沈建波,鄭文海,屈建國(guó),詹召偉

(1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 山東青島市 266510;2.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)落陵煤礦,山東鄒城市 273516;3.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)運(yùn)河煤礦, 山東濟(jì)寧市 272100)

基于VB的巷道楔形體穩(wěn)定性分析程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

沈建波1,鄭文海1,屈建國(guó)2,詹召偉3

(1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 山東青島市 266510;2.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)落陵煤礦,山東鄒城市 273516;3.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)運(yùn)河煤礦, 山東濟(jì)寧市 272100)

根據(jù)赤平投影的成圖原理,應(yīng)用 VisualBasic實(shí)現(xiàn)了楔形體穩(wěn)定性分析的程序化。用戶只需在VisualBasic界面上輸入楔形體的相關(guān)參數(shù),程序即可實(shí)現(xiàn)赤平投影的繪制、楔形體滑動(dòng)方式的判斷、穩(wěn)定性系數(shù)的求解,使得楔形體穩(wěn)定性分析更加方便和快捷。

赤平投影;VisualBasic;楔形體;穩(wěn)定性分析

在巷道的圍巖中,節(jié)理面有時(shí)會(huì)把圍巖切割成楔形體,楔形體的穩(wěn)定直接影響巷道的穩(wěn)定,在這種情況下,分析和研究楔形體的穩(wěn)定性是分析巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。極射赤平投影圖解法是分析楔形體穩(wěn)定性的有效方法,根據(jù)赤平投影理論可以用Auto CAD完成作圖,但是在實(shí)際的繪圖中,不僅需要掌握赤平投影理論和楔形體穩(wěn)定性判據(jù),而且還要進(jìn)行繁瑣的繪圖操作和穩(wěn)定性判斷,不但效率不高,而且容易出錯(cuò)[1]。本文應(yīng)用 VisualBasic編制了赤平投影程序,利用 Visual Basic界面友好,操作方便,使用靈活的特點(diǎn),用戶只需輸入楔形體的參數(shù),由程序?qū)崿F(xiàn)赤平投影的繪制和楔形體的穩(wěn)定性判別,最終求出穩(wěn)定性系數(shù)。

1 編程原理及理論分析

1.1 赤平投影原理

楔形體穩(wěn)定性分析是在赤平投影上進(jìn)行的。極射赤面投影是表示物體的幾何要素或點(diǎn)、直線、平面的空間方向和它們之間的角距關(guān)系的一種平面投影[2]。它以 1個(gè)球體作為投影工具,過投影球球心的水平面稱為赤平面,通過球心的直線與球面的交點(diǎn)稱為極點(diǎn),1條直線有 2個(gè)極點(diǎn)。鉛直線交球面上、下 2個(gè)點(diǎn) (也就是極射點(diǎn))。將物體的幾何要素置于球心,由球心射線將所有的點(diǎn)、線、面自球心開始投影于球面,就得到了點(diǎn)、直線、平面的球面投影[3]。再以投影球的上極射點(diǎn)或下極射點(diǎn)為發(fā)射點(diǎn),將點(diǎn)、直線、平面投影 (點(diǎn)或線)投影于赤道平面上,這種投影就稱為赤平極射投影,由此得到的點(diǎn)、直線、平面在赤平面上的投影圖就稱為赤平極射投影圖。

1.2 楔形體穩(wěn)定性判斷

在巷道中,由節(jié)理面切割圍巖形成的楔形體的穩(wěn)定性判別可分 2個(gè)步驟,首先判斷是否會(huì)滑動(dòng)失穩(wěn),其次是判斷滑動(dòng)方式。

楔形體滑動(dòng)是指楔形體在重力作用下,在楔形體內(nèi)軟弱節(jié)理面上產(chǎn)生的整體滑動(dòng)。其滑動(dòng)方向一般是由兩節(jié)理面組合交線的傾向控制[4]。圖1所示為巷道內(nèi)一楔形體,面ABC為邊墻臨空面。假定只有摩擦力抵抗滑動(dòng),且 2個(gè)節(jié)理面的摩擦角相同,則楔形體可能滑動(dòng)的條件是 2個(gè)節(jié)理面交線 (CD)的赤平投影 (點(diǎn) I)應(yīng)落在坡面大圓弧與摩擦圓所圍成的范圍內(nèi)。

圖1 楔形體

楔形體滑動(dòng)方式有單面滑動(dòng)和雙面滑動(dòng) 2種。當(dāng)楔形體的幾何形狀一定時(shí),楔形體各面的相對(duì)位置是固定的,楔形體是否滑動(dòng)主要取決于楔形體在圍巖中的空間位置狀態(tài),現(xiàn)以圖2(a)中的楔形體為例,結(jié)合赤平投影圖作以說明。假定交線 CD為基準(zhǔn)線,巷道邊墻 (即臨空面)ABC保持產(chǎn)狀不變,節(jié)理面ACD和節(jié)理面 BCD繞基準(zhǔn)線 CD轉(zhuǎn)動(dòng),在赤平投影圖上巷道邊墻與節(jié)理面 1的傾向夾角∠POM隨之變動(dòng),當(dāng)∠QOM大于∠QO I時(shí),楔形體單面滑動(dòng),當(dāng)∠QOM小于∠QO I時(shí),楔形體雙面滑動(dòng)。

圖2 楔形體赤平投影

1.3 楔形體穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算[5]

當(dāng)楔形體節(jié)理面交線 CD的傾角為β,僅考慮自重W作用時(shí),楔形體下滑力 F為Wsinβ。垂直交線CD的作用分量 N為Wcosβ。如圖2,將 N分別分解到 2個(gè)滑動(dòng)面,得到滑動(dòng)面上的法向力 N1,N2為:

