基于DTM的礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)

胡 俊，劉景秀，李 慧

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

多數(shù)礦山在開(kāi)采礦石的過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)出一定量的廢石，尤其是在露天礦開(kāi)采中，只有剝離礦體上覆蓋的廢石才能開(kāi)采礦石。因此排棄廢石的工作是礦山開(kāi)采中必不可少的一項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

排土場(chǎng)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包括排土場(chǎng)選址、排土場(chǎng)要素的選取以及排土工藝的選擇等。其中排土場(chǎng)選址是需要首要確定的，對(duì)此國(guó)家有許多的規(guī)范，如排土場(chǎng)的容量應(yīng)能容納礦山服務(wù)年限內(nèi)所排棄的全部巖土;排土場(chǎng)應(yīng)充分利用溝谷、洼地、荒坡和劣地，不占良田，少占耕地，應(yīng)避開(kāi)城鎮(zhèn)生活區(qū)等[1]。其中在計(jì)算排土場(chǎng)的容量時(shí)，由于自然地表地形的不規(guī)則性，通常采用估算法，往往耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，這一問(wèn)題在排土場(chǎng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行多方案比較時(shí)尤為突出。為了提高設(shè)計(jì)工作效率，筆者基于DTM理論，利用3Dmine軟件的礦山空間信息處理功能，探討了一種具有科學(xué)性和準(zhǔn)確性的排土場(chǎng)輪廓設(shè)計(jì)和容積計(jì)算方法。

1 排土場(chǎng)容積計(jì)算方法

礦山排土場(chǎng)的容積計(jì)算類似于工程上的土石方量計(jì)算，而傳統(tǒng)的方法大多采用斷面法，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)精確度不夠[2]。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在礦業(yè)界的發(fā)展，借助計(jì)算機(jī)來(lái)代替人工計(jì)算可大大提高工作效率，方便快捷且精確度較高。以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的地理信息系統(tǒng)可采用數(shù)字地面模型模擬地形表面。借助DTM技術(shù)計(jì)算排土場(chǎng)的容積，需要知道排土場(chǎng)堆積空間上、下界面的兩個(gè)數(shù)字地面模型。作為堆積空間下界面的礦區(qū)地形數(shù)字地面模型容易得出，而堆積空間上表面數(shù)字地面模型則需要根據(jù)各個(gè)設(shè)計(jì)要素來(lái)建立。

2 基本原理

2.1 DTM

數(shù)字地面模型是一種用一群地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程描述地表形狀的方式。地表任一特征內(nèi)容如土壤類型、植被、高程等均可作為DTM的特征值。以高程為特征值的DTM也稱為數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)。DEM 用數(shù)字形式X、Y、Z坐標(biāo)來(lái)表達(dá)區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)，以縮微的形式再現(xiàn)地表形態(tài)起伏變化特征，具有形象、直觀、精確等特點(diǎn)，在生產(chǎn)中有廣泛的使用價(jià)值。因此采用DEM原理模擬礦區(qū)地表并將其運(yùn)用在排土場(chǎng)的選址設(shè)計(jì)上可大大提高工作效率和準(zhǔn)確性[3]。

2.2 DTM在排土場(chǎng)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

運(yùn)用DEM原理來(lái)計(jì)算土方量是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面各散點(diǎn)坐標(biāo)(X，Y，Z)和設(shè)計(jì)高程，通過(guò)生成三角網(wǎng)來(lái)計(jì)算每一個(gè)三棱錐的填挖方量，最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線。如果將DEM視為空間的曲面，填挖前后的兩個(gè)DTM即為兩個(gè)空間曲面，那么計(jì)算機(jī)便可以自動(dòng)計(jì)算兩個(gè)曲面的交線，也可以用一個(gè)鉛垂面同時(shí)對(duì)兩個(gè)曲面任意切割，并計(jì)算夾在兩個(gè)切割下來(lái)的曲面間的空間體積，實(shí)際上就是土方計(jì)算的填挖交界線、填方量和挖方量[4]。土方工程量實(shí)際上是原始地表與設(shè)計(jì)地表之間的體積值，如圖1所示。

圖1 DEM土方量計(jì)算原理

根據(jù)以上原理，只需在礦山排土場(chǎng)區(qū)域建立兩個(gè)DTM，一個(gè)為原始地表 DEM，另一個(gè)為設(shè)計(jì)堆積空間上表面(即設(shè)計(jì)面)DEM，根據(jù)兩個(gè)DEM的差即可求出排土場(chǎng)的容積。

依據(jù)地形的特點(diǎn)，礦山排土場(chǎng)可分為平地排土場(chǎng)、山坡排土場(chǎng)和山溝排土場(chǎng)3類。第一類適用于地形平緩的地區(qū)，其地形的變化因素可以忽略，堆積空間比較規(guī)則，容積容易計(jì)算;而后兩類則適用于地形起伏較大的地區(qū)，地形的不規(guī)則因素決定性較大，需要考慮地形的變化，計(jì)算排土場(chǎng)容積較為困難。筆者以容積計(jì)算最為復(fù)雜的山溝排土場(chǎng)為例進(jìn)行探討[5]。

