基于VB的巷道楔形體穩定性分析程序設計與實現＊

沈建波,鄭文海,屈建國,詹召偉

(1.山東科技大學資源與環境工程學院, 山東青島市 266510;2.濟寧礦業集團落陵煤礦,山東鄒城市 273516;3.濟寧礦業集團運河煤礦, 山東濟寧市 272100)

基于VB的巷道楔形體穩定性分析程序設計與實現＊

沈建波1,鄭文海1,屈建國2,詹召偉3

(1.山東科技大學資源與環境工程學院, 山東青島市 266510;2.濟寧礦業集團落陵煤礦,山東鄒城市 273516;3.濟寧礦業集團運河煤礦, 山東濟寧市 272100)

根據赤平投影的成圖原理,應用 VisualBasic實現了楔形體穩定性分析的程序化。用戶只需在VisualBasic界面上輸入楔形體的相關參數,程序即可實現赤平投影的繪制、楔形體滑動方式的判斷、穩定性系數的求解,使得楔形體穩定性分析更加方便和快捷。

赤平投影;VisualBasic;楔形體;穩定性分析

在巷道的圍巖中,節理面有時會把圍巖切割成楔形體,楔形體的穩定直接影響巷道的穩定,在這種情況下,分析和研究楔形體的穩定性是分析巷道圍巖穩定性的關鍵。極射赤平投影圖解法是分析楔形體穩定性的有效方法,根據赤平投影理論可以用Auto CAD完成作圖,但是在實際的繪圖中,不僅需要掌握赤平投影理論和楔形體穩定性判據,而且還要進行繁瑣的繪圖操作和穩定性判斷,不但效率不高,而且容易出錯[1]。本文應用 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,用戶只需輸入楔形體的參數,由程序實現赤平投影的繪制和楔形體的穩定性判別,最終求出穩定性系數。

1 編程原理及理論分析

1.1 赤平投影原理

楔形體穩定性分析是在赤平投影上進行的。極射赤面投影是表示物體的幾何要素或點、直線、平面的空間方向和它們之間的角距關系的一種平面投影[2]。它以 1個球體作為投影工具,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稱為極點,1條直線有 2個極點。鉛直線交球面上、下 2個點 (也就是極射點)。將物體的幾何要素置于球心,由球心射線將所有的點、線、面自球心開始投影于球面,就得到了點、直線、平面的球面投影[3]。再以投影球的上極射點或下極射點為發射點,將點、直線、平面投影 (點或線)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、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 楔形體穩定性判斷

在巷道中,由節理面切割圍巖形成的楔形體的穩定性判別可分 2個步驟,首先判斷是否會滑動失穩,其次是判斷滑動方式。

楔形體滑動是指楔形體在重力作用下,在楔形體內軟弱節理面上產生的整體滑動。其滑動方向一般是由兩節理面組合交線的傾向控制[4]。圖1所示為巷道內一楔形體,面ABC為邊墻臨空面。假定只有摩擦力抵抗滑動,且 2個節理面的摩擦角相同,則楔形體可能滑動的條件是 2個節理面交線 (CD)的赤平投影 (點 I)應落在坡面大圓弧與摩擦圓所圍成的范圍內。

圖1 楔形體

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

圖2 楔形體赤平投影

1.3 楔形體穩定性系數的計算[5]

當楔形體節理面交線 CD的傾角為β,僅考慮自重W作用時,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個滑動面,得到滑動面上的法向力 N1,N2為:

式中,θ1,θ2分別為 N與 2個滑動面法線間的夾角。

設滑動面ACD和 BCD的內聚力分別為 c1,c2,內摩擦角分別為φ1,φ2。則兩滑動面的抗滑力之和為:

式中,S1,S2分別為滑動面 ACD和 BCD的面積。

則楔形體的穩定性系數為:

2 程序化實現過程

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,第一部分判斷滑動方式,首先輸入楔形體的產狀參數,根據輸入的產狀參數繪制出赤平投影,根據所繪的赤平投影作出滑動方式判斷,滑動方式有單面滑動和雙面滑動 2種,如果不滑動則結束程序。第二部分是穩定性系數計算,根據不同的滑動方式輸入楔形體的力學參數,最終算出楔形體的穩定性系數。

2.2 編制程序

根據程序流程圖,使用 Visual Basic 6.0編制程序代碼和設計繪圖界面 。Visual Basic是面向對象的可視化編程軟件,具有程序設計簡單和界面友好的特點。在程序設計和編制過程中充分利用這些特點,編制了程序代碼并設計了繪圖界面 (見圖4、圖5)。

圖3 程序流程

圖4 程序界面一

3 程序的可行性評價及工程應用

3.1 程序的可行性評價

圖5 程序界面二

某礦五采區一聯絡巷內,有一被節理面切割的楔形體,其參數如表1所示,經分析為一單面滑動楔形體,穩定系數為 1.43,現以此楔形體為例檢驗本程序的可行性。

表1 楔形體產狀及其它參數

把表1中楔形體產狀參數輸入程序界面一,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,將楔形體的其他已知參數輸入程序界面二,由程序計算出楔形體穩定性系數為 1.41,絕對誤差僅 0.02,證明程序是可行的。

3.2 工程應用

礦井硐室的位置和軸線的正確設計是一項極其重要的工作。若選擇的硐室軸線方向適當,則施工順利,其圍巖穩定性好,礦山壓力小,支護簡單,若選擇不適當,則會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內的大型結構面,如大斷層帶、層間破碎帶等,并與其結構面呈較大的夾角。這樣,即使有較強的構造應力影響,其受力條件也最有利。

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

運用本程序繪制赤平投影圖,對井下硐室軸線方向作最優選擇。首先由程序作出節理面的赤平投影圖 (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組節理面均呈現較大角度相交,硐室軸線方向最好在節理面 (F2)和(F3)的走向方位之間選取。若選取硐室軸線方向為 35°,則它與各組結構面的交角分別是 86°、53°、52°,均為較大的銳角。同時 3組結構面與拱頂面、邊墻面的夾角也較大 ,分別為 60°、70°、60°和 86°、44°、54°,對硐室圍巖穩定都比較有利 ,當然 ,也還有局部不穩定的可能,南端墻以及由 3組結構面切割構成的楔形體,將在拱頂和南墻上構成可能不穩定體,這是不可完全避免的。將構成的楔形體,根據實際情況,測量產狀參數,再結合其他參數,可運用本程序進行穩定性分析,此處不再贅述。

4 結 論

(1)對于巷道圍巖中被節理面切割成楔形體的穩定性分析,應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實現楔形體的穩定性分析,使楔形體的穩定性分析變得方便快捷。

(3)應用赤平投影的經典理論,編制 Visual Basic程序,實現楔形體穩定性分析程序化的思想和方法,在工程實踐中具有一定的使用價值和參考作用。

[1]陳永剛,等.赤平投影操作自動化初探[J].礦業研究與開發,2005,25(1):61-65.

[2]莫先恒,唐名富.赤平投影分析原理及在礦山地災評估中的應用[J].中國水運,2007,10(7):150-151.

[3]趙文廷,盧 毅.極射赤平投影 CAD圖解及其在巖質邊坡穩定性分析中的應用[J].中國建材資訊,2007,34(6):42-48.

[4]高 全,等.楔形體及其穩定性分析與討論 [J].路基工程,2008,(1):115-116.

[5]沈明榮,陳建峰.巖體力學[M].上海:同濟大學,2006:198-199.

山東科技大學研究生創新基金資助項目(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。