-8]被引入研究地脚螺栓基础参数[9，10]、受力机理[11]及节点的设计[12-15]。由于地脚螺栓使用场所的复杂性，部分学者利用模糊控制理论、参数化建模、合成少数类过采样技术和深度置信网络诊断方法研究地脚螺栓的锚固特性和带式输送机运行速度，实现沿线带式输送机速度的跟踪调节，保证了带式输送机运行的稳定性[16-21]。

为了提高井下带式输送机运行的稳定性，以韩家湾煤矿3401运输巷带式输送机机头锚固基础为背景，通过对地脚螺栓受力情况进行分析研究，提出了合理的地脚螺栓锚固方案，为带式输送机的稳定运行奠定基础。

1.1 工程地质条件

韩家湾煤矿3401运输巷服务年限为12个月，运输巷设计长度为2433.7m(平距)。3-1煤平均厚度为2.4m，倾角为1.5°，属稳定煤层，直接底为粉砂岩，厚度为1.3m左右，属稳定底板，遇水不易弱化，岩层抗压强度为34.6MPa；
基本底为4.3m厚的泥岩层，浸水易被弱化，属不稳定底板，底板岩层综合柱状图如图1所示。

1.2 机头地脚螺栓概况

3401运输巷布置DSJ120/150/2×355型带式输送机，机头段长度为80m，重542200kg。机头锚固段并排埋设106根180°J 型地脚螺栓。螺栓钻孔直径为100mm，采用标号C25强度等级为11.9MPa，抗剪强度标准值为2.5MPa的混凝土作为锚固剂，连续灌浆一次完成。

井下地脚螺栓紧固力由混凝土锚固剂施加向下的摩擦力提供，地脚螺栓受力如图2所示。选取地脚螺栓单位长度Δl产生的锚固力作为研究对象，底板锚固地脚螺栓受底板水平应力P1，混凝土锚固剂产生的P2作用。混凝土壁厚度m决定P2的大小。当地脚螺栓受到垂直向上的拉拔力F′时，混凝土锚固剂产生垂直向下的摩擦力F。

对地脚螺栓Δl长度进行积分，可得式(1)混凝土锚固剂对单位长度地脚螺栓的摩擦力F：

式中，μ为摩擦系数；
π为常数。

由式(1)可知，地脚螺栓锚固深度一定时，P1即为定值。地脚螺栓直径r增大，混凝土壁厚度m减小，混凝土作用力P2与地脚螺栓直径呈负相关变化趋势。当地脚螺栓实际锚固直径rs小于所需锚固直径rx时，单位有效锚固面积减小，从而F′≥F；
地脚螺栓锚固直径rs≥rx，混凝土壁m减小，此时F′≥F。由此可见，为了实现地脚螺栓锚固性能的最大化，应综合考虑地脚螺栓直径r和混凝土壁m值的厚度。

3.1 带式输送机机头受力分析

通过对带式输送机机头进行受力分析，计算机头对地脚螺栓施加的垂直分力和水平分力。带式输送机机头受力模型如图3所示，该模型主要包括传动滚筒、改向滚筒、底座及三角结构梁。传动滚筒与电动机相连为整个带式输送机提供动力，改向滚筒通过输送带和三角结构梁与传动滚筒相连形成输送带张力，为保证带式输送机的稳定运行取最大运行功率进行计算。

机头受力支撑点为A、B预埋板，地脚螺栓对预埋板进行锚固。机头运行时输送带形成较大张力S1和S2，带式输送机满载启动时，输送带受力最大，因此对满载启动时机头的受力状态进行研究。机头存在自身重量的结构分别为传动滚筒、改向滚筒和头架且均作用于A、B预埋板。首先，通过式(2)对带式输送机机头在垂直方向的受力进行计算：

FY=(FAY+FBY)ξ+G1+G2+G3+(S1+S2)sinα=0

(2)

式中，G1为头部滚筒重量，kg；
G2为改向滚筒重量，kg；
G3为头架重量，kg；
S1为头部滚筒奔离点最大张力，kN；
S2为头部滚筒趋入点最大张力，kN；
α为胶带倾角，(°)；
ξ为外力修正系数。

将预埋板A点作为研究对象，带式输送机机头满载启动瞬间作为研究状态，可根据式(3)计算地脚螺栓的垂直分力：

∑MA=[(H1+D/2)S2+(H2+d/2)S1]ξ×cosα+

L2G2+L3G3-L1G1+LFBY=0

(3)

式中，H1为传动滚筒中心高，mm；
D为头部滚筒直径，mm；
H2为改向滚筒中心高，mm；
d为改向滚筒直径，mm；
L为A、B点水平距离，mm；
L1为头部滚筒距A点距离，mm；
L2为改向滚筒距A点距离，mm；
L3为头架重心距A点距离，mm。

输送带张力作用于机头形成水平作用力，由预埋板作用于地脚螺栓。通过(4)式对带式输送机水平方向受力进行计算：

∑FX=(FAX+FBX)ξ-(S1+S2)cosα=0

(4)

