張 佼 ,白東堯 ,張愛(ài)勇 ,賈錫永

(1.陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054;3.合肥工業(yè)煤炭設(shè)計(jì)院,安徽 合肥 230000;4.安徽鑫永晟微晶材料有限公司,安徽 滁州 239000)

0 引 言

在工程應(yīng)用中受沖擊、磨損的部位,基本上是采用抗沖擊的金屬材料、陶瓷材料和復(fù)合材料。金屬材料有錳鋼、高鉻合金、不銹鋼等;陶瓷材料有碳化硅、氧化鋁剛玉陶瓷、鋯剛玉陶瓷、壓延微晶陶瓷等材料;而復(fù)合材料由金屬與陶瓷通過(guò)特殊加工工藝復(fù)合在一起,主要是利用金屬的沖擊韌性好、安裝方法多、陶瓷耐磨耐腐蝕的優(yōu)越性能,通過(guò)金屬與陶瓷[1]的復(fù)合即可解決沖擊問(wèn)題,也能解決磨損腐蝕的問(wèn)題。工程實(shí)踐能夠抵御沖擊磨損的襯板種類較多,成功的案例也比較多,但是失敗的案例更多,主要存在兩個(gè)方面原因:一是襯板本身抗沖擊性能不好,使用壽命達(dá)不到要求;二是襯板能夠抵御工況中的沖擊磨損,但是安裝的襯板容易脫落,從表觀情況看是安裝問(wèn)題,通過(guò)沖擊襯板與殼體連接結(jié)構(gòu)的受力分析,得出襯板脫落主要原因是襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝工藝的問(wèn)題。本文主要研究預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷[2]復(fù)合襯板的安裝工藝。

1 抗沖擊襯板使用工況

煤礦原煤倉(cāng)屬于永久性的構(gòu)筑物,需要倉(cāng)壁防護(hù)襯板長(zhǎng)效保護(hù)免受沖擊磨損,原煤倉(cāng)主要存在的問(wèn)題:一是大塊矸石沖擊點(diǎn)處倉(cāng)體混凝土結(jié)構(gòu)損毀問(wèn)題,二是非沖擊點(diǎn)的棚煤堵煤?jiǎn)栴}。

大塊煤塊或矸石從30～60 m 高位以自由落體方式?jīng)_擊煤倉(cāng)底部及側(cè)幫防護(hù)襯板,撞擊襯板時(shí)的速度為24.25～34.29 m/s,大塊矸石質(zhì)量可達(dá)100 kg,矸石對(duì)襯板的沖擊動(dòng)量為2 425～3 429 kg·m/s。原煤倉(cāng)底部由分煤梁構(gòu)成的漏斗壁的坡度為55～65°,取中間值60°,由牛頓第二定律可以推算出,矸石在重力的作用下產(chǎn)生的沖量等于矸石從倉(cāng)頂下落到?jīng)_擊點(diǎn)的動(dòng)量差:

式中:F為矸石對(duì)襯板的沖擊力,N;Δt為矸石沖擊襯板的作用時(shí)間,s;m 為矸石的質(zhì)量,kg;v初為矸石初速度;v末為矸石沖擊襯板時(shí)的速度,m/s。

1.1 矸石與襯板、襯板與連接混凝土的受力分析

從式(1)得知,當(dāng)矸石的質(zhì)量和撞擊速度確定后,沖量也就確定了。式(1)左邊是沖擊力F與撞擊時(shí)間Δt的乘積,撞擊時(shí)間與物料的彈性模量成反比,這就是為什么硬度越高的物體,撞擊時(shí)間越小,沖擊力越大,撞擊時(shí)產(chǎn)生的破壞越大的原因。預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板完全能抵御矸石的沖擊破壞[3-4]。

1.2 矸石撞擊防護(hù)襯板屬于非彈性碰撞

矸石撞擊襯板時(shí)自身碎裂(可塑形變),防護(hù)襯板沒(méi)有損毀,只是發(fā)生了彈性形變,所以,這種碰撞屬于非彈性碰撞。雖然混凝土抗沖擊強(qiáng)度沒(méi)有防護(hù)襯板高,防護(hù)襯板被矸石撞擊的沖擊點(diǎn)面積比較小,襯板受到的沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土受到襯板施加的沖擊強(qiáng)度(彈性碰撞的面積為襯板的面積),襯板與混凝土的撞擊屬于彈性碰撞。

彈性碰撞的物理量包含彈性模量E、壓縮模量和體積模量。彈性模量E與材料的抗壓強(qiáng)度S屬于正相關(guān)性,通過(guò)散點(diǎn)圖可知,S與E符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系,通過(guò)回歸方程建立數(shù)學(xué)模型得:

式中:S為材料的抗壓強(qiáng)度,MPa;E為彈性模量,GPa。已知C30混凝土的抗壓強(qiáng)度S=30 MPa,代入(2)式得E=28.7 GPa,與資料數(shù)據(jù)是相符合的。

本文研究的預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板與混凝土產(chǎn)生的彈性碰撞,符合壓縮模量的過(guò)程計(jì)算,受到?jīng)_擊的襯板符合“完全側(cè)限”條件。

