張海清

(淮浙煤電有限公司顧北煤礦，安徽 淮南 232000)

0 引言

立井井筒裝備施工圖具有設(shè)計(jì)難度大、設(shè)計(jì)周期長、出圖量大(幾十張到一百多張自然圖紙)、工程量統(tǒng)計(jì)易出錯(cuò)、構(gòu)件精細(xì)化程度高、力學(xué)計(jì)算復(fù)雜等諸多難點(diǎn)，是采礦施工圖設(shè)計(jì)中最復(fù)雜、工作量最大的單位施工圖。

目前我國大多數(shù)煤礦設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)工具比較落后，大都是用AutoCAD之類的二維繪圖軟件進(jìn)行繪圖，而后通過手工計(jì)算，再通過Office軟件編輯設(shè)計(jì)計(jì)算文檔，設(shè)計(jì)工作無法協(xié)同，設(shè)計(jì)結(jié)果也不能自動(dòng)可視化，更不能進(jìn)行分析模擬和仿真，設(shè)計(jì)效率低，設(shè)計(jì)不能滿足未來智慧礦山建設(shè)的需要[1-6]。因此急需立井井筒裝備三維協(xié)同設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)。

1 傳統(tǒng)立井井筒裝備設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)立井井筒裝備主要設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，各相關(guān)專業(yè)給采礦專業(yè)所提資料示意圖如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)立井井筒裝備設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design process of traditional shaft equipment

圖2 各相關(guān)專業(yè)為采礦專業(yè)提供資料示意Fig.2 Data provided by relevant majors for mining majors

采礦專業(yè)根據(jù)初步設(shè)計(jì)斷面布置圖給機(jī)械、機(jī)制、給排水、暖通及電氣專業(yè)提井筒斷面布置圖資料。各專業(yè)根據(jù)初步設(shè)計(jì)提各專業(yè)施工圖資料給采礦，采礦專業(yè)收到相關(guān)專業(yè)資料后，重新校核初步設(shè)計(jì)的井筒斷面布置圖，如需要應(yīng)在基礎(chǔ)上重新布置容器、管路、線纜、梯子間等井筒裝備內(nèi)容，優(yōu)化斷面布置[7-9]。

根據(jù)井筒檢查孔報(bào)告的水質(zhì)酸堿情況，確定整個(gè)井筒裝備的防腐方式，再分別對罐道、罐道梁、管路梁、托架等進(jìn)行受力計(jì)算，確定相關(guān)幾何尺寸。斷面布置確定后給各專業(yè)再提井筒斷面布置圖。根據(jù)井筒及相關(guān)硐室及開口位置，對井筒裝備進(jìn)行空間的布置，確定井筒裝備各構(gòu)件的安裝標(biāo)高，形成井筒裝備一覽表。接著進(jìn)行非標(biāo)斷面布置圖的制圖設(shè)計(jì)及剖面圖繪制。然后再進(jìn)行各構(gòu)件的加工圖及安裝關(guān)系圖。最后統(tǒng)計(jì)相關(guān)構(gòu)件的工程數(shù)量及安裝件的數(shù)量形成材料消耗量表[10-13]。

制圖完成編制目錄及順序號(hào)送三級(jí)檢查進(jìn)行檢查。三級(jí)檢查意見修改完后正式發(fā)圖并給各專業(yè)提供相關(guān)施工圖資料，如圖1、2所示。

2 立井井筒裝備三維協(xié)同設(shè)計(jì)理念及思路

該項(xiàng)目以地理信息系統(tǒng)和三維建模與可視化平臺(tái)作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的快速協(xié)同和全數(shù)字化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)煤礦立井井筒裝備設(shè)計(jì)的規(guī)范化、流程化、自動(dòng)化和智能化。

2.1 設(shè)計(jì)理念

通過立井井筒裝備三維可視化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)立井井筒裝備設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、智能化、規(guī)范化和可視化，徹底改變傳統(tǒng)的立井井筒裝備設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)在統(tǒng)一的界面下，輸入相關(guān)參數(shù)即可自動(dòng)生成二維施工圖、三維效果圖、工程量材料表以及設(shè)計(jì)文檔，通過建立立井井筒裝備三維模型，給設(shè)計(jì)人員提供了直觀而精確的決策依據(jù)，全面提升礦井立井井筒裝備的設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，使得設(shè)計(jì)人員能夠快速高效地為客戶提供服務(wù)，提高企業(yè)的核心競爭力，引領(lǐng)采礦設(shè)計(jì)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，同時(shí)為礦井項(xiàng)目的后續(xù)建設(shè)施工、生產(chǎn)管理的數(shù)字化提供先決條件和基礎(chǔ)保證。

定制專業(yè)的設(shè)計(jì)流程：滿足千變?nèi)f化的井筒斷面設(shè)計(jì)；針對種類繁多的井筒斷面，結(jié)合設(shè)計(jì)行業(yè)的各類標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)計(jì)流程進(jìn)行歸納、總結(jié)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的流程設(shè)計(jì)。

建立立井井筒裝備的二維和三維標(biāo)準(zhǔn)件庫：針對主立井、副立井和回風(fēng)立井3種不同類型的立井井筒裝備進(jìn)行有效的分析，建立完備的二維和三維裝備標(biāo)準(zhǔn)件庫，并且易于擴(kuò)展。

設(shè)計(jì)科學(xué)的主體操作界面：根據(jù)專業(yè)的設(shè)計(jì)流程和不同類型立井井筒裝備的設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)一個(gè)適合各類立井井筒裝備設(shè)計(jì)、便于用戶操作的友好界面。

