CC BY
146
Т. А. Волегова
младший научный сотрудник лаборатории устойчивости бортов разрезов СФ ОАО «ВНИМИ», г. Прокопьевск
УДК 622.271.3.001.1
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС
ДЛЯ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ РАЗРЕЗОВ
Рассмотрены актуальность создания программного комплекса по расчету устойчивости бортов разрезов, цели и задачи программного комплекса, основа методов, используемых в программном комплексе, основные возможности комплекса, а также пример расчета, практичность и перспективы развития.
Ключевые слова: БОРТ РАЗРЕЗА (КАРЬЕРА), КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ, НАИБОЛЕЕ НАПРЯЖЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ, ОТКОС, ПОВЕРХНОСТЬ СКОЛЬЖЕНИЯ, ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ (РАСЧЕТНАЯ) ПОВЕРХНОСТЬ СКОЛЬЖЕНИЯ, ПРИЗМА ВОЗМОЖНОГО ОБРУШЕНИЯ БОРТА РАЗРЕЗА (ОТКОСА УСТУПА, ОТВАЛА), ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС
На современном этапе добычи угля оценка устойчивости откосов и оснований является весьма актуальной проблемой при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.
С устойчивостью бортов карьеров и отвалов связаны безопасность работ в карьерах, вопросы технологии, предельные углы наклона бортов, предельная глубина карьеров и дренирование месторождений. При большой глубине карьеров изменение предельного угла наклона бортов на 3-4° приводит к изменению объема вскрышных работ на миллионы кубометров. Завышенные углы откосов влекут за собой возникновение оползней и обрушений, которые наносят большой ущерб предприятиям.
ВНИМИ была разработана «Методика определения устойчивых бортов, откосов уступов и отвалов» [1, 2], которая позволяет упорядочить решение вопросов устойчивости бортов карьеров, откосов уступов и отвалов. В «Методику...» включены материалы исследований по усовершенствованию разработанных схем расчетов устойчивости бортов карьеров и угольных разрезов, выполненных лабораторией устойчивости бортов карьеров ВНИМИ с 1962 по 1971 годы, учтены работы институтов УкрНИИпроект, ВИОГЕМ, ИГД Минчермета СССР, ГИГХС, Унипромедь и др.
На основе данной методики был создан программный комплекс для расчета устойчивости бортов разрезов, основной целью которого является автоматизация процесса расчета, снижение трудоемкости и сроков выполнения расчетов, повышение качества и точности результатов.
Используемые в программном комплексе методы расчета математически обоснованы, проверены на моделях и примерах наблюдаемых деформаций бортов. Методы основаны на условии предельного равновесия, различаются в зависимости от ориентировки боковых граней расчетных блоков, принимаемых в расчет сил и способа их суммирования.
Условие предельного равновесия сил на наиболее напряженной поверхности записывается в следующем виде:
Борт считается неустойчивым, если полученный коэффициент запаса меньше 1; в предельном состоянии, если равен 1; устойчивым, если коэффициент больше 1.
Метод алгебраического сложения сил основан на алгебраическом сложении удерживающих и сдвигающих сил по потенциальной поверхности скольжения. Этот метод не учитывает реакцию между блоками и исходит из того, что призма возможного обрушения деформируется как единое целое. Это приводит к тому, что коэффициент запаса, рассчитанный методом алгебраического сложения сил, заведомо меньше фактического.
Наиболее универсальным для оценки устойчивости бортов и откосов в реальных горногеологических условиях является метод векторного сложения сил (метод многоугольника сил), учитывающий реакции между блоками, на которые по определенным признакам разбивается призма возможного обрушения (рисунок 1).
",
Рисунок 1 - Схемы методики к расчету устойчивости откоса методом алгебраического сложения сил и методом многоугольника сил
Разработанный программный комплекс реализует расчетные схемы определения параметров устойчивости бортов карьеров ВНИМИ, которые требуют графического построения: классическую на основании круглоцилиндрической поверхности; классическую со слабым слоем в основании; с пологим нарушением; с крутым нарушением; с обводнением; с обводнением и слабым слоем в основании.
Программный комплекс является интегрированным решением Excel & AutoCAD. Обмен данными между приложениями осуществляется через API-интерфейс.