依據(jù)DTM計(jì)算應(yīng)用原理可知，對(duì)于山溝排土場(chǎng)的容積計(jì)算需要構(gòu)建兩個(gè)DEM，地形的DEM可由原始地質(zhì)資料構(gòu)建得到，因此關(guān)鍵問(wèn)題歸結(jié)為構(gòu)建設(shè)計(jì)高度上平面和總邊坡面的DEM。

排土場(chǎng)的設(shè)計(jì)要素中包括堆置總高度、臺(tái)階高度、巖土自然安息角和邊坡角等，它們相互之間有密切的聯(lián)系。這些要素均對(duì)構(gòu)建設(shè)計(jì)高度和總邊坡的DEM具有決定性作用。這些要素的確定通常還需要綜合考慮排土場(chǎng)的穩(wěn)定性要求、排棄巖土的性質(zhì)、排土場(chǎng)基底承載力和水文地質(zhì)等礦區(qū)的具體條件。對(duì)于不同的排土場(chǎng)設(shè)計(jì)要求會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)，如占地面積小、穩(wěn)定安全、經(jīng)濟(jì)節(jié)約和復(fù)墾情況等。因此其設(shè)計(jì)的參數(shù)數(shù)值都是確定在一個(gè)區(qū)間內(nèi)的。為使礦山排土場(chǎng)的設(shè)計(jì)最優(yōu)化，需要進(jìn)行多方案的比較分析。對(duì)于不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用人工計(jì)算的方法來(lái)判斷排土場(chǎng)容量是否符合條件顯然工作量很大，需充分利用計(jì)算機(jī)的信息處理和計(jì)算能力。3Dmine是國(guó)內(nèi)首個(gè)開(kāi)發(fā)研制的商業(yè)化礦業(yè)軟件，具有強(qiáng)大的礦山空間信息處理功能，但沒(méi)有專門(mén)的排土場(chǎng)設(shè)計(jì)功能[6]。筆者探討運(yùn)用3Dmine與CAD相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)排土場(chǎng)相關(guān)DEM的構(gòu)建和容積計(jì)算的實(shí)用方法。

3 DEM構(gòu)建與容積計(jì)算

3.1 地形的DEM構(gòu)建

在3Dmine運(yùn)行環(huán)境下打開(kāi)原始地質(zhì)資料礦區(qū)地形等高線AutoCAD文件，在工具選項(xiàng)中選擇線賦高程，即將等高線賦予相應(yīng)的原始高程，將二維的等高線轉(zhuǎn)化為三維的等高線。再通過(guò)3Dmine中依據(jù)等高線創(chuàng)建DTM功能，構(gòu)建出地形的 DEM[7]。

3.2 設(shè)計(jì)面的DEM構(gòu)建

山溝排土場(chǎng)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示，由圖2可知，設(shè)計(jì)面可簡(jiǎn)化為一個(gè)上平面和一個(gè)與之相接的斜平面的組合體。設(shè)計(jì)面與原始地形面的交線為空間曲線，人工繪制過(guò)程復(fù)雜，可通過(guò)3Dmine的信息處理功能自動(dòng)生成[8]。為此，需構(gòu)建一個(gè)外延的設(shè)計(jì)總高度的水平面和一個(gè)總邊坡斜平面作為輔助設(shè)計(jì)面。水平面容易建立，設(shè)計(jì)方案給出堆置總高度，此高度即為水平面的高程值z(mì)[9－11]。但是確定一個(gè)斜面則需要幾個(gè)條件。在大地坐標(biāo)系中，山溝排土場(chǎng)依據(jù)排土場(chǎng)的其他要求和條件可以初步確定總邊坡角β，即確定斜面在X－Z面上的方位。除了此條件還需兩個(gè)條件來(lái)確定斜面?？蛇x定山溝最低點(diǎn)和與之高程相同的另一點(diǎn)，確立一條直線作為斜面走向線，依據(jù)這條直線和總邊坡角就可以確定這個(gè)斜面。在3Dmine中有兩種創(chuàng)建DEM的方式，分別為散點(diǎn)創(chuàng)建DTM和線條創(chuàng)建DTM，因此設(shè)計(jì)面DEM的建立應(yīng)首先轉(zhuǎn)化為散點(diǎn)或線條，此處選擇采用線條創(chuàng)建DTM;而水平面DEM的建立可以轉(zhuǎn)化為依據(jù)兩條相互平行的直線，一條為斜面和水平面的交線，另一條可任取，只要二者高程值相同且平行水平面即可，高程值z(mì)為已知，為排土場(chǎng)的最終堆置高度。對(duì)于設(shè)計(jì)面斜面DEM的建立，可以轉(zhuǎn)化為依據(jù)兩條垂直相交的線條，線條的定位參數(shù)由β以及所選的兩點(diǎn)來(lái)確定。至此可以通過(guò)線條創(chuàng)建DTM方式構(gòu)建出外延設(shè)計(jì)面的DEM。

