基于礦山信息模型的設計計算平臺開發

李少輝,張愛民(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

1 前言

礦山工程設計過程中涉及地質、采礦、巖石力學、礦山機械、建筑、結構、總圖、水道、暖通、電氣、儀表、自控、技術經濟等多個專業,設計內容包括地質模型、開拓運輸系統、采礦方法、通風系統、充填系統、提升系統、排水系統、安全環保等多個方面,需要進行大量的設備材料選型和系統方案制定等設計計算工作。建立基于礦山信息模型的設計計算平臺,以Web應用的方式集成多專業多系統設計計算工具,將工程經驗和專業知識進行軟件化封裝,能夠有效提升設計工作的質量、效率和標準化程度,同時實現設計數據的自動化采集和結構化存儲,提升多專業之間的數據流通效率。

2 平臺架構設計

2.1 平臺功能特點

(1)設計計算具備模塊化計算和權限管理。

(2)具備多項目管理功能及項目成員間數據共享功能。

(3)設計計算的系統性、準確性和快速性。

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

(5)設計計算的輸入數據來源于礦山信息模型的屬性數據及用戶輸入數據。

(6)計算數據的可追溯性,將計算結果存入關系型數據庫,用于后續的統計分析。

(7)高擴展性,便于版本迭代和平臺功能更新。

2.2 架構設計

考慮平臺功能需求、開發便捷性和平臺擴展性,采用前后端分離的Web應用架構,后端負責處理、存儲數據,前端負責顯示數據,前端與后端開發人員通過數據接口進行緊密聯系,同時開發工作互不影響。前后端分離可以實現真正的前后端解耦,加快整體響應速度,可以快速定位程序問題,通過頁面異步加載提升頁面流暢度,增加代碼的維護性&易讀性,代碼可以復用及組件化,從而提升整體開發效率。

1)后端數據接口API

后端提供Restful風格的API接口,將每個設計計算工具封裝成為獨立組件,便于多個系統進行調用。Restful是一種基于Http協議,用于系統模塊之間相互調用的接口協議。設計計算平臺采用的Restful API將對外開放的服務表達成Web資源,每個Web資源都通過Url表達其調用地址?？蛻舳送ㄟ^ Url發起Http 請求對Web資源進行get、post、put、delete等操作,Restful API允許Web服務的設計者根據需求實現四種操作的業務邏輯[1]。

2)前端開發框架

采用開發采用VUE2.0框架和ElementUI組件。Vue提供了組件化的開發模式。傳統HTML+JSON的開發模式,每個網頁是一個文件,網頁上所有的HTML節點、JavaScript交互腳本均在一個文件中編寫,造成文件龐大,不利于代碼的可維護性。Vue提供了一種組件化機制,能夠將網頁上的內容分解為一系列功能單一、可復用的組件,每個組件的模板和腳本使用單獨的文件管理,組件可以分解為更小的組件。所以Vue實現的站點是由組件積木化組合形成,能夠有效地提升開發效率。

3)身份認證

設計計算平臺的Web開發框架基于微服務架構設計思想,按照高內聚、低耦合的原則將復雜的系統分解為一系列功能單一的子系統,每個子系統獨立設計、開發、部署、運營。子系統相互協作形成整體,從最終用戶的視角看,仍然使用一個系統。平臺將用戶管理、權限管理、身份認證功能作為一個獨立的授權子系統來設計,其他子系統和授權子系統相互協作來實現安全保護,實現用戶一次身份認證,可訪問多個子系統。

為解決上述問題,平臺采用OAuth2.0協議作為解決方案。OAuth2.0將Web服務分為授權服務和資源服務2種角色。授權服務負責用戶信息、用戶權限的管理和用戶身份認證的功能。資源服務負責具體業務功能,多個資源服務共享一個授權服務。

4)響應式布局

為使平臺可以兼容PC端、移動端的應用需求,采用Web響應式布局,頁面布局會隨著屏幕大小變化而發生了響應,而做出了不同的布局模式。在Web頁面中,使用一個父級做為布局容器(container),來配合子級元素來實現變化效果。在不同屏幕下,通過媒體查詢來改變這個布局容器的大小,再改變里面子元素的排列方式和大小,從而實現不同屏幕下,看到不同的頁面布局和樣式變化。