API-интерфейс - интерфейс прикладного программирования (иногда интерфейс программирования приложений) (англ. Application Programming Interface, API [эй-пи-ай]) - набор
готовых классов, функций, структур и констант, предоставляемых приложением (библиотекой, сервисом) для его использования во внешних программных продуктах.
В Excel-файле реализована функция расчета рекомендуемого угла откоса (таблица 1) и первая часть «Поверочных расчетов устойчивости».
В AutoCAD-файле реализована вторая часть «Поверочных расчетов...» (рисунок 2).
Поверочные расчеты позволяют исключить погрешности, полученные на этапе расчета рекомендуемого угла на основе усредненных данных. Поверочный расчет производится методом суммирования сил, действующих по наиболее напряженной поверхности.
Все схемы реализованы методами алгебраического сложения сил и многоугольника сил.
Ниже приведен пример расчета с использованием классической схемы:
- ввод исходных данных в файл Excel (таблица 1):
Таблица 1 - Исходные данные
Высота откоса H, м 45,0
Угол откоса а, град 36,0
Объемный вес Y, т/м3 1,3
Сцепление k, т/м 2 4,3
Угол внутреннего трения Р, град 12,0
Кол-во блоков 10
Начало
Расчет Г/1 / '
рекомендуемого ; Ввод ИД Щш Ввод ИД j
угла откоса * А
piprtjrtrcj шопроЕвде
2-Ж ПО Б*ф]{Б ССШ]
Построение
многоугольника
сил
Расчет
коэффициентов
запаса
Вывод результатов
Выбор
системы
расчета
Построение
поверхности
скольжения
Поверочный расчет
Рисунок 2 - Укрупненная блок-схема
- расчетные величины приведены в файле Excel (табл. 2);
- результаты расчетов выводятся в файл Excel. Расчеты поверхности 1 методом алгебраического сложения сил приведены в таблице 3, поверхности 2 - в таблице 4, расчеты методом многоугольника сил - в таблице 5.
Таблица 2 - Расчетные величины
n к Pn HS0’ м AB a’ AB по граф AB max
1,3 2,3 9,3 6,0 16,5 7,5 1,4 8,6 16,5
1,5 2,9 8,1 5,1 19,1 8,9 1,7 8,5 19,1
Таблица 3 - Расчет поверхности 1 методом алгебраического сложения сил
поверхность 1
ВТ де сде KNtgp) Bl B(k*l)
764,8 237,2 91,7 303,3
n 0,7 E 224,3
i a h Y P ф sin ф Тсдв cos ф N N*tg p l kn *l
1 7,8 1,06 1,3 108,2 49,6 0,7620 82,4 0,6475 70,1 11,5 12,1 40,1
2 7,8 19,6 1,3 199,8 46,2 0,7217 144,2 0,6922 138,3 22,6 11,3 37,5
3 7,8 24,5 1,3 250,1 38,9 0,6277 157,0 0,7785 194,7 31,8 10,1 33,3
4 7,8 24,4 1,3 249,1 32,3 0,5337 132,9 0,8457 210,6 34,4 9,3 30,7
5 7,8 23,1 1,3 235,5 26,1 0,4398 103,6 0,8981 211,5 34,6 8,7 28,9
6 7,8 20,7 1,3 211,5 20,2 0,3460 73,2 0,9382 198,5 32,5 8,4 27,7
7 7,8 17,5 1,3 178,5 14,6 0,2522 45,0 0,9677 172,7 28,2 8,1 26,8
8 7,8 13,4 1,3 137,1 9,1 0,1584 21,7 0,9874 135,4 22,1 7,9 26,3
9 7,8 8,6 1,3 87,9 3,7 0,0646 5,7 0,9979 87,7 14,3 7,9 26,0
10 7,8 3,1 1,3 31,2 -1,7 -0,0292 -0,9 0,9996 31,2 5,1 7,9 26,0
Таблица 4 - Расчет поверхности 2 методом алгебраического сложения сил
поверхность 2
ВТ е сое INngp) Bl B(k*l)
817,3 226,3 95,2 272,8
n 0,6 E 318,1
i a h Y P ф sin ф Тсдв cos ф N N*tg p l kn *l
1 8,1 10,1 1,3 106,7 51,3 0,7801 83,3 0,6256 66,8 9,5 13,0 37,1