圖2 山溝排土場(chǎng)設(shè)計(jì)示意圖

3.3 外延設(shè)計(jì)面的自動(dòng)生成與容積計(jì)算

在3Dmine運(yùn)行環(huán)境下可以導(dǎo)入CAD圖，通過(guò)CAD的自主匯編語(yǔ)言VBA編寫(xiě)一個(gè)程序，設(shè)計(jì)一個(gè)交互式窗體界面，如圖3所示。在CAD圖中依據(jù)設(shè)計(jì)初所給的高程z、β以及山谷最低點(diǎn)自動(dòng)生成能確定設(shè)計(jì)面DTM的線段，再將其導(dǎo)入到3Dmine中生成設(shè)計(jì)面的DTM，然后導(dǎo)入地質(zhì)地形的DTM，形成排土場(chǎng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)圖。利用以上兩個(gè)DTM，運(yùn)用3Dmine軟件的DTM容積計(jì)算功能計(jì)算出排土場(chǎng)的容積。設(shè)計(jì)者也可以輸入不同的高程z、β以及拾取不同的山谷最低點(diǎn)構(gòu)建出不同的排土場(chǎng)設(shè)計(jì)面數(shù)字高程模型，即可得到不同排土場(chǎng)的位置和容積，然后與需排放廢石容量進(jìn)行比較，根據(jù)需要就可以進(jìn)行排土場(chǎng)選址了。

圖3 VBA編程窗體界面

排土場(chǎng)設(shè)計(jì)方案確定后，通過(guò)3Dmine對(duì)所選方案的輔助設(shè)計(jì)面進(jìn)行信息處理，生成實(shí)際設(shè)計(jì)面如圖4所示，并根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)(邊坡結(jié)構(gòu)、擋土墻、防排水設(shè)施等)，形成設(shè)計(jì)方案圖和立體效果圖，同時(shí)勾勒出排土場(chǎng)。

圖4 排土場(chǎng)實(shí)際設(shè)計(jì)面

4 計(jì)算示例

已知某礦區(qū)地形等高線AutoCAD文件并將其導(dǎo)入3Dmine軟件中生成地形DEM。在AutoCAD中加載所編程序，并且在窗體界面中輸入兩組數(shù)據(jù)，畫(huà)出設(shè)計(jì)線條后導(dǎo)入3Dmine軟件構(gòu)建DEM，并最終得出排土場(chǎng)的容積。數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1所示。

表1 示例計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)、模擬排土場(chǎng)堆置廢石后的數(shù)字高程模型與原始地形數(shù)字高程模型相結(jié)合計(jì)算出排土場(chǎng)的容量，在實(shí)踐中得到了較好的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的算法合理，應(yīng)用于設(shè)計(jì)也具有可行性。

筆者設(shè)計(jì)編程建立了一個(gè)交互式窗體界面，在礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)和方案比較過(guò)程中，通過(guò)輸入不同的堆置高度、不同的最終邊坡角以及拾取不同的山溝最低點(diǎn)，就可以得出對(duì)應(yīng)的排土場(chǎng)容積，并可以生成排土場(chǎng)立體效果圖和排土場(chǎng)輪廓線，具有簡(jiǎn)捷、方便、直觀和設(shè)計(jì)精度高等特點(diǎn)，實(shí)用性較強(qiáng)。

[1] 建設(shè)部.有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2007.

[2] 羅德仁，鄒自力，湯江龍.工程土方量計(jì)算比較分析[J].東華理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，28(1):59 －64.

[3] 李志林，朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2003:18－98.

[4] 高強(qiáng)，云慶夏，陳永鋒.地形仿真技術(shù)在露天礦排土場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)鉬業(yè)，2006，30(1):12－14.

[5] 衛(wèi)博，付梅臣，白中科，等.基于節(jié)地的露天礦排土場(chǎng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(6):230－232.

[6] 北京東澳達(dá)科技有限公司.3DMine礦業(yè)工程軟件系列教材[R].北京:北京東澳達(dá)科技有限公司，2009.

[7] 白曉平，云慶夏，陳永峰.露天礦排土規(guī)劃軟件包設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2003(6):67－70.

[8] 胡軍華.利用數(shù)字高程模型計(jì)算土石方方量的程序方法[J].湖南電力，2003，23(4):71－73.

[9] 焦緒國(guó)，王彥.黃金露天礦平地型排土場(chǎng)最佳堆置高度的確定[J].黃金，2008，29(9):20 －22.

[10] 張帆，鄭立楷，王華杰.AutoCAD VBA開(kāi)發(fā)精彩實(shí)例教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004:56－104.

[11] 王榮，劉景秀.地理信息系統(tǒng)在水泥礦山境界圈定中的應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2009，31(6):870－872.