李少輝,張愛(ài)民(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 前言

礦山工程設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及地質(zhì)、采礦、巖石力學(xué)、礦山機(jī)械、建筑、結(jié)構(gòu)、總圖、水道、暖通、電氣、儀表、自控、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等多個(gè)專業(yè),設(shè)計(jì)內(nèi)容包括地質(zhì)模型、開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)、采礦方法、通風(fēng)系統(tǒng)、充填系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、安全環(huán)保等多個(gè)方面,需要進(jìn)行大量的設(shè)備材料選型和系統(tǒng)方案制定等設(shè)計(jì)計(jì)算工作。建立基于礦山信息模型的設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái),以Web應(yīng)用的方式集成多專業(yè)多系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算工具,將工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行軟件化封裝,能夠有效提升設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量、效率和標(biāo)準(zhǔn)化程度,同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ),提升多專業(yè)之間的數(shù)據(jù)流通效率。

2 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)功能特點(diǎn)

(1)設(shè)計(jì)計(jì)算具備模塊化計(jì)算和權(quán)限管理。

(2)具備多項(xiàng)目管理功能及項(xiàng)目成員間數(shù)據(jù)共享功能。

(3)設(shè)計(jì)計(jì)算的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和快速性。

(4)滿足多終端應(yīng)用需求,包括PC端、移動(dòng)端,并具備與MIM建模軟件的集成能力。

(5)設(shè)計(jì)計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)來(lái)源于礦山信息模型的屬性數(shù)據(jù)及用戶輸入數(shù)據(jù)。

(6)計(jì)算數(shù)據(jù)的可追溯性,將計(jì)算結(jié)果存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù),用于后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。

(7)高擴(kuò)展性,便于版本迭代和平臺(tái)功能更新。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮平臺(tái)功能需求、開(kāi)發(fā)便捷性和平臺(tái)擴(kuò)展性,采用前后端分離的Web應(yīng)用架構(gòu),后端負(fù)責(zé)處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù),前端負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù),前端與后端開(kāi)發(fā)人員通過(guò)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行緊密聯(lián)系,同時(shí)開(kāi)發(fā)工作互不影響。前后端分離可以實(shí)現(xiàn)真正的前后端解耦,加快整體響應(yīng)速度,可以快速定位程序問(wèn)題,通過(guò)頁(yè)面異步加載提升頁(yè)面流暢度,增加代碼的維護(hù)性&易讀性,代碼可以復(fù)用及組件化,從而提升整體開(kāi)發(fā)效率。

1)后端數(shù)據(jù)接口API

后端提供Restful風(fēng)格的API接口,將每個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算工具封裝成為獨(dú)立組件,便于多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。Restful是一種基于Http協(xié)議,用于系統(tǒng)模塊之間相互調(diào)用的接口協(xié)議。設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái)采用的Restful API將對(duì)外開(kāi)放的服務(wù)表達(dá)成Web資源,每個(gè)Web資源都通過(guò)Url表達(dá)其調(diào)用地址。客戶端通過(guò) Url發(fā)起Http 請(qǐng)求對(duì)Web資源進(jìn)行g(shù)et、post、put、delete等操作,Restful API允許Web服務(wù)的設(shè)計(jì)者根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)四種操作的業(yè)務(wù)邏輯[1]。

2)前端開(kāi)發(fā)框架

采用開(kāi)發(fā)采用VUE2.0框架和ElementUI組件。Vue提供了組件化的開(kāi)發(fā)模式。傳統(tǒng)HTML+JSON的開(kāi)發(fā)模式,每個(gè)網(wǎng)頁(yè)是一個(gè)文件,網(wǎng)頁(yè)上所有的HTML節(jié)點(diǎn)、JavaScript交互腳本均在一個(gè)文件中編寫(xiě),造成文件龐大,不利于代碼的可維護(hù)性。Vue提供了一種組件化機(jī)制,能夠?qū)⒕W(wǎng)頁(yè)上的內(nèi)容分解為一系列功能單一、可復(fù)用的組件,每個(gè)組件的模板和腳本使用單獨(dú)的文件管理,組件可以分解為更小的組件。所以Vue實(shí)現(xiàn)的站點(diǎn)是由組件積木化組合形成,能夠有效地提升開(kāi)發(fā)效率。

