數(shù)字建模技術(shù)在礦山開(kāi)采驗(yàn)收計(jì)量中的實(shí)踐

張 軍 范立軍 劉鵬原

（本溪鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司）

近些年來(lái)國(guó)內(nèi)礦山行業(yè)快速發(fā)展，露天開(kāi)采礦山采剝總量大幅增加，礦山生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式逐步向市場(chǎng)化轉(zhuǎn)變，合同制采礦廣為應(yīng)用，企業(yè)效率、效益明顯上升，按工序外委、全工序外委承包等模式運(yùn)行良好。所以，一個(gè)礦山或采場(chǎng)有多個(gè)單位同時(shí)作業(yè)，各家單位的鏟裝、運(yùn)輸?shù)葐闻_(tái)設(shè)備需要分別計(jì)量結(jié)算，加之作業(yè)空間所限、多點(diǎn)配礦等，設(shè)備地點(diǎn)變動(dòng)頻繁，對(duì)驗(yàn)收計(jì)量及時(shí)性、準(zhǔn)確性提出更高的要求。礦山傳統(tǒng)的礦石量、巖石量驗(yàn)收計(jì)量模式為采用全站儀配合GPS-RTK測(cè)點(diǎn)（含臺(tái)階上、下沿和平盤(pán)標(biāo)高），通過(guò)手工繪圖后，按照臺(tái)階平均高度和平均面積來(lái)算量。在驗(yàn)收計(jì)算采剝量過(guò)程中，圈定面積時(shí)因相鄰界線重疊造成增加計(jì)算面積或因相鄰界線存在間隙而減少計(jì)算面積；臺(tái)階高度的選取會(huì)因人為因素和取點(diǎn)數(shù)有限而出現(xiàn)計(jì)算高度誤差，往往導(dǎo)致實(shí)際采剝量積累偏差難以控制在行業(yè)規(guī)范的測(cè)量誤差之內(nèi)，直接影響到礦山生產(chǎn)合同雙方的利益。為提高礦山開(kāi)采礦石量、巖石量驗(yàn)收精度，引進(jìn)數(shù)字建模技術(shù)，構(gòu)建采場(chǎng)地質(zhì)屬性與空間屬性于一體的多信息地形地質(zhì)數(shù)字模型，達(dá)到相鄰算量模型逐個(gè)無(wú)縫銜接的要求，實(shí)現(xiàn)逐次開(kāi)采礦石、巖石體積無(wú)偏差計(jì)算的驗(yàn)收計(jì)量模式［1-4］。

1 傳統(tǒng)計(jì)量方式的不足

（1）臺(tái)階上、下沿和求積儀面積計(jì)算誤差。人工按比例尺在紙版上匯編臺(tái)階上、下沿時(shí)存在偏差，且每次的偏差沒(méi)有規(guī)律性，無(wú)法糾偏，點(diǎn)距大時(shí)不能真正反映地形變化特點(diǎn)。加之在求積儀多次圈算面積取算術(shù)平均值，因軌跡存在偏差無(wú)法重合，偏差沒(méi)有規(guī)律性也不能糾偏，致使相鄰計(jì)量體間出現(xiàn)間隙或重合，形成計(jì)量誤差長(zhǎng)期積累。

（2）臺(tái)階上、下平盤(pán)平均標(biāo)高誤差。人工計(jì)算臺(tái)階平盤(pán)標(biāo)高時(shí)，往往采用各測(cè)點(diǎn)標(biāo)高的算術(shù)平均值，選取的測(cè)點(diǎn)越多越準(zhǔn)確，但受臺(tái)階揭露的面積所限及人工取點(diǎn)數(shù)量所限，此方法計(jì)算的平均標(biāo)高存在誤差，導(dǎo)致最終計(jì)量偏差。

（3）地形復(fù)雜的特殊部位和采出量少的部位算量困難。如爆破前沖量、清掃平臺(tái)上堆積量、平整場(chǎng)地計(jì)算填挖方量等特殊情況下，人工計(jì)算時(shí)選取的模型與實(shí)物形狀偏差大，計(jì)量偏差也大。

