CN112733293B - 一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法 - Google Patents
一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其包括：步骤一、建立胶带输送机机头简化模型并对胶带输送机机头载荷进行受力分析；步骤二、运用受力平衡方程和力矩平衡方程计算获取地脚螺栓预埋板处垂直载荷和水平载荷的受力；步骤三、建立地脚螺栓受力简化模型，计算出受压区长度值，确定锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围。本发明的该计算方法可更加合理的获得井下锚固参数，并安全可靠的运用于矿井生产当中。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下胶带输送机固定技术领域，特别是涉及一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法。
背景技术
地脚螺栓是埋设在地面或者基础里面，把大地或者基础和机器设备连接起来的工具。被广泛应用于固定各种机器、设备的底座。
当下地脚螺栓的研究主要以地面为主，地面使用的地脚螺栓
相对施工条件简单并且可控性大，对人身安全以及经济损失都相比于矿井生产中要低。而对于井下地脚螺栓设计的相关研究较少，且关注度比较低。在矿井中遇到的问题却比地面遇到的问题更多，危险性更大。地面地脚螺栓的固定常采用混凝土基础墩的方法为地脚螺栓提供足够的锚固力，对于大型地脚螺栓通常是在预先施工地点挖一个相应尺寸的基坑，再用混凝土进行浇灌，并在浇灌时提前预留出所用埋设的地脚螺栓孔，用以安装地脚螺栓。通过以上操作后地脚螺栓锚固区域形成统一的整体，该种施工更加有利于提高地脚螺栓的锚固性能，但是由于煤矿井下条件的限制，这种开挖基坑的方法对于煤矿井下来说却难以实现。
矿井地脚螺栓主要采用的方法是直接钻孔，然后将地脚螺栓安装在孔内，最后采用混凝土浇灌锚固。对于矿井进行锚固的方法来说，没有使地脚螺栓锚固段形成整体，具体为地脚螺栓提供锚固力的是巷道底板以及在底板上部硬化的15～20cm的混凝土硬化层。很显然，采用传统的针对于地面的锚固形式并不能很好的适用于井下，另外对于不同的矿井和同一矿井不同的煤层均存在差异。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，该计算方法可更加合理的获得井下锚固参数，并安全可靠的运用于矿井生产当中。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，包括：
步骤一、建立胶带输送机机头简化模型并对胶带输送机机头载荷进行受力分析；
步骤二、运用受力平衡方程和力矩平衡方程计算获取地脚螺栓预埋板处垂直载荷和水平载荷的受力；
步骤三、建立地脚螺栓受力简化模型，计算出受压区长度值，确定锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围。
上述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述步骤一中建立胶带输送机机头简化模型是将胶带运输机头简化为包括传动滚筒、改向滚筒、底座及三角结构梁的力学模型，所述传动滚筒为外力变量输入单元，改向滚筒、底座及三角结构梁为外力稳定输入单元，传动速率发生变化时外力输入单元存在差异性变化。
上述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述受力平衡方程在建立过程中引入外力变化系数ξ，所述受力平衡方程具体为公式(1)：
式中：G1为头部滚筒的重量，G2为改向滚筒的重量，G3为底座及三角结构梁的重量，S1为头部滚筒奔离点的张力，S2为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，FAY为A预埋板所受到的垂直载荷，FBY为B预埋板所受到的垂直载荷，FCY为机头处整体所需锚固力。
上述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述力矩平衡方程在建立过程中引入外力变化系数ξ，所述力矩平衡方程具体为公式(2)：
式中：G1为头部滚筒的重量，G2为改向滚筒的重量，G3为底座及三角结构梁的重量，S1为头部滚筒奔离点的张力，S2为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，H1为三角结构梁高度，D为头部滚筒直径，H2为改向滚筒高度，d为改向滚筒直径，L为A、B点水平距离，L1为头部滚筒距A点距离，L2为改向滚筒距A点距离，L3为头架重心距A点距离，ξ为外力修正系数。
上述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述受力平衡方程还包括水平受力平衡方程，所述水平受力平衡方程为公式(3)：