3)身份認(rèn)證

設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái)的Web開(kāi)發(fā)框架基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想,按照高內(nèi)聚、低耦合的原則將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為一系列功能單一的子系統(tǒng),每個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、部署、運(yùn)營(yíng)。子系統(tǒng)相互協(xié)作形成整體,從最終用戶的視角看,仍然使用一個(gè)系統(tǒng)。平臺(tái)將用戶管理、權(quán)限管理、身份認(rèn)證功能作為一個(gè)獨(dú)立的授權(quán)子系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì),其他子系統(tǒng)和授權(quán)子系統(tǒng)相互協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)安全保護(hù),實(shí)現(xiàn)用戶一次身份認(rèn)證,可訪問(wèn)多個(gè)子系統(tǒng)。

為解決上述問(wèn)題,平臺(tái)采用OAuth2.0協(xié)議作為解決方案。OAuth2.0將Web服務(wù)分為授權(quán)服務(wù)和資源服務(wù)2種角色。授權(quán)服務(wù)負(fù)責(zé)用戶信息、用戶權(quán)限的管理和用戶身份認(rèn)證的功能。資源服務(wù)負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)功能,多個(gè)資源服務(wù)共享一個(gè)授權(quán)服務(wù)。

4)響應(yīng)式布局

為使平臺(tái)可以兼容PC端、移動(dòng)端的應(yīng)用需求,采用Web響應(yīng)式布局,頁(yè)面布局會(huì)隨著屏幕大小變化而發(fā)生了響應(yīng),而做出了不同的布局模式。在Web頁(yè)面中,使用一個(gè)父級(jí)做為布局容器(container),來(lái)配合子級(jí)元素來(lái)實(shí)現(xiàn)變化效果。在不同屏幕下,通過(guò)媒體查詢來(lái)改變這個(gè)布局容器的大小,再改變里面子元素的排列方式和大小,從而實(shí)現(xiàn)不同屏幕下,看到不同的頁(yè)面布局和樣式變化。

3 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 通用基礎(chǔ)功能

1)用戶權(quán)限認(rèn)證

平臺(tái)與礦業(yè)云用戶系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接,用戶可通過(guò)賬號(hào)密碼或手機(jī)驗(yàn)證碼方式登錄。平臺(tái)管理員可對(duì)用戶進(jìn)行分模塊授權(quán)。

2)多項(xiàng)目管理

由于設(shè)計(jì)人員參與項(xiàng)目眾多,項(xiàng)目之間數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立,因此平臺(tái)設(shè)計(jì)了多項(xiàng)目管理功能,用戶可添加、編輯各自項(xiàng)目。項(xiàng)目相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果均保存在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中,可隨時(shí)查看和修改。

3)多源輸入數(shù)據(jù)

平臺(tái)上各計(jì)算工具所需的輸入數(shù)據(jù)可由用戶輸入或從礦山信息模型(MIM)中自動(dòng)獲取。MIM模型是由MIM.Design建模軟件生成的礦山信息模型,MIM模型是一個(gè)數(shù)字化的模型,包括三維模型及屬性數(shù)據(jù)[2],并通過(guò)工程對(duì)象ID與屬性數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。以井下巷道MIM模型為例,屬性數(shù)據(jù)包括:①斷面參數(shù):斷面類型、寬度、直墻高、拱高、拱形、水溝尺寸、凈面積、凈周長(zhǎng)、掘進(jìn)面積、掘進(jìn)周長(zhǎng)等;②支護(hù)參數(shù):支護(hù)類型、支護(hù)厚度、錨桿參數(shù)、掛網(wǎng)參數(shù)、混凝土參數(shù)、鋼拱架參數(shù)等;③環(huán)境參數(shù):通風(fēng)阻力系數(shù)、圍巖溫度、風(fēng)流、風(fēng)速、散熱量等。計(jì)算平臺(tái)獲取相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)后,即可進(jìn)行設(shè)備選型、系統(tǒng)仿真計(jì)算等。

3.2 井巷工程設(shè)計(jì)計(jì)算

1)平巷斷面與支護(hù)計(jì)算

解決巷道斷面工程量及材料量統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。根據(jù)巷道斷面參數(shù)及支護(hù)參數(shù),計(jì)算巷道工程量及支護(hù)材料量,包括凈斷面面積、掘進(jìn)斷面面積、斷面周長(zhǎng)、錨桿材料量、金屬網(wǎng)材料量、混凝土材料量、鋼拱架材料量等。圖1所示為平巷斷面與支護(hù)計(jì)算界面。

2)錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算

解決錨桿直徑及長(zhǎng)度設(shè)計(jì)選型問(wèn)題。根據(jù)圍巖類型、錨桿材質(zhì)、砂漿注漿體與桿體間黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、安全等級(jí)、錨固段長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)等參數(shù),計(jì)算錨桿拉力和單根錨桿錨固段長(zhǎng)度,給出建議選擇的錨桿最小長(zhǎng)度。