A、B预埋板为同一水平不同节点，当A板受到水平作用力F时，通过钢架作用于B板，A、B两预埋板受力相同，既FAX=FBX。

将韩家湾煤矿采用的DSJ120/150/2×355型带式输送机相关数据代入式(2)、(3)、(4)，求得单个预埋板对地脚螺栓施加的垂直分力为113.3kN(拉拔力)和177.2kN(压力)及水平分力为94.7kN。

3.2 地脚螺栓参数优化

采用FLAC3D数值模拟软件对3401主运输巷机头地脚螺栓锚固进行模拟，煤岩体及地脚螺栓相关参数见表1。设计模型尺寸为20m(X轴)×3m(Y轴)×12.5(Z轴)。运输巷宽5m，高2.4m。模型上表面为覆岩层自重应力边界，载荷施加值为3.02MPa，材料的本构模型采用Mohr-Coulomb模型，采用大变形进行计算。模型上边界为自由边界，其它边界为位移约束。根据理论计算及Q235钢结构设计规范，由cable单元模拟直径分别为∅30mm、∅36mm、∅42mm的地脚螺栓，将地脚螺栓的拉拔力以预紧力的形式体现，考虑到现场施工预紧力的损失问题，由现场施工知损失量系数为10%～15%，此处取15%，因此对地脚螺栓施加130kN的初始预紧力。

3.3 地脚螺栓直径对锚固性能的影响

根据现场安装位置，将地脚螺栓分别锚固在距巷道左帮0.6m和2.6m处。地脚螺栓模拟长度为1.2m，直径分别为∅30mm、∅36mm、∅42mm。通过研究锚固范围内的底板垂直应力和位移，从而确定合理的地脚螺栓锚固直径，模拟结果以地脚螺栓锚固点的巷道横截面切片，垂直应力云图和垂直位移云图分别如图4、图5所示。

由图4可以得：采用∅30mm的地脚螺栓对机头锚固时，地脚螺栓锚固端头形成一定的应力集中现象，由螺栓锚固端头到自由端，底板最先受到挤压应力后逐渐转变为拉应力，受到最大垂直压应力为2.8MPa。地脚螺栓为∅36mm、∅42mm时，底板最大垂直压应力分别为2.7MPa、2.5MPa，最大垂直拉应力分别为0.92MPa、0.89MPa、0.98MPa。地脚螺栓直径的增大有利于减小底板锚固时形成的应力集中，但在地脚螺栓直径为42mm时，底板拉应力增长幅度较大。由此可见，地脚螺栓直径与底板的垂直压应力呈负相关性，同垂直拉应力呈现先减小后增大的趋势。

表1 模型各材料的物理力学性质

由图5可以得：采用∅30mm的地脚螺栓对机头锚固时，螺栓锚固点产生垂直向上的位移，最大可达4.19mm。地脚螺栓为∅36mm、∅42mm时，锚固点处的底板最大垂直向上位移分别为1.36mm、3.40mm。由此表明，当地脚螺栓直径增大时，底板的垂直向上位移呈现先减小后增大的趋势。

在地脚螺栓直径为42mm时，垂直拉应力和垂直向上位移明显增大。因此，并不表明选用大直径地脚螺栓锚固机头更好，应合理选择地脚螺栓直径和混凝土壁厚度，综合考虑决定选用型号为∅36×1200mm的地脚螺栓对带式输送机机头进行锚固。

采用GMY400锚杆(索)测力计对三种直径的地脚螺栓紧固力(残存预紧力)进行监测，由地脚螺栓紧固力损失量图可看出，∅36mm地脚螺栓在加速损失阶段、缓慢损失阶段、稳定阶段紧固力损失率分别为8.25%、3.19%、1.43%，整体损失率为12.45%。∅30mm地脚螺栓在三个阶段的损失率分别为13.17%、8.17%、1.98%，整体损失率为22.31%。∅42mm损失率分别为9.77%、4.13%、1.98%，整体损失率为15.22%。∅36mm地脚螺栓较∅30mm和∅42mm地脚螺栓紧固力损失量分别减小了44.19%和18.19%，且稳定阶段仍可满足带式输送机机头所需紧固力。地脚螺栓紧固力损失量如图6所示。

通过现场实测，选用∅36mm的地脚螺栓紧固力损失量明显低于另外两种直径的地脚螺栓紧固力损失量，很大程度上提高了地脚螺栓的锚固性能，保证了带式输送机运行的稳定性。

1)分析了地脚螺栓破坏机理，研究表明地脚螺栓的锚固性能主要受地脚螺栓直径和混凝土壁的厚度影响，为了实现地脚螺栓锚固性能的最大化，应综合考虑二者的取值。

2)建立了带式输送机机头受力力学模型，计算了地脚螺栓所受的拉拔力、垂直压力和水平分力，通过数值模拟验证了带式输送机机头锚固的合理地脚螺栓直径为∅36mm。

3)在韩家湾煤矿使用GMY400锚杆(索)测力计对三种直径地脚螺栓紧固力进行为期24周的监测，监测结果表明∅36mm地脚螺栓很大程度上减小了紧固力的损失，改善了地脚螺栓锚固的整体性能和预防了机头事故的发生。