∑FX＝0
式中：S1为头部滚筒奔离点的张力，S2为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，FAX为A预埋板所受到的水平载荷，FBX为B预埋板所受到的水平载荷，S为胶带所受张拉力在水平方向上的分力；
所述水平受力平衡方程中FAX＝FBX，通过上述公式的计算可得到胶带输送机机头处最大所需锚固力。
上所述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述计算出受压区长度值具体如下：
根据地脚螺栓受力简化模型可得到方程(4)
式中：R为混凝土压应力合力，M为锚固力矩，Lx为螺栓锚固距离，Z为巷道硬化层及其上所施加力，N为机头对地脚螺栓的拉拔力，lx为螺栓至平行螺栓压力最大侧底板边的距离，f为地脚螺栓和混凝土或巷道底板最小摩擦力的合力，λlx为螺栓至压应力图形重心的距离，e为系数，e＝M/Z；
根据外加力对地脚螺栓锚固性能的影响，引入受拉端最大应力公式(5)和最小应力公式(6)，
所述受拉端最大应力公式(5)为：
σmax＝Z/Lxb+6M/bLx 2≤ηlfc(1-γk) (5)
式中：M为锚固力矩，Lx为螺栓锚固距离，b为螺栓锚固宽度，Z为巷道硬化层及其上所施加力，σ为混凝土压应力，fc为基础混凝土的轴心抗压强度设计值、ηl为局部承压时的提高系数，γk为巷道应力破坏系数；
所述受拉端最小应力公式(6)为：
σmin＝-Z/bLx+6M/bLx 2 (6)
式中：M为锚固力矩，Lx为螺栓锚固距离，b为螺栓锚固宽度，Z为巷道硬化层及其上所施加力，σ为混凝土压应力；
由公式(5)和公式(6)可以计算出受压区长度值，确定螺栓轴心到混凝土压应力重心的距离a，将巷道对底板的作用力也列入分析范围可以得到公式(7)，所述公式(7)为：
式中：M为锚固力矩，Z为巷道硬化层及其上所施加力，a为螺栓轴心到混凝土压应力重心的距离，N为机头对地脚螺栓的拉拔力，fd为巷道底板对地脚螺栓作用力，ld为巷道底板作用力与地脚螺栓的水平距离，λlx为螺栓至压应力图形重心的距离，β角为作用力在地脚螺栓侧与水平面的夹角；
针对单个具体巷道底板作用力矩在此处认为是一定值。则公式(7)式N值不满足竖向平衡条件。从而引入λ的固定关系式公式(8)，所述公式(8)为：
λ＝1-Lx/(6lx)-Lx/(6lxε) (8)
当压应力图形为三角形时，则混凝土受压长度最小值为3×0.181lx＝0.543lx；则锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围。
附图说明
结合附图并参考以下具体实施方式，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，原件和元素不一定按照比例绘制。
图1为本发明胶带运输机头载荷受力分析简化模型。
图2为本发明地脚螺栓受力分析简化模型。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
本发明公开了一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法进一步的说明，该方法包括：
步骤一、建立胶带输送机机头简化模型并对胶带输送机机头载荷进行受力分析；
步骤二、运用受力平衡方程和力矩平衡方程计算获取地脚螺栓预埋板处垂直载荷和水平载荷的受力；
步骤三、建立井下地脚螺栓受力简化模型，计算出受压区长度值，确定锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围。
矿井地脚螺栓锚固主要采用的方法是：首先在巷道底板上直接钻孔，然后将地脚螺栓安装在孔内，最后采用混凝土浇灌锚固。对于矿井进行锚固的方法来说，没有使地脚螺栓锚固段形成整体，具体为地脚螺栓提供锚固力的是巷道底板以及在底板上部硬化的15～20cm的混凝土硬化层。煤矿岩层赋存条件主要以沉积岩为主，故在巷道底板分布的岩层均以层状分布，对于不同的煤层其巷道底板岩层的类型以及厚度均存在较大的差异。因此，采用传统的针对于地面的锚固形式并不能很好的适用于井下，其锚固力的计算也存在较大的差异。在本实施例中，除了步骤二中对脚螺栓预埋板处垂直载荷和水平载荷的受力的受力分析外，步骤三中通过建立井下地脚螺栓受力简化模型，计算出受压区长度值，确定锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围。采用该计算方法可更加合理的获得井下锚固参数，并安全可靠的运用于矿井生产当中。
本实施例中，所述步骤一中建立胶带输送机机头简化模型是将胶带运输机头简化为包括传动滚筒、改向滚筒、底座及三角结构梁的力学模型，具体简化模型如图1所示。所述传动滚筒为外力变量输入单元，改向滚筒、底座及三角结构梁为外力稳定输入单元，传动速率发生变化时外力输入单元存在差异性变化。