井筒裝備參數(shù)化：對于井筒裝備的設(shè)計(jì)完全采用參數(shù)化，設(shè)計(jì)人員只需簡單的修改一下參數(shù)就能方便快捷地實(shí)現(xiàn)不同裝備的設(shè)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)立井井筒裝備的三維可視化：以三維建模與可視化平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各類立井井筒裝備的三維可視化，為設(shè)計(jì)人員提供直觀精確的決策方案。

實(shí)現(xiàn)井筒裝備自動(dòng)化：實(shí)現(xiàn)立井井筒裝備計(jì)算的自動(dòng)化、自動(dòng)輸出工程計(jì)算書；實(shí)現(xiàn)立井井筒裝備的自動(dòng)化、規(guī)范化、智能化和可視化；設(shè)計(jì)人員在主界面上進(jìn)行一系列的操作，根據(jù)不同立井井筒裝備類型，選擇相應(yīng)的裝備，即可自動(dòng)生成井筒裝備設(shè)計(jì)所需要的二維施工圖、三維效果圖、工程量表和材料消耗表及設(shè)計(jì)文檔。同時(shí)，對參數(shù)做出相應(yīng)的修改后，即可實(shí)現(xiàn)二維圖形、三維圖形和相關(guān)表格的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)。

2.2 設(shè)計(jì)思路

2.2.1 井筒斷面布置

讀取數(shù)據(jù)管理中心的相關(guān)數(shù)據(jù)(井筒位置、直徑、深度和支護(hù)參數(shù))，選擇出合適的容器，確定井筒所用的提升容器。

選擇提升設(shè)備型號(hào)后，在數(shù)據(jù)管理中心標(biāo)準(zhǔn)庫中讀取設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)；分析罐道梁、罐道、管路、梯子間、電纜的組成構(gòu)件，將其參數(shù)化；在數(shù)據(jù)管理中心調(diào)取相關(guān)部件的具體參數(shù)。

在確定基本的井筒裝備布置之后，根據(jù)容器的尺寸、裝備擺放位置以及各裝備間的相關(guān)的安全間隙標(biāo)準(zhǔn)，對井筒斷面直徑進(jìn)行3點(diǎn)優(yōu)化，最終計(jì)算出滿足要求的最優(yōu)的井筒直徑，在完成井筒斷面形式的布置之后，設(shè)計(jì)人員還可以在根據(jù)需要在操作界面添加其他裝備，進(jìn)一步完善斷面布置。

2.2.2 立井梯子與梯子間布置設(shè)計(jì)部分

數(shù)據(jù)中心獲取井筒裝備各位置參數(shù)，根據(jù)井筒斷面設(shè)計(jì)部分罐道梁的裝備確定梯子間具體位置；對梯子間構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)合理科學(xué)的梯子間界面。

對新添加的梯子間進(jìn)行簡單參數(shù)配置，以確定新添加的梯子間的名稱、連接對象、位置和梯子間平臺(tái)基本參數(shù)(長度和寬度)。

對梯子間進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)設(shè)置，首先選定梯子間的類型(玻璃鋼梯子間、金屬梯子間)和布置形式(順向、交錯(cuò))，對于梯子間的構(gòu)件(梯子架、梯子階、梯子平臺(tái)、金屬壁網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)件、梯子梁)進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)配置。對于梯子架、梯子階、壁網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)件可以直接從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫里面選擇相應(yīng)的類型，也可以自己添加類型；對于梯子平臺(tái)可以輸入更改其具體參數(shù)；對于梯子梁在界面顯示一號(hào)梯子小梁、二號(hào)梯子小梁、三號(hào)梯子小梁的長度，不可更改，因?yàn)檫@是在選定梯子間位置的同時(shí)計(jì)算出各個(gè)梯子梁長，在相應(yīng)界面顯示梯子梁長度；在設(shè)計(jì)的過程中，要判斷梯子間參數(shù)合理性，對于不合理參數(shù)及時(shí)干預(yù)。

2.2.3 立井井筒裝備載荷力學(xué)計(jì)算

建立立井井筒裝備的力學(xué)計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)與立井井筒及其裝備有關(guān)的荷載計(jì)算、鋼結(jié)構(gòu)受力計(jì)算、構(gòu)件的可靠性計(jì)算、施工和運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)計(jì)算。

具體思路為,分別針對罐道連接罐道梁和罐道直接連接井壁2種情況建立了立井井筒裝備的力學(xué)計(jì)算模型。

利用鋼結(jié)構(gòu)有限元分析手段，計(jì)算井筒在施工和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中，立井井筒裝備的位移變化和應(yīng)力情況。結(jié)合材料力學(xué)知識(shí)，判斷裝備構(gòu)件的運(yùn)行可靠性。

計(jì)算并在設(shè)計(jì)窗體上顯示罐道梁各種最值位置，包括最大力、最大撓度、最大垂直彎矩、最大水平彎矩、最大扭矩、最大垂直力矩以及最大水平力矩的值及位置。

當(dāng)構(gòu)件可靠性不達(dá)標(biāo)時(shí)，可以自動(dòng)推薦合適的構(gòu)件。當(dāng)現(xiàn)有可用構(gòu)件都無法達(dá)標(biāo)時(shí)，則需要改變井筒布局，包括構(gòu)件的擺放位置、層間距等。

根據(jù)罐道梁受力分析情況，生成MQ圖。

根據(jù)立井井筒裝備受力分析情況，生成罐道梁、罐道變形圖及參數(shù)表格。

立井井筒裝備協(xié)同設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 立井井筒裝備協(xié)同設(shè)計(jì)流程Fig.3 Flow chart of shaft equipment collaborative design

3 結(jié)論

立井井筒裝備三維協(xié)同設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的開發(fā)使用，提高了立井井筒裝備的設(shè)計(jì)效率、投資決策速度，縮短了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期，徹底改變傳統(tǒng)的立井井筒裝備設(shè)計(jì)程式。