孙凡占
上海大屯能源股份有限公司徐庄煤矿 江苏沛县 2216111
中文摘要：本文简要介绍了《煤矿安全规程》、《采矿设计手册》对斜巷轨道防滑的具体要求及徐庄煤矿轨道暗斜井轨道防滑设计与应用中存在问题，创新了轨道下滑力计算及防滑装置强度验算公式及3个方便在用斜巷轨道新增防滑装置施工设计技术方案。
关键词：斜巷 轨道 防滑 锚杆
1 问题提出及研究意义
倾斜坡度大于7‰巷道禁止人力推车，可视为斜巷。因为斜巷轨道（道碴、轨枕、钢轨）在其斜面上重力分力的作用下，存在下滑趋势，造成轨道接头轨缝超过5mm最大值，影响行车安全。2016年10月1日起实施的《煤矿安全规程》第五十六条(三) 要求：“施工１５°以上斜井(巷)时,应当制定防止设备、轨道、管路等下滑的专项措施”；第三百八十八条要求：“倾斜井巷使用提升机或者绞车提升时,必须采取轨道防滑措施。”因此，斜巷轨道防滑很有必要。
徐庄煤矿多处斜巷因为未采取轨道防滑措施，多处轨缝宽度大于20mm，严重影响行车安全。
2 原有轨道防滑装置存在问题
徐庄煤矿Ⅱ（1）上山斜巷提升长度860m，斜巷倾角最大23°，铺设q=30kg/m型钢轨、600mm轨距单股轨道，采用JKB-3.0×2.2P型单滚筒提升机，额定1t矿车每次提升6辆，最大提升速度3.7m/s，最大提升重量p=23000kg，其轨道布置设计由大屯煤电设计院2001年完成，设计证书编号1029112。其轨道防滑设计依据《采矿设计手册》，选择如图1所示的最常用钩形板固定钢轨防滑形式：
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图1
2.1 技术要求
1、轨道防滑设计间距30m。
2、每组轨道防滑消耗钢材小计63.303 kg，具体如下：
厚25mm钩形板2块，重量15.4×2=30.8kg；14#槽钢梁，长度1.2m，1根，重量17.44kg；
GB5-76，M20×55螺栓含螺母、垫圈6套，重量（0.19+0.06+0.05）×6=1.8 kg；GB5-76，M36×500预埋螺栓含螺母3套，重量（4.051+0.37）×3=13. 263 kg；上宽300mm、下宽542mm、高600mmm、长1200mm混凝土墙（0.3+0.542）/2×0.6×1.2=0.3031m3。
2.2 存在问题
1、槽钢上平面与轨底平齐，提升钢丝绳松弛落下时磨道心突出槽钢37mm的M36螺栓头及螺母。
2、槽钢上侧与钩形板普遍距离10mm，留有下滑余量。
3、需要挖坑体积=0.6×0.6×1.2=0.432m3，并浇灌混凝土，施工难度大。
3 新型轨道防滑装置研究与应用
3.1 斜巷轨道下滑力计算
徐庄煤矿Ⅱ（1）上山斜巷提升长度860m，斜巷倾角最大23°，铺设q=30kg/m型钢轨、600mm轨距单股轨道，采用JKB-3.0×2.2P型单滚筒提升机，额定1t矿车每次提升6辆，最大提升速度3.7m/s，最大提升重量p=23000kg，道床宽1.2m、厚0.25m，道碴（水泥轨枕）密度1.8t/ m3 , 车辆运行摩擦阻力系数f=0.02
每米道床体积V=1.2×0.25×1.0=0.3 m3
每米道床重量P=0.3×1.8=0.54 t=540 kg
防滑装置间距L=30～50m
3.1.1 斜巷轨道下滑力计算公式
鉴于《采矿设计手册》和其它书籍中未找到斜巷轨道下滑力计算公式，提出如下见解：
1、无车辆运行时，道床的下滑力直接推动轨枕，轨枕再通过道钉（压铁）摩擦力作用于钢轨，其钢轨静止下滑力F1= (2q+ P)L?sinα，q为钢轨每米重量。
2、车辆沿斜巷轨道向上运行时，车轮与轨面滚动摩擦阻力F2=p?f?cosα作用于钢轨上，应为钢轨动下滑力，p 为最大载重量，f为车轮摩擦系数，α为斜巷坡度。
因此，轨道下滑力计算公式：F= (2q+ P)L?sinα+p ?f?cosα
3.1.2斜巷轨道下滑力估算：
防滑装置间距L=30m时，轨道下滑力
F=(2×30+ 540) ×30sin23°+ 23000×0.02cos 23°=7347.39kg =72.00kN
防滑装置间距L=050m时，轨道下滑力
F=(2×30+ 540) ×50sin23°+ 0.02×23000cos 23°=12033. 92kg =117.93 kN
3.2 新型斜巷轨道防滑设计创新
为了落实《煤矿安全规程》第五十六条和第三百八十八条，方便斜巷轨道防滑装置安装施工，设计创新如下：
3.2.1 方案一
1、斜巷轨道防滑装置方案1主视图如图2所示
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2、斜巷轨道防滑装置左视图如图3所示
3、斜巷轨道防滑装置钩形板加工图如图4所示
4、防滑装置锚杆、角钢抗弯模数计算简图如图5所示
5、每组轨道防滑消耗钢材小计42.09 kg，具体如下：