3 平臺功能設計與實現

3.1 通用基礎功能

1)用戶權限認證

平臺與礦業云用戶系統進行對接,用戶可通過賬號密碼或手機驗證碼方式登錄。平臺管理員可對用戶進行分模塊授權。

2)多項目管理

由于設計人員參與項目眾多,項目之間數據相對獨立,因此平臺設計了多項目管理功能,用戶可添加、編輯各自項目。項目相關的輸入數據和計算結果均保存在關系型數據庫中,可隨時查看和修改。

3)多源輸入數據

平臺上各計算工具所需的輸入數據可由用戶輸入或從礦山信息模型(MIM)中自動獲取。MIM模型是由MIM.Design建模軟件生成的礦山信息模型,MIM模型是一個數字化的模型,包括三維模型及屬性數據[2],并通過工程對象ID與屬性數據建立關聯關系。以井下巷道MIM模型為例,屬性數據包括:①斷面參數:斷面類型、寬度、直墻高、拱高、拱形、水溝尺寸、凈面積、凈周長、掘進面積、掘進周長等;②支護參數:支護類型、支護厚度、錨桿參數、掛網參數、混凝土參數、鋼拱架參數等;③環境參數:通風阻力系數、圍巖溫度、風流、風速、散熱量等。計算平臺獲取相應的屬性數據后,即可進行設備選型、系統仿真計算等。

3.2 井巷工程設計計算

1)平巷斷面與支護計算

解決巷道斷面工程量及材料量統計問題。根據巷道斷面參數及支護參數,計算巷道工程量及支護材料量,包括凈斷面面積、掘進斷面面積、斷面周長、錨桿材料量、金屬網材料量、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計算界面。

2)錨桿設計計算

解決錨桿直徑及長度設計選型問題。根據圍巖類型、錨桿材質、砂漿注漿體與桿體間黏結強度設計值、安全等級、錨固段長度對黏結強度的影響系數等參數,計算錨桿拉力和單根錨桿錨固段長度,給出建議選擇的錨桿最小長度。

3)構件重量計算

解決構件重量計算和自動化統計問題。平臺內置國標標準件,可快速選型。構件包括鋼筋、鋼管、鋼板、金屬網、吊鉤、角鋼、焊接托架等礦山設計中常用的金屬構件。

4)水泥漿設計

解決水泥漿配合比設計及注漿水泥用量計算問題。根據水灰比、漿液損失系數、漿液有效擴散半徑、注漿段高或注漿層厚、巖層裂隙率或砂土層的孔隙率、漿液的充填系數等參數計算單孔漿液注入量和漿液水泥用量。

5)欄桿與門計算

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件不同,平臺將其類型進行了標準化,可快速選型和統計材料量。

6)平臺板計算

解決平臺板選型問題。根據平臺荷載、鋼材牌號、平臺板長度、平臺板寬度等參數,自動查詢四邊簡支無肋鋪板的彎矩和撓度計算系數,對平臺的強度和撓度進行計算校核。

7)風井裝備計算

解決風井裝備選型及材料量統計問題。根據井筒直徑、深度、層間距、工字鋼梁尺寸、梯子梁尺寸、托板尺寸、平臺類型、柵欄類型、梯子類型等參數,統計井筒材料量。

8)工字鋼梁計算

解決工字鋼梁設計選型問題。分1個集中載荷和2個集中載荷的情況考慮,根據鋼材牌號、工字鋼型號、整體穩定性系數、容許撓度等參數,對工字鋼梁的強度、整體穩定性、撓度、抗剪強度進行校核。

9)焊接吊車梁計算

解決焊接吊車梁設計選型問題。根據吊車參數和截面參數,進行強度、穩定性、撓度的校核。

10)配筋與礦倉加固計算

解決圓形井筒及礦倉配筋、圓形礦倉加固襯板的設計選型問題。根據井筒直徑、配筋參數、襯板參數、錨固件參數等進行計算。

11)罐道及罐道梁計算

解決豎井罐道及罐道梁設計選型問題。根據容器及附件重量、容器載重、罐道斷面尺寸、層間距、預選工字鋼罐道梁尺寸、荷載取值系數、單側罐道根數、是否有側向支撐等參數,對強度、剛度、撓度進行校核。

