馬 馳，郭 琪

(1.長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司； 2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院有限公司)

引 言

露天開采具有生產(chǎn)規(guī)模大、安全性高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)步，中國露天開采有了長足發(fā)展，在規(guī)模及產(chǎn)量方面增長迅速[1-2]。

從國內(nèi)有色礦山設(shè)計(jì)領(lǐng)域來看，國內(nèi)各大設(shè)計(jì)院對露天開采設(shè)計(jì)擁有較豐富的經(jīng)驗(yàn)，但對于大型、特大型露天礦山開采設(shè)計(jì)積累的經(jīng)驗(yàn)較少。據(jù)了解，在國內(nèi)露天礦山設(shè)計(jì)中，由于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化、開采境界設(shè)計(jì)等耗費(fèi)大量的時(shí)間，目前該類技術(shù)問題在國內(nèi)礦業(yè)領(lǐng)域還未能很好解決[3]。

隨著自動(dòng)化、智能化、三維技術(shù)的推廣及應(yīng)用，國內(nèi)外有關(guān)礦山設(shè)計(jì)的軟件功能正日益細(xì)化并完善，而市場上大部分軟件功能主要面向模型建設(shè)及模型處理，針對礦山設(shè)計(jì)中涉及的數(shù)據(jù)計(jì)算功能開發(fā)較少。因此，針對礦山設(shè)計(jì)工作中邊坡臺階參數(shù)的計(jì)算，本文構(gòu)建并開發(fā)了一套可核算規(guī)程規(guī)范數(shù)據(jù)并自動(dòng)測算平臺數(shù)據(jù)的窗口程序，為推動(dòng)露天開采設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展提供一種簡單、高效的設(shè)計(jì)工具。

1 邊坡構(gòu)成要素及幾何模型架構(gòu)

1.1 邊坡構(gòu)成要素

露天采場邊坡通常由終了邊坡高度、終了邊坡坡度、靠幫臺階高度、臺階坡面角、運(yùn)輸平臺、安全平臺及清掃平臺構(gòu)成。運(yùn)輸平臺是指終了邊坡的開拓道路所占用的臺階，縱貫露天境界各臺階；清掃平臺是指在終了邊坡上為阻截上部滑落的碎石而設(shè)置的專用清掃平臺，其平臺寬度根據(jù)清掃工藝及設(shè)備確定，分人工清掃及設(shè)備清掃下限寬度。

在小型礦山，由于終了邊坡坡度較緩、臺階數(shù)量較少，各靠幫臺階平臺寬度同時(shí)滿足安全平臺及清掃平臺的最低要求，此時(shí)，不再區(qū)分安全平臺及清掃平臺；在中大型礦山，需要根據(jù)巖石穩(wěn)定條件及剝離量大小將臺階進(jìn)行并段，通常將2～3個(gè)臺階并為一段，中間留一定寬度的安全平臺，每隔2～3個(gè)臺階設(shè)1個(gè)清掃平臺。

1.2 幾何模型架構(gòu)

邊坡各構(gòu)成要素之間在空間分布上可近似看作具有幾何關(guān)系的類三角結(jié)構(gòu)，幾何模型見圖1。

li—終了邊坡第i剖面水平投影長度(m) hi—終了邊坡第i剖面高度(m) θi—第i剖面整體邊坡角(°) w—整個(gè)邊坡中臺階平臺平均寬度(m) h—臺階高度(m) α—臺階坡面角(°) wd—道路設(shè)計(jì)寬度(m)圖1 整體邊坡幾何模型示意圖

在整體邊坡角不變的情況下，露天坑某一剖面深度與剖面在水平方向的跨度關(guān)系為：

(1)

各構(gòu)成要素的空間幾何關(guān)系表達(dá)式為：

li=la+lq+ly+ltm+ltp

(2)

式中：la為終了邊坡第i剖面所有安全平臺寬度(m)；lq為終了邊坡第i剖面所有清掃平臺寬度(m)；ly為第i剖面所有運(yùn)輸平臺寬度(m)；ltm為所有臺階坡面水平投影長度(m)；ltp為所有普通臺階寬度(m)。