3)構(gòu)件重量計(jì)算

解決構(gòu)件重量計(jì)算和自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。平臺(tái)內(nèi)置國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)件,可快速選型。構(gòu)件包括鋼筋、鋼管、鋼板、金屬網(wǎng)、吊鉤、角鋼、焊接托架等礦山設(shè)計(jì)中常用的金屬構(gòu)件。

4)水泥漿設(shè)計(jì)

解決水泥漿配合比設(shè)計(jì)及注漿水泥用量計(jì)算問(wèn)題。根據(jù)水灰比、漿液損失系數(shù)、漿液有效擴(kuò)散半徑、注漿段高或注漿層厚、巖層裂隙率或砂土層的孔隙率、漿液的充填系數(shù)等參數(shù)計(jì)算單孔漿液注入量和漿液水泥用量。

5)欄桿與門計(jì)算

井下礦山常用的欄桿及門由立柱及扶手、鋼管橫桿、邊框等部分組成,每部分所采用的的金屬構(gòu)件不同,平臺(tái)將其類型進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,可快速選型和統(tǒng)計(jì)材料量。

6)平臺(tái)板計(jì)算

解決平臺(tái)板選型問(wèn)題。根據(jù)平臺(tái)荷載、鋼材牌號(hào)、平臺(tái)板長(zhǎng)度、平臺(tái)板寬度等參數(shù),自動(dòng)查詢四邊簡(jiǎn)支無(wú)肋鋪板的彎矩和撓度計(jì)算系數(shù),對(duì)平臺(tái)的強(qiáng)度和撓度進(jìn)行計(jì)算校核。

7)風(fēng)井裝備計(jì)算

解決風(fēng)井裝備選型及材料量統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。根據(jù)井筒直徑、深度、層間距、工字鋼梁尺寸、梯子梁尺寸、托板尺寸、平臺(tái)類型、柵欄類型、梯子類型等參數(shù),統(tǒng)計(jì)井筒材料量。

8)工字鋼梁計(jì)算

解決工字鋼梁設(shè)計(jì)選型問(wèn)題。分1個(gè)集中載荷和2個(gè)集中載荷的情況考慮,根據(jù)鋼材牌號(hào)、工字鋼型號(hào)、整體穩(wěn)定性系數(shù)、容許撓度等參數(shù),對(duì)工字鋼梁的強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性、撓度、抗剪強(qiáng)度進(jìn)行校核。

9)焊接吊車梁計(jì)算

解決焊接吊車梁設(shè)計(jì)選型問(wèn)題。根據(jù)吊車參數(shù)和截面參數(shù),進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性、撓度的校核。

10)配筋與礦倉(cāng)加固計(jì)算

解決圓形井筒及礦倉(cāng)配筋、圓形礦倉(cāng)加固襯板的設(shè)計(jì)選型問(wèn)題。根據(jù)井筒直徑、配筋參數(shù)、襯板參數(shù)、錨固件參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算。

11)罐道及罐道梁計(jì)算

解決豎井罐道及罐道梁設(shè)計(jì)選型問(wèn)題。根據(jù)容器及附件重量、容器載重、罐道斷面尺寸、層間距、預(yù)選工字鋼罐道梁尺寸、荷載取值系數(shù)、單側(cè)罐道根數(shù)、是否有側(cè)向支撐等參數(shù),對(duì)強(qiáng)度、剛度、撓度進(jìn)行校核。

12)混凝土梁計(jì)算

解決混凝土梁設(shè)計(jì)選型問(wèn)題。根據(jù)載荷類型、鋼筋牌號(hào)、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、受拉鋼筋層數(shù)、鋼筋直徑、鋼筋根數(shù)、彎起角度、混凝土斷梁面尺寸、箍筋參數(shù)等,進(jìn)行強(qiáng)度校核、抗剪驗(yàn)算并給出配筋方案。

3.3 采礦設(shè)備材料計(jì)算

1)采礦設(shè)備計(jì)算

解決卡車、鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖臺(tái)車等主要采礦設(shè)備的設(shè)計(jì)選型問(wèn)題。根據(jù)裝滿系數(shù)、計(jì)劃運(yùn)輸量、有效工作時(shí)間、平均運(yùn)距、等車時(shí)間、設(shè)備完好率等參數(shù),計(jì)算設(shè)備型號(hào)及數(shù)量。

2)充填材料計(jì)算

解決充填材料配比選型問(wèn)題。根據(jù)料漿濃度、灰砂比等參數(shù)計(jì)算充填材料消耗量。

3)充填管道計(jì)算

解決充填管道選型問(wèn)題。根據(jù)許用應(yīng)力、管道所受最大壓強(qiáng)、磨損腐蝕量、管道內(nèi)徑等參數(shù),進(jìn)行管道選型。