12)混凝土梁計算

解決混凝土梁設計選型問題。根據載荷類型、鋼筋牌號、混凝土強度等級、受拉鋼筋層數、鋼筋直徑、鋼筋根數、彎起角度、混凝土斷梁面尺寸、箍筋參數等,進行強度校核、抗剪驗算并給出配筋方案。

3.3 采礦設備材料計算

1)采礦設備計算

解決卡車、鏟運機、鑿巖臺車等主要采礦設備的設計選型問題。根據裝滿系數、計劃運輸量、有效工作時間、平均運距、等車時間、設備完好率等參數,計算設備型號及數量。

2)充填材料計算

解決充填材料配比選型問題。根據料漿濃度、灰砂比等參數計算充填材料消耗量。

3)充填管道計算

解決充填管道選型問題。根據許用應力、管道所受最大壓強、磨損腐蝕量、管道內徑等參數,進行管道選型。

4)卡車油耗計算

解決卡車油耗統計計算問題。根據運輸設備參數和運輸量、卡車功率、臺效、工作時間、影響系數等參數,計算綜合噸礦油耗和年耗量。

5)水溝截面計算

解決井下巷道水溝尺寸設計問題。根據水溝尺寸計算其排水能力,從而校核水溝尺寸是否滿足要求。

3.4 深井礦山熱負荷計算

深井礦山熱害問題是影響開采效率和安全性的重要方面,平臺對影響井下環境熱負荷的各個方面進行分類計算,并統計不同工況下的井下放熱量,從而指導通風制冷系統的設計。

1)圍巖放熱量計算

對不同斷面類型、不同環境參數的巷道進行分類統計,根據巷道斷面尺寸、巷道長度、原巖溫度、進風溫度、巖體熱導率、巖石比熱、巖石密度、通風時間等參數計算巷道的放熱量。

2)空氣自壓縮計算

根據空氣流量、空氣密度、井巷始端標高、末端標高、海拔增高能量增量系數等,計算空氣自壓縮放熱量。

3)電動設備放熱計算

根據電動設備的輸入功率、運送高差、總機效率等參數計算機電設備放熱量。

4)柴油設備放熱計算

根據柴油設備的輸入功率、燃燒效率計算柴油設備放熱量。

5)爆破放熱計算

根據原巖溫度、被爆巖石質量、爆后礦堆溫度、被爆巖石比熱等參數計算爆破放熱量。

6)地下水放熱計算

根據裂隙水溫度、地下水量、進入系統后水溫、水比熱等參數計算地下水放熱量。

7)充填水泥水化熱計算

根據單位質量放熱量、水泥量計算水泥水化熱。

8)礦石氧化放熱

根據氧化散熱系數、巷道長度、巷道周長計算礦石氧化放熱量。

9)放熱量統計

對上述放熱計算數據進行統計分析,查看各放熱來源占比和礦山總放熱量,從而采取針對性的通風制冷措施。圖2所示為井下放熱量統計界面。

圖2 井下放熱量統計界面

3.5 水文地質計算

1)礦坑涌水量計算

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

圖3 使用比擬法進行礦坑涌水量計算界面

2)水文計算

包括“常用洪峰流量計算”、“設計頻率大氣降雨量計算”和“水溝流量計算”。

4 結論

本文所介紹的礦山工程設計計算平臺,采用了前后端分離的Web應用架構,數據輸入方式結合了前端輸入和礦山信息模型數據自動獲取兩種方式,平臺集成了多專業多系統設計計算工具,將工程經驗和專業知識進行了軟件化標準化封裝,上線后已在多個工程設計項目中得到應用,有效提升了設計工作的質量、效率和標準化程度。下一步,設計計算平臺將于礦山數字化建模平臺進行深度融合,進一步提升礦山數字化設計水平。