由式(2)可知，終了邊坡水平投影長度為各臺階清掃平臺寬度、安全平臺寬度、運(yùn)輸平臺寬度、臺階坡面水平投影長度及普通臺階寬度之和。在終了邊坡角不變的情況下，邊坡水平投影長度不變，各構(gòu)成要素之間存在線性互補(bǔ)關(guān)系。

2 邊坡平臺參數(shù)計(jì)算模型

2.1 臺階平臺寬度函數(shù)計(jì)算模型

露天采場邊坡參數(shù)設(shè)計(jì)中，臺階高度及臺階邊坡角可通過設(shè)備及邊坡穩(wěn)定性研究確定，為已知前置條件。臺階坡面水平投影長度可由臺階高度及臺階坡面角通過三角函數(shù)間接求解；臺階數(shù)量由終了邊坡高度及臺階高度計(jì)算求得；運(yùn)輸平臺寬度由運(yùn)輸設(shè)備要求確定。因此，在不考慮安全平臺及清掃平臺及并段條件下，各臺階平臺平均寬度可以認(rèn)為是臺階高度、臺階坡面角及運(yùn)輸平臺寬度的函數(shù)目標(biāo)值，則臺階平臺平均寬度計(jì)算模型為：

(3)

式中：hi1為第i剖面最高臺階標(biāo)高(m)；hi0為第i剖面坑底臺階標(biāo)高(m)；ni為第i剖面道路條數(shù)。

2.2 輔助平臺函數(shù)計(jì)算模型

中大型礦山由于邊坡過陡，各平臺平均寬度無法滿足作業(yè)平臺工作要求，因此，需將臺階按照一定數(shù)量并段，并設(shè)清掃平臺及安全平臺。根據(jù)GB 50771—2012 《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，設(shè)定了清掃平臺最小寬度，安全平臺應(yīng)設(shè)盡設(shè)，在滿足安全及作業(yè)要求的前提條件下，終了邊坡的安全平臺可以取消。當(dāng)臺階并段后，終了邊坡平臺僅由清掃平臺、安全平臺、運(yùn)輸平臺構(gòu)成，且平臺設(shè)置以首先滿足運(yùn)輸平臺和清掃平臺寬度為主。臺階并段與非并段條件下平臺寬度變化見圖2。

圖2 臺階并段與非并段條件下平臺寬度變化

3 邊坡平臺參數(shù)計(jì)算程序開發(fā)

3.1 平臺選擇

露天采場邊坡平臺參數(shù)計(jì)算程序采用C# 語言在.NET框架下開發(fā)完成。C# 語言由C語言和 C++語言衍生而來，是一種新式編程語言，不僅面向目標(biāo)對象，而且語言類型具備更高的安全性。由于其具備獨(dú)特、優(yōu)雅的語法風(fēng)格及可自構(gòu)的獨(dú)立公用包組件，C# 語言不僅是一種面向目標(biāo)的語言，還進(jìn)一步支撐面向組件的編程，具備了窗口可視化操作功能，成為.NET開發(fā)的首選語言[4-5]。

.NET平臺是一種可跨多種平臺的、開源的、用于開發(fā)多種應(yīng)用的免費(fèi)開發(fā)平臺。C#語言為該平臺3種編程語言中最為常用的一種，程序員可快速上手使用。由于該平臺獨(dú)特的編程、開發(fā)特點(diǎn)，Microsoft.NET 提供了更為簡單、更為個(gè)性、更為有效的基礎(chǔ)框架，為計(jì)算與通訊領(lǐng)域的程序開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[6]。因此，本文采用C# 語言.NET框架作為開發(fā)應(yīng)用的平臺。

3.2 程序設(shè)計(jì)

在已知終了邊坡角、臺階高度、臺階坡面角、道路寬度及數(shù)量的條件下，通過構(gòu)建的平臺函數(shù)計(jì)算模型，按照設(shè)定的計(jì)算步驟完成臺階并段、清掃平臺及安全平臺的優(yōu)化及測算。測算程序設(shè)計(jì)流程見圖3。