4)卡車油耗計(jì)算

解決卡車油耗統(tǒng)計(jì)計(jì)算問(wèn)題。根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備參數(shù)和運(yùn)輸量、卡車功率、臺(tái)效、工作時(shí)間、影響系數(shù)等參數(shù),計(jì)算綜合噸礦油耗和年耗量。

5)水溝截面計(jì)算

解決井下巷道水溝尺寸設(shè)計(jì)問(wèn)題。根據(jù)水溝尺寸計(jì)算其排水能力,從而校核水溝尺寸是否滿足要求。

3.4 深井礦山熱負(fù)荷計(jì)算

深井礦山熱害問(wèn)題是影響開(kāi)采效率和安全性的重要方面,平臺(tái)對(duì)影響井下環(huán)境熱負(fù)荷的各個(gè)方面進(jìn)行分類計(jì)算,并統(tǒng)計(jì)不同工況下的井下放熱量,從而指導(dǎo)通風(fēng)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1)圍巖放熱量計(jì)算

對(duì)不同斷面類型、不同環(huán)境參數(shù)的巷道進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),根據(jù)巷道斷面尺寸、巷道長(zhǎng)度、原巖溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、巖體熱導(dǎo)率、巖石比熱、巖石密度、通風(fēng)時(shí)間等參數(shù)計(jì)算巷道的放熱量。

2)空氣自壓縮計(jì)算

根據(jù)空氣流量、空氣密度、井巷始端標(biāo)高、末端標(biāo)高、海拔增高能量增量系數(shù)等,計(jì)算空氣自壓縮放熱量。

3)電動(dòng)設(shè)備放熱計(jì)算

根據(jù)電動(dòng)設(shè)備的輸入功率、運(yùn)送高差、總機(jī)效率等參數(shù)計(jì)算機(jī)電設(shè)備放熱量。

4)柴油設(shè)備放熱計(jì)算

根據(jù)柴油設(shè)備的輸入功率、燃燒效率計(jì)算柴油設(shè)備放熱量。

5)爆破放熱計(jì)算

根據(jù)原巖溫度、被爆巖石質(zhì)量、爆后礦堆溫度、被爆巖石比熱等參數(shù)計(jì)算爆破放熱量。

6)地下水放熱計(jì)算

根據(jù)裂隙水溫度、地下水量、進(jìn)入系統(tǒng)后水溫、水比熱等參數(shù)計(jì)算地下水放熱量。

7)充填水泥水化熱計(jì)算

根據(jù)單位質(zhì)量放熱量、水泥量計(jì)算水泥水化熱。

8)礦石氧化放熱

根據(jù)氧化散熱系數(shù)、巷道長(zhǎng)度、巷道周長(zhǎng)計(jì)算礦石氧化放熱量。

9)放熱量統(tǒng)計(jì)

對(duì)上述放熱計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,查看各放熱來(lái)源占比和礦山總放熱量,從而采取針對(duì)性的通風(fēng)制冷措施。圖2所示為井下放熱量統(tǒng)計(jì)界面。

圖2 井下放熱量統(tǒng)計(jì)界面

3.5 水文地質(zhì)計(jì)算

1)礦坑涌水量計(jì)算

包括“地下涌水量”和“大氣降雨徑流入滲量”計(jì)算。支持通過(guò)大井法、比擬法和水平廊道法進(jìn)行計(jì)算。圖3所示為使用比擬法進(jìn)行礦坑涌水量計(jì)算界面。

圖3 使用比擬法進(jìn)行礦坑涌水量計(jì)算界面

2)水文計(jì)算

包括“常用洪峰流量計(jì)算”、“設(shè)計(jì)頻率大氣降雨量計(jì)算”和“水溝流量計(jì)算”。

4 結(jié)論

本文所介紹的礦山工程設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái),采用了前后端分離的Web應(yīng)用架構(gòu),數(shù)據(jù)輸入方式結(jié)合了前端輸入和礦山信息模型數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取兩種方式,平臺(tái)集成了多專業(yè)多系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算工具,將工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了軟件化標(biāo)準(zhǔn)化封裝,上線后已在多個(gè)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中得到應(yīng)用,有效提升了設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量、效率和標(biāo)準(zhǔn)化程度。下一步,設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái)將于礦山數(shù)字化建模平臺(tái)進(jìn)行深度融合,進(jìn)一步提升礦山數(shù)字化設(shè)計(jì)水平。