本实施例中，通过对力学模型进行分析可知，胶带运输机垂向力是研究对象的主要受力形式，物体受到外力作用时，合力必然保持平衡，可得到受力平衡方程，所述受力平衡方程在建立过程中引入外力变化系数ξ，所述受力平衡方程具体为公式(1)：
式中：G1为头部滚筒的重量，G2为改向滚筒的重量，G3为底座及三角结构梁的重量，S1为头部滚筒奔离点的张力，S2为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，FAY为A预埋板所受到的垂直载荷，FBY为B预埋板所受到的垂直载荷，FCY为机头处整体所需锚固力。
本实施例中，所述力矩平衡方程在建立过程中引入外力变化系数ξ，所述力矩平衡方程具体为公式(2)：
式中：G1为头部滚筒的重量，G2为改向滚筒的重量，G3为底座及三角结构梁的重量，S1为头部滚筒奔离点的张力，S2为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，H1为三角结构梁高度，D为头部滚筒直径，H2为改向滚筒高度，d为改向滚筒直径，L为A、B点水平距离，L1为头部滚筒距A点距离，L2为改向滚筒距A点距离，L3为头架重心距A点距离，ξ为外力修正系数。
胶带运输机FCY数值不同，但为定值，将数据代入式(1)和(2)得：FAY、FBY。由于运输巷宽度有限，突发情况较多，常会出现突然停止运行，故对水平外力进行研究用于保证突发情况的安全性，即引入水平受力平衡方程为公式(3)，所述水平受力平衡方程为公式(3)：
∑FX＝0
式中：S1为头部滚筒奔离点的张力，S2为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，FAX为A预埋板所受到的水平载荷，FBX为B预埋板所受到的水平载荷，S为胶带所受张拉力在水平方向上的分力；
如图1所示，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，通过钢架将作用力作用于B板，A、B两预埋板受力相同，因此，可得：FAX＝FBX。A、B预埋板两处均为并排布置，故计算所得数值为两块预埋板共受力，通过计算可知A、B预埋板垂直上拔力、压力、水平力，由此得到机头处最大所需锚固力，以上数据均未考虑动载系数的影响。
为了更好的掌握单个及其相邻地脚螺栓的受力和胶带运输机机头地脚螺栓的使用情况。通过分析螺栓在不利受力和反复荷载作用下的研究。可知井下螺栓的受力更为复杂，为了更好的进行分析，将其受力条件简化为如图2所示。由于外荷载已经给定，可以得到方程(4)
式中：R为混凝土压应力合力，M为锚固力矩，Lx为螺栓锚固距离，Z为巷道硬化层及其上所施加力，N为机头对地脚螺栓的拉拔力，lx为螺栓至平行螺栓压力最大侧底板边的距离，f为地脚螺栓和混凝土或巷道底板最小摩擦力的合力，λlx为螺栓至压应力图形重心的距离，为混凝土压应力，e为系数，e＝M/Z。
巷道底板由于受到开采扰动和两帮对底板施加的应力，导致底板在一定程度上被破坏，因此不能使用地面常规计算方法进行计算，需要考虑巷道外加力对地脚螺栓锚固性能的影响，引入受拉端最大应力公式(5)和最小应力公式(6)，
所述受拉端最大应力公式(5)为：
σmax＝Z/Lxb+6M/bLx 2≤ηlfc(1-γk) (5)
式中：M为锚固力矩，Lx为螺栓锚固距离，b为螺栓锚固宽度，Z为巷道硬化层及其上所施加力，σ为混凝土压应力，fc为基础混凝土的轴心抗压强度设计值、ηl为局部承压时的提高系数，γk为巷道应力破坏系数。
所述受拉端最小应力公式(6)为：
σmin＝-Z/bLx+6M/bLx 2 (6)
式中：M为锚固力矩，Lx为螺栓锚固距离，b为螺栓锚固宽度，Z为巷道硬化层及其上所施加力，σ为混凝土压应力。
根据公式(5)和公式(6)，计算出受压区长度值，确定螺栓轴心到混凝土压应力重心的距离a，a＝0.5L-x/3。假定螺栓承担拉力且不考虑螺栓的位置和拉应力重心不一致的影响，故a不变。考虑到本次所研究对象为井下巷道地脚螺栓的锚固，因此需要将巷道对底板的作用力也列入分析范围，得到公式(7)，所述公式(7)为：
式中：M为锚固力矩，Z为巷道硬化层及其上所施加力，a为螺栓轴心到混凝土压应力重心的距离，N为机头对地脚螺栓的拉拔力，fd为巷道底板对地脚螺栓作用力，ld为巷道底板作用力与地脚螺栓的水平距离，λlx为螺栓至压应力图形重心的距离，β角为作用力在地脚螺栓侧与水平面的夹角。
针对单个具体巷道底板作用力矩在此处认为是一定值。则公式(7)式N值不满足竖向平衡条件。从而引入λ的固定关系式公式(8)，所述公式(8)为：
λ＝1-Lx/(6lx)-Lx/(6lxε) (8)
式中：Lx为螺栓锚固距离，lx为螺栓至平行螺栓压力最大侧底板边的距离，ε为代数λ为系数此处取0.861；
当压应力图形为三角形时，则混凝土受压长度最小值为3×0.181lx＝0.543lx；则锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (3)