2 8,1 19,9 1,3 209,1 46,9 0,7301 152,7 0,6833 142,9 20,3 11,9 34,0
3 8,1 26,5 1,3 279,1 39,1 0,6307 176,0 0,7761 216,6 30,7 10,4 29,9
4 8,1 26,4 1,3 278,3 32,3 0,5350 148,9 0,8449 235,1 33,3 9,6 27,5
5 8,1 25,0 1,3 263,9 26,1 0,4394 115,9 0,8983 237,0 33,6 9,0 25,9
6 8,1 22,6 1,3 238,2 20,1 0,3439 81,9 0,9390 223,6 31,7 8,6 24,7
7 8,1 19,2 1,3 202,6 14,4 0,2484 50,3 0,9687 196,3 27,8 8,4 24,0
8 8,1 14,7 1,3 155,0 3,01 0,0537 8,3 0,9986 154,8 21,9 8,1 23,3
9 8,1 8,8 1,3 93,0 0,0 0,0000 0,0 1,0000 93,0 13,2 8,1 23,2
10 8,1 2,9 1,3 31,0 0,0 0,0000 0,0 1,0000 31,0 4,4 8,1 23,2
Таблица 5 - Расчет методом многоугольника сил
заданный к-т запаса невязка
п1 1,3 П -136,5
п1 1,5 С -219,4
п 0,7
i Р к11 к12 Е
I пов-ть II пов-ть I пов-ть II пов-ть I пов-ть II пов-ть I пов-ть II пов-ть
1 108,2 106,7 40,1 37,1 57,8 54,2 69,8 69,5
2 199,8 209,1 37,5 34,0 64,3 60,2 137,0 151,2
3 250,1 279,1 33,3 29,9 66,3 62,0 212,5 250,2
4 249,1 278,3 30,7 27,5 35,6 61,3 265,2 323,4
5 235,5 263,9 28,9 25,9 62,4 58,4 290,4 364,9
6 211,5 238,2 27,7 24,7 56,8 53,4 289,0 375,6
7 178,5 202,6 26,8 24,0 48,4 46,0 265,1 359,9
8 137,1 155,0 26,3 23,3 36,9 36,2 225,3 295,3
9 87,9 93,0 26,0 23,2 21,2 19,0 178,6 250,4
10 31,2 31,0 26,0 23,2
В файл AutoCAD выводятся графические результаты (рис. 3).
Применение на практике программного комплекса позволяет повысить производительность труда ориентировочно более чем в 20 раз.
Программный комплекс для расчетов устойчивости бортов разрезов позволил:
• автоматизировать процесс расчета и, соответственно, уменьшить время проведения расчетов;
• повысить точность проведения построений и расчетов и, соответственно, снизить погрешность при проведении расчетов;
• снизить трудоемкость проведения расчетов и построений;
• получать оптимальные параметры устойчивости бортов разрезов с учетом экономических и технологических факторов при соблюдении всех норм и правил безопасности в угольной промышленности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров / сост.: Г. Л. Фисенко, В. Т. Сапожников, А. М. Мочалов [и др.] / Одобрено и рекомендовано к применению Госгортехнадзором СССР. - Л. : ВНИМИ, 1972 . - 165 с.
2. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. - СПб.: ВНИМИ, 1998. - 207 с.
PROGRAM COMPLEX FOR CALCULATION Волегова Татьяна Алексеевна
OF OPEN CAST MINE WALLS STABILITY e-mail: ubr-vnimi@inbox.ru
T A. Volegova
Here we reviewed actuality of program
complex for calcu-lation of open cast mines
walls stability creation, the aims and tasks of
program complex, basis of methods used in the
program complex, complex main capabilities,
and also calculation example, practical value and
development prospects.
Key words: OPEN CAST MINE (QUARRY)
WALL, STABILITY MARGIN FACTOR, THE
MOST STRESSED SURFACE, SLOPE, GLIDE
SURFACE, POTENCIAL (CALCULATED) GLIDE
SURFACE, PRISM OF POSSI-BLE BREAK
DOWN OF THE MINE WALL, (BENCH OR DUMP
WALL), PROGRAM COMPLEX
14