圖3 輔助平臺寬度測算程序設(shè)計(jì)流程

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

開發(fā)完成的邊坡平臺參數(shù)計(jì)算程序通過裝載的.NET 平臺及設(shè)計(jì)的Windows Forms窗體程序，能夠在Microsoft 操作系統(tǒng)平臺上拷貝、運(yùn)行[7-8]。窗體程序?yàn)楠?dú)立程序，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2大主要功能:一是能否并段基本條件的判斷、并段條件下清掃平臺及安全平臺的寬度計(jì)算；二是報(bào)表的導(dǎo)出。

1)平臺寬度計(jì)算。輸入露天終了邊坡最高臺階標(biāo)高及坑底臺階標(biāo)高，軟件自動(dòng)計(jì)算露天邊坡高度，輸入終了邊坡角、臺階坡面角及臺階高度，根據(jù)剖面上道路的數(shù)量及寬度，軟件自動(dòng)計(jì)算在不并段條件下各臺階平臺的寬度[9-10]。當(dāng)自動(dòng)計(jì)算的臺階平臺寬度不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的最小臺階平臺寬度時(shí)，軟件自動(dòng)提示需要并段處理，根據(jù)實(shí)際需要勾選“是否并段”，確定并段數(shù)量，再重新計(jì)算清掃平臺寬度，直至滿足設(shè)計(jì)要求。邊坡參數(shù)計(jì)算程序界面見圖4。

圖4 邊坡參數(shù)計(jì)算程序界面

2)報(bào)表導(dǎo)出。報(bào)表導(dǎo)出是根據(jù)軟件自動(dòng)測算的系列方案，導(dǎo)出在并段及不并段條件下各臺階平臺寬度，供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行方案對比及選擇[11]。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

以西藏驅(qū)龍銅礦為例，該礦山占地平面面積約504萬m2，邊坡高度超過900 m。露天采場平面范圍寬廣，實(shí)行分區(qū)研究露天邊坡穩(wěn)定性，礦山共分5個(gè)分區(qū)，最高臺階標(biāo)高5 515 m，坑底標(biāo)高4 600 m，專項(xiàng)研究報(bào)告推薦的露天坑邊坡角為38°～45°。

通過露天采場邊坡參數(shù)計(jì)算程序計(jì)算，驅(qū)龍銅礦邊坡平臺計(jì)算結(jié)果見表1，根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)的露天境界見圖5。圖5中各分區(qū)的安全平臺寬度為3.00～3.02 m，清掃平臺寬度與軟件推薦的平臺寬度誤差不超過2 %。

表1 驅(qū)龍銅礦露天邊坡平臺計(jì)算結(jié)果

圖5 驅(qū)龍銅礦露天采場及邊坡參數(shù)

5 結(jié) 語

露天邊坡結(jié)構(gòu)包含參數(shù)較多，在以往設(shè)計(jì)工作中，以經(jīng)驗(yàn)法及手算法測算結(jié)構(gòu)參數(shù)，工作效率低，數(shù)據(jù)測算容易出錯(cuò)。本文通過對露天采場邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)幾何關(guān)系及參數(shù)間邏輯關(guān)系的分析，構(gòu)建了邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)空間幾何模型，利用C# 語言及.NET平臺開發(fā)的邊坡平臺參數(shù)計(jì)算程序，可在Microsoft 操作系統(tǒng)中拷貝、運(yùn)行，無需安裝專用軟件，滿足露天邊坡參數(shù)自動(dòng)化設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)邊坡參數(shù)自動(dòng)核對規(guī)程規(guī)范及邊坡參數(shù)自動(dòng)測算的功能，同時(shí)可導(dǎo)出各參數(shù)方案，便于設(shè)計(jì)人員對比分析，為礦山設(shè)計(jì)提供了一種簡單、快捷的操作工具，極大提高了工作效率。