1.一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，包括：
步骤一、建立胶带输送机机头简化模型并对胶带输送机机头载荷进行受力分析；
步骤二、运用受力平衡方程和力矩平衡方程计算获取地脚螺栓预埋板处垂直载荷和水平载荷的受力；
步骤三、建立地脚螺栓受力简化模型，计算出受压区长度值，确定锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围；
其中，所述受力平衡方程在建立过程中引入外力变化系数ξ，所述受力平衡方程具体为公式(1)：
式中：G1为头部滚筒的重量，G2为改向滚筒的重量，G3为底座及三角结构梁的重量，S1为头部滚筒奔离点的张力，S2为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，FAY为A预埋板所受到的垂直载荷，FBY为B预埋板所受到的垂直载荷，FCY为机头处整体所需锚固力；
所述力矩平衡方程在建立过程中引入外力变化系数ξ，所述力矩平衡方程具体为公式(2)：
式中：G1为头部滚筒的重量，G2为改向滚筒的重量，G3为底座及三角结构梁的重量，S1为头部滚筒奔离点的张力，S2为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，H1为三角结构梁高度，D为头部滚筒直径，H2为改向滚筒高度，d为改向滚筒直径，L为A、B点水平距离，L1为头部滚筒距A点距离，L2为改向滚筒距A点距离，L3为头架重心距A点距离，ξ为外力修正系数；
所述计算出受压区长度值具体如下：
根据地脚螺栓受力简化模型可得到方程(4)
式中：R为混凝土压应力合力，M为锚固力矩，Lx为螺栓锚固距离，Z为巷道硬化层及其上所施加力，N为机头对地脚螺栓的拉拔力，lx为螺栓至平行螺栓压力最大侧底板边的距离，f为地脚螺栓和混凝土或巷道底板最小摩擦力的合力，λlx为螺栓至压应力图形重心的距离，e为系数，e＝M/Z；
根据外加力对地脚螺栓锚固性能的影响，引入受拉端最大应力公式(5)和最小应力公式(6)；
所述受拉端最大应力公式(5)为：
σmax＝Z/Lxb+6M/bLx 2≤ηlfc(1-γk) (5)
式中：M为锚固力矩，Lx为螺栓锚固距离，b为螺栓锚固宽度，Z为巷道硬化层及其上所施加力，σ为混凝土压应力，fc为基础混凝土的轴心抗压强度设计值、ηl为局部承压时的提高系数，γk为巷道应力破坏系数；
所述受拉端最小应力公式(6)为：
σmin＝-Z/bLx+6M/bLx 2 (6)
式中：M为锚固力矩，Lx为螺栓锚固距离，b为螺栓锚固宽度，Z为巷道硬化层及其上所施加力，σ为混凝土压应力；
由公式(5)和公式(6)可以计算出受压区长度值，确定螺栓轴心到混凝土压应力重心的距离a，将巷道对底板的作用力也列入分析范围可以得到公式(7)，所述公式(7)为：
式中：M为锚固力矩，Z为巷道硬化层及其上所施加力，a为螺栓轴心到混凝土压应力重心的距离，N为机头对地脚螺栓的拉拔力，fd为巷道底板对地脚螺栓作用力，ld为巷道底板作用力与地脚螺栓的水平距离，λlx为螺栓至压应力图形重心的距离，β角为作用力在地脚螺栓侧与水平面的夹角；
针对单个具体巷道底板作用力矩在此处认为是一定值。则公式(7)式N值不满足竖向平衡条件。从而引入λ的固定关系式公式(8)，所述公式(8)为：
λ＝1-Lx/(6lx)-Lx/(6lxε) (8)
式中：Lx为螺栓锚固距离，lx为螺栓至平行螺栓压力最大侧底板边的距离；
当压应力图形为三角形时，则混凝土受压长度最小值为3×0.181lx＝0.543lx；则锚固范围大于两地脚螺栓间距，混凝土受压长度符合相邻单根地脚螺栓的锚固范围。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述步骤一中建立胶带输送机机头简化模型是将胶带运输机头简化为包括传动滚筒、改向滚筒、底座及三角结构梁的力学模型，所述传动滚筒为外力变量输入单元，改向滚筒、底座及三角结构梁为外力稳定输入单元，传动速率发生变化时外力输入单元存在差异性变化。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下胶带输送机机头地脚螺栓的计算方法，其特征在于，所述受力平衡方程还包括水平受力平衡方程，所述水平受力平衡方程为公式(3)：
∑FX＝0
式中：S1为头部滚筒奔离点的张力，S2为头部滚筒趋入点的张力，α为胶带倾角，ξ为外力修正系数，FAX为A预埋板所受到的水平载荷，FBX为B预埋板所受到的水平载荷，S为胶带所受张拉力在水平方向上的分力；
所述水平受力平衡方程中FAX＝FBX，通过上述公式的计算可得到胶带输送机机头处最大所需锚固力。
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