式中,θ1,θ2分別為 N與 2個(gè)滑動(dòng)面法線間的夾角。

設(shè)滑動(dòng)面ACD和 BCD的內(nèi)聚力分別為 c1,c2,內(nèi)摩擦角分別為φ1,φ2。則兩滑動(dòng)面的抗滑力之和為:

式中,S1,S2分別為滑動(dòng)面 ACD和 BCD的面積。

則楔形體的穩(wěn)定性系數(shù)為:

2 程序化實(shí)現(xiàn)過程

2.1 程序流程

程序流程圖見圖3,該程序流程可分為 2部分,第一部分判斷滑動(dòng)方式,首先輸入楔形體的產(chǎn)狀參數(shù),根據(jù)輸入的產(chǎn)狀參數(shù)繪制出赤平投影,根據(jù)所繪的赤平投影作出滑動(dòng)方式判斷,滑動(dòng)方式有單面滑動(dòng)和雙面滑動(dòng) 2種,如果不滑動(dòng)則結(jié)束程序。第二部分是穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算,根據(jù)不同的滑動(dòng)方式輸入楔形體的力學(xué)參數(shù),最終算出楔形體的穩(wěn)定性系數(shù)。

2.2 編制程序

根據(jù)程序流程圖,使用 Visual Basic 6.0編制程序代碼和設(shè)計(jì)繪圖界面 。Visual Basic是面向?qū)ο蟮目梢暬幊誊浖?具有程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和界面友好的特點(diǎn)。在程序設(shè)計(jì)和編制過程中充分利用這些特點(diǎn),編制了程序代碼并設(shè)計(jì)了繪圖界面 (見圖4、圖5)。

圖3 程序流程

圖4 程序界面一

3 程序的可行性評(píng)價(jià)及工程應(yīng)用

3.1 程序的可行性評(píng)價(jià)

圖5 程序界面二

某礦五采區(qū)一聯(lián)絡(luò)巷內(nèi),有一被節(jié)理面切割的楔形體,其參數(shù)如表1所示,經(jīng)分析為一單面滑動(dòng)楔形體,穩(wěn)定系數(shù)為 1.43,現(xiàn)以此楔形體為例檢驗(yàn)本程序的可行性。

表1 楔形體產(chǎn)狀及其它參數(shù)

把表1中楔形體產(chǎn)狀參數(shù)輸入程序界面一,由程序繪出如圖2(b)所示的赤平投影圖,程序判斷楔形體雙面滑動(dòng),將楔形體的其他已知參數(shù)輸入程序界面二,由程序計(jì)算出楔形體穩(wěn)定性系數(shù)為 1.41,絕對(duì)誤差僅 0.02,證明程序是可行的。

3.2 工程應(yīng)用

礦井硐室的位置和軸線的正確設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極其重要的工作。若選擇的硐室軸線方向適當(dāng),則施工順利,其圍巖穩(wěn)定性好,礦山壓力小,支護(hù)簡(jiǎn)單,若選擇不適當(dāng),則會(huì)給工程帶來一系列的麻煩。一般情況下,要使巷道軸線方向盡可能垂直于區(qū)內(nèi)的大型結(jié)構(gòu)面,如大斷層帶、層間破碎帶等,并與其結(jié)構(gòu)面呈較大的夾角。這樣,即使有較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力影響,其受力條件也最有利。

某礦一井下變電所為一長(zhǎng)方形的大型硐室,圍巖中有 3組主要的節(jié)理面:第 1組為小型沖斷層,產(chǎn)狀為 30°∠60°;第 2組為節(jié)理 ,產(chǎn)狀為 255°∠70°;第 3組為發(fā)育的節(jié)理,產(chǎn)狀為 350°∠60°。

運(yùn)用本程序繪制赤平投影圖,對(duì)井下硐室軸線方向作最優(yōu)選擇。首先由程序作出節(jié)理面的赤平投影圖 (見圖2(c)),其次在該圖中選取硐室軸線方向,為了使硐室軸線方向能與 3組節(jié)理面均呈現(xiàn)較大角度相交,硐室軸線方向最好在節(jié)理面 (F2)和(F3)的走向方位之間選取。若選取硐室軸線方向?yàn)?35°,則它與各組結(jié)構(gòu)面的交角分別是 86°、53°、52°,均為較大的銳角。同時(shí) 3組結(jié)構(gòu)面與拱頂面、邊墻面的夾角也較大 ,分別為 60°、70°、60°和 86°、44°、54°,對(duì)硐室圍巖穩(wěn)定都比較有利 ,當(dāng)然 ,也還有局部不穩(wěn)定的可能,南端墻以及由 3組結(jié)構(gòu)面切割構(gòu)成的楔形體,將在拱頂和南墻上構(gòu)成可能不穩(wěn)定體,這是不可完全避免的。將構(gòu)成的楔形體,根據(jù)實(shí)際情況,測(cè)量產(chǎn)狀參數(shù),再結(jié)合其他參數(shù),可運(yùn)用本程序進(jìn)行穩(wěn)定性分析,此處不再贅述。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于巷道圍巖中被節(jié)理面切割成楔形體的穩(wěn)定性分析,應(yīng)用極射赤平投影圖解法分析是可行的。

(2)基于 Visual Basic的赤平投影程序能夠?qū)崿F(xiàn)楔形體的穩(wěn)定性分析,使楔形體的穩(wěn)定性分析變得方便快捷。

(3)應(yīng)用赤平投影的經(jīng)典理論,編制 Visual Basic程序,實(shí)現(xiàn)楔形體穩(wěn)定性分析程序化的思想和方法,在工程實(shí)踐中具有一定的使用價(jià)值和參考作用。

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山東科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YCA090302).

2010-10-10)

沈建波 (1981-),男,山東鄒城人,碩士研究生,從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。