1.3 矸石撞擊防護(hù)襯板受力分析

矸石的質(zhì)量和落差高度確定,撞擊時(shí)產(chǎn)生的沖量量值就確定,但是,撞擊時(shí)間是個(gè)非常重要的參數(shù),文獻(xiàn)[1]矸石在撞擊襯板時(shí)間為0.008 6 s時(shí),垂直落差取60 m,矸石質(zhì)量取100 kg,由公式(1)計(jì)算得F1=3 429/0.008 6≈398 721 N。

襯板與混凝土彈性碰撞時(shí),襯板把獲得的沖擊力F1通過(guò)碰撞傳遞給混凝土,如圖1所示。已知預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板的面積是2 000 cm2,板厚5 cm,所以,混凝土與襯板的碰撞接觸面積也是2 000 cm2。由于混凝土坡面的水平夾角取60°,矸石對(duì)襯板沖擊力的正壓力F2=F1cos60°≈199 361 N。

圖1 矸石對(duì)襯板沖擊示意

F2正壓力就是襯板與混凝土彈性碰撞的力,被撞擊襯板的下滑力F3作用在下一層的襯板上。經(jīng)計(jì)算,混凝土受到的抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa,可見(jiàn),通常C30及以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土不會(huì)產(chǎn)生碰撞可塑形變,也就是說(shuō),在這個(gè)彈性膨脹力值的作用下不會(huì)損毀倉(cāng)壁混凝土的結(jié)構(gòu)。

1.4 混凝土與襯板連接力

預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板規(guī)格是等腰梯形,四個(gè)角上分別鑄造?18 mm 的螺孔,安裝?14 mm 的4.8 級(jí)螺栓,每只螺栓抗拉強(qiáng)度為320 MPa,共能承受128 000 N 的拉力。

2 襯板“拱形結(jié)構(gòu)”的安裝工藝

2.1 拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板時(shí),安裝面應(yīng)比工作面寬出4 mm,襯板平均寬度是400 mm,預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板尺寸如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板尺寸

每?jī)蓧K襯板安裝時(shí)形成一個(gè)10°的夾角,整體安裝可以形成直徑為5 m 的圓,當(dāng)安裝面的曲率半徑小于2.5 m 時(shí),在安裝連接件的部位墊上適當(dāng)?shù)慕饘賶|片,以便達(dá)到設(shè)計(jì)的曲率半徑要求[5];安裝面是平面時(shí),應(yīng)確保每?jī)蓧K襯板間夾角不小于4.6°。

2.2 襯板拱形結(jié)構(gòu)的壓縮模量受力分析

當(dāng)襯板受到撞擊后,襯板與背后混凝土倉(cāng)壁發(fā)生彈性碰撞,同時(shí),混凝土對(duì)襯板施加大小相等方向相反的反彈作用力,力值是199 361 N。由于四個(gè)螺栓直接焊接到混凝土配筋上(一般井下倉(cāng)的螺栓直接焊接到圍巖的錨桿上),這樣產(chǎn)生了128 000 N 的拉力,剩余199 361-128 000=71 361 N的力由安裝的拱形襯板支撐,襯板受到體積壓縮由產(chǎn)生的壓縮力來(lái)抵消,襯板高600 mm,厚50 mm,襯板被壓縮的面積S=60×5=300 cm2,由壓縮模量的定義:

式中:dV為彈性碰撞中體積被壓縮的形變量,cm3;V為襯板的體積,12 000 cm3;P為體積壓縮彈性形變產(chǎn)生的力,N;K為壓縮模量(預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷襯板85%是碳化硅材料,碳化硅的彈性模量是450 GPa),K取400 000 MPa。

復(fù)合襯板的壓縮尺寸如圖3所示。計(jì)算襯板被混凝土反彈脫落時(shí)兩邊復(fù)合襯板的壓縮體積:dV=1/2×0.2×5×60×2=60 cm3,P=K×dV/V=400 000 MPa×60 cm3/12 000 cm3=2 000 MPa=196 000 N。襯板脫落需要大于196 000 N的反彈力,實(shí)際混凝土反彈應(yīng)力剩余71 361 N,小于二分之一的力值。

圖3 復(fù)合襯板的壓縮尺寸示意

2.3 襯板拱形受力的受力分析

襯板拱形受力如圖4所示。假設(shè)襯板之間的夾角是4.6°,混凝土的反彈力是F反彈力=199 361 N,那么側(cè)壓力F側(cè)壓力=199 361/sin4.6°≈2 485 798 N(夾角越大側(cè)壓力越小),襯板的側(cè)面積S側(cè)面積=300 cm2,相鄰襯板受到的抗壓強(qiáng)度P襯板側(cè)面抗壓強(qiáng)度=2 485 798/300≈82.86 MPa,復(fù)合襯板的抗壓強(qiáng)度大于200 MPa,確保襯板反彈不會(huì)出現(xiàn)脫落問(wèn)題。