厚25mm钩形板2块，重量5.13×2=10.26kg；140×90×10不等边角钢，长度1.2m，1件，重量20.59kg；GB5-76，M20×55螺栓含螺母、垫圈4套，重量（0.19+0.06+0.05）×4=1.2 kg；M20×1000锚杆含螺母4套，重量（2.45+0.06）×4=10.04 kg。
3.2.2 方案二
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图6 图7
3.2.3 方案三
斜巷轨道防滑装置方案3主视图如图7所示，75×75×8角钢，长度0.3m，2件，重量5.42kg。
3.3 斜巷轨道防滑装置强度验算
1、钩形板: 钩形板厚25mm、宽50mm、孔径22mm，最小截面积=(50-22)×25=700mm2
2、M20螺栓：螺栓标称直径20mm，公称应力截面积245mm2，数量2条，最小总截面积=245×2=490mm2
3、许用应力=屈服极限/安全系数，Q235的安全系数是1.5，所以许用应力为[σ]=235/1.5=156.67Map
4、M20螺栓许用剪切力=156.67×490=153.54 kN＞117.93 kN（50m防滑间距），合格。所以，防滑装置间距可以设计为≤50m。
3.3.1轨道防滑装置阻挡梁强度计算
1、如图2所示，轨道防滑装置阻挡梁由140×90×10mm不等边角钢长1200mm1件和M20×1000mm锚杆4根组成，其简图如图5所示：B=97cm，H=10cm，b=20.5cm，h=6cm。
2、轨道防滑装置阻挡梁抗弯截面模数：
W=(BH3-bh3)/(6H)= (97×103-20.5×63)/(6×10)=1542.87cm3
3、轨道防滑装置阻挡梁单侧2- M20锚杆弯矩：
Mmax=F?b/2=1000×117.93×0.205/2=12088.07Nm
4、阻挡梁钢轨两侧2- M20锚杆最大弯曲应力
σ=Mmax/ W=12088.07/1542.87=7.84Map
5、轨道防滑装置不等边角钢抗弯截面模数：
重心S到相应边的距离e1=(aH2+bd2)/2/(aH+bd) =(1×142+9×12)/2/(1×14+9×1)
=4.4565cm
e2=H-e1=14-4.4565=9.5435cm
惯性矩Ix=(Be13-bh3+ae23)/3=(9×4.45653-8×3.45653+1×9.54353)=445.1358cm4
抗弯截面模数Wx1=Ix/e1=445.1358 /4.4565=99.88cm3
5.5.6轨道防滑装置不等边角钢弯矩：
按轨道左右最大偏移195mm计算，最大弯矩
Mmax=F?b/2=1000×117.93×0.195=11498.4Nm
5.5.7不等边角钢最大弯曲应力
σ=Mmax/ W=11498.4/99.88=115.1Map
5.5.8斜巷轨道防滑装置强度验算结果
最大弯曲应力σ=115.1Map＜[σ]=156.67Map，合格。
3.4 斜巷轨道防滑装置施工步骤与技术要求
1、机械加工及技术要求：按设计尺寸加工，除去毛刺，避免影响调整轨道。
2、按设计间距，结合现场实际，合理确定每个斜巷轨道防滑装置具体安装位置。
3、在具体安装位置两个轨枕之间，距离下山方向轨枕上侧50mm，向上山方向轨枕下侧清挖道碴宽200mm、长1200mm至底板。挖出的道碴临时放置到轨道外侧，准备回填。
4、以轨道中心线为中心，在距离上轨枕下侧80mm硬底板上，按方案一（图2）、方案二（图6）、方案三（图7），任一选定方案标注尺寸加工角钢简易钢梁，并点、打4-M20×1000mm锚杆，其螺纹端低于轨底10mm，每个锚杆各用1卷锚固剂，先装配1个角钢下方M20螺母。
5、 将角钢的Φ27透孔装配到M20×1000mm锚杆上，其90°垂直边必须在斜巷上侧，用于抵挡钩形板；其宽度边应与钢轨底面平行，低于轨底35mm，并每个锚杆用上下2个M20螺母紧固。
6、将左、右钩形板紧贴角钢梁垂直边和钢轨内侧轨腰，按钩形板孔中心距在钢轨外侧轨腰，点、钻4-Φ22透孔，并由钢轨内侧向外侧装配M20×55mm螺栓，在钢轨外侧装配左、右钩形板和平弹垫圈、螺母并紧固。
7、 回填挖出的道碴并平整。
4 结论
1、斜巷轨道防滑阻挡梁方案1：该斜巷轨道防滑装置可以满足轨道最大左右195mm、升降40mm位移需要，抗弯强度大，但材料成本及施工技术要求精度高。
2、斜巷轨道防滑阻挡梁方案2：该斜巷轨道防滑装置结构简单，材料成本较少，施工、维修方便，应用前景广阔。
3、斜巷轨道防滑阻挡梁方案3：该斜巷轨道防滑装置结构简单，材料成本最少，施工、维修方便，但抗弯强度低。
4、应用情况：斜巷轨道防滑简易阻挡梁方案1创新设计首套图纸已于2018.9.11通过徐庄煤矿批准，首批委托加工60套，2018.10开始在徐庄煤矿Ⅱ（1）轨道上山和Ⅱ（3）下皮带巷等斜巷轨道推广应用。施工中发现最初设计的角钢梁下垂直边内侧螺帽不方便紧固，随即将4-M20锚杆由矩形布置，改为八字形布置和中心直线布置，如图2、图6、图7所示。斜巷轨道防滑阻挡梁方案3设计图纸2019.5通过徐庄煤矿批准，于2019年在徐庄煤矿Ⅱ（3）轨道上山和Ⅱ（3）轨道下山推广应用。