圖4 襯板拱形受力示意

依據(jù)壓縮模量計(jì)算,混凝土反彈力大于196 000 N時(shí)復(fù)合襯板才會(huì)脫落。通過(guò)拱形受力分析,當(dāng)相鄰襯板夾角最小是4.6°(圍成的圓直徑是10 m),相鄰襯板受到的側(cè)壓力是82.86 MPa,這是防護(hù)襯板能夠承受的抗壓強(qiáng)度,螺栓連接還要承載30～50%的反彈力。

3 襯板當(dāng)作“永久性模板”

3.1 安裝工藝的重要性

在巴拉素煤礦井底煤倉(cāng)施工中,采取先安裝“預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板”(以下簡(jiǎn)稱“襯板”),后澆筑混凝土的方法,使每一塊襯板都像鐵件一樣與混凝土形成整體,襯板與襯板間又相互連接成整體,襯板通過(guò)連接鋼筋與井壁圍巖中的錨桿連接,實(shí)現(xiàn)了襯板與圍巖錨桿形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu),較好地解決了圍巖沖擊地壓等造成的破壞問(wèn)題,并且還能代替施工模板。

通過(guò)近四年實(shí)際應(yīng)用證明,該襯板在抗沖擊、耐磨損、耐腐蝕等多方面的性能較好,但在安裝過(guò)程中如果不能嚴(yán)格按照規(guī)定方法施工,就達(dá)不到襯板與混凝土的整體性和襯板間的整體性,造成使用中襯板脫落現(xiàn)象。

3.2 襯板施工方法

在漏斗及筒壁鋼筋綁扎完后,直接將襯板安裝在上面,代替內(nèi)層模板。

(1)在斜面上使用等腰梯形襯板,規(guī)格為(300 mm+480 mm)×620 mm×50 mm;垂直面使用正方形金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板,規(guī)格為528 mm×528 mm×50 mm。

(2)筒壁部分襯板加固:由于井下倉(cāng)是單面支模,需要將施工混凝土?xí)r的脹力傳遞到已鑿好的圍巖上,因此,需要將襯板的拉筋與已有錨桿焊接牢固,每一個(gè)襯板連接處都必須保證焊接,確保襯板不發(fā)生位移。

(3)漏斗部分襯板加固:在支底模時(shí),將直徑不小于14 mm 的鋼筋外端加固在外模板上,另一端穿過(guò)底模,進(jìn)入混凝土區(qū)域不少于300 mm,安裝襯板時(shí)將拉筋與之焊接即可。沿豎筋方向間距為564 mm(圖紙?jiān)O(shè)計(jì)水平鋼筋間距300 mm,需要調(diào)整為282 mm),水平方向間距為390 mm。

(4)非沖擊區(qū)襯板與襯板的連接方法:全焊接。

(5)沖擊區(qū)襯板與襯板的連接方法:同一層襯板采用直徑14 mm×100 mm 螺栓連接。在安裝直面襯板時(shí),為了有更好的受力形狀,將兩塊相鄰襯板的夾角從180°調(diào)整為176°做成凹弧面;在安裝弧面襯板時(shí),以實(shí)際曲面為準(zhǔn)。上下層用直徑≥14 mm 的鋼筋(連接鋼筋)將同一水平標(biāo)高的上下層的每一個(gè)螺栓相互焊接(在靠混凝土側(cè)綁條焊:兩主筋端面之間的間隙應(yīng)為2～5 mm),使左右上下襯板相互之間形成整體。

(6)襯板與混凝土的連接:用直徑≥14 mm的鋼筋作為拉筋。在沖擊區(qū),一頭焊在螺栓或連接鋼筋上;在非沖擊區(qū),一頭直接焊在襯板上。另一頭進(jìn)入混凝土區(qū)域,錨固在混凝土中,并焊在靠襯板一側(cè)的水平筋上,起到固定襯板的作用,襯板與結(jié)構(gòu)鋼筋的距離以設(shè)計(jì)混凝土保護(hù)層為準(zhǔn)。襯板與混凝土的連接鋼筋平均不少于4根/塊。

4 結(jié) 論

(1)襯板在新煤倉(cāng)施工時(shí)作為混凝土的永久模板應(yīng)用,便于襯板的連接板焊接在混凝土的配筋或錨桿上,連接螺紋鋼有預(yù)埋件的作用,解決了井底煤倉(cāng)因大塊煤矸石撞擊倉(cāng)壁及沖擊地壓等因素造成得損毀問(wèn)題。

(2)維修煤倉(cāng)施工難度較大,主要是連接鋼筋與混凝土的配筋存在焊接問(wèn)題,襯板與混凝土結(jié)合的整體性和密實(shí)性都達(dá)不到新建倉(cāng)的效果,在這種情況下,襯板的拱形安裝是個(gè)必要條件,襯板之間緊固連接,在拱腳部位做好受力支撐。

(3)通過(guò)襯板沖擊、彈性碰撞及拱形的受力分析,得出的結(jié)論是:防護(hù)襯板安裝失敗,主要問(wèn)題是連接和受力面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,在沖擊面設(shè)計(jì)成凹形弧面是一個(gè)有效的解決措施。