（4）自動(dòng)化程度低，效率低，時(shí)效性差。人工統(tǒng)計(jì)臺(tái)階報(bào)出生產(chǎn)量與剩余礦巖量工作量大，用時(shí)長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)精準(zhǔn)糾偏。

2 基于數(shù)字建模技術(shù)的驗(yàn)收計(jì)量

2.1 地形模型建立

礦山采場(chǎng)算量相關(guān)的圖紙有臺(tái)階分層平面圖、礦石量和巖石量采空區(qū)測(cè)量驗(yàn)收?qǐng)D、原始地形圖。建立地形模型的方法是用激光掃描儀將相關(guān)圖紙掃描成特定格式圖片，再通過(guò)相應(yīng)軟件將圖片按原圖等比例進(jìn)行修正，檢驗(yàn)合格即形成初始數(shù)字化圖。對(duì)數(shù)字化圖上的地形線，地質(zhì)線，臺(tái)階上、下沿線矢量化，并賦屬性，建成采場(chǎng)臺(tái)階和采空區(qū)地形模型。

將臺(tái)階平盤(pán)高程導(dǎo)入地形模型，建立礦山采場(chǎng)臺(tái)階三維模型，矢量化后的數(shù)字化臺(tái)階是二維垂向投影圖，反映臺(tái)階平面開(kāi)采狀態(tài)，用于計(jì)算開(kāi)采臺(tái)階平盤(pán)的平面面積；接著利用相應(yīng)軟件將地表和臺(tái)階平盤(pán)的高程點(diǎn)依據(jù)相應(yīng)比例尺批量標(biāo)注到地形模型上，矢量化臺(tái)階的開(kāi)采實(shí)際標(biāo)高用于計(jì)算開(kāi)采臺(tái)階的實(shí)際高度。至此建成達(dá)到數(shù)字建模計(jì)量要求的三維礦山臺(tái)階算量模型，如圖1所示。

2.2 采剝量的計(jì)算

2.2.1 地形圖繪制與更新

按臺(tái)階設(shè)計(jì)段高，在數(shù)字地形圖上劃分各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階圖中包含終了境界臺(tái)階上、下沿線及標(biāo)高。外業(yè)測(cè)量地形數(shù)據(jù)讀取到數(shù)字臺(tái)階圖上，形成完整的三維數(shù)字臺(tái)階模型圖（圖2）。每月測(cè)量驗(yàn)收開(kāi)采的臺(tái)階，測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入后對(duì)臺(tái)階數(shù)字圖開(kāi)采部位進(jìn)行更新。再根據(jù)臺(tái)階分層圖中地質(zhì)界線（含礦、巖界線）的位置，將各臺(tái)階地質(zhì)界線矢量化，標(biāo)定到每個(gè)開(kāi)采臺(tái)階的上、下平盤(pán)，形成數(shù)字圖。在礦山生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)勘探及時(shí)修正地質(zhì)界線，滿(mǎn)足礦山月、季、年開(kāi)采量的計(jì)算工作和臺(tái)階剩余量的核驗(yàn)工作。

2.2.2 計(jì)算模型

結(jié)合實(shí)際開(kāi)采部位的地形復(fù)雜程度，在軟件中選擇相應(yīng)的計(jì)算模型。對(duì)地形較平坦部位采用水平截面模型計(jì)算開(kāi)挖方量，如采場(chǎng)生產(chǎn)臺(tái)階；對(duì)地形起伏高差大的部位采用地形模型計(jì)算開(kāi)挖方量，如礦山基建平整場(chǎng)地的部位、開(kāi)采臺(tái)階靠近原始山坡地形的部位等。

（1）水平截面模型計(jì)算。水平截面模型計(jì)算公式為

式中，Q為礦巖量，t；Ss、Sx分別為開(kāi)采臺(tái)階的上、下平盤(pán)面積，m2；h為臺(tái)階平均高度，m；ρ為礦巖的密度，t/m3。

（2）地形模型計(jì)算。用測(cè)點(diǎn)建立三維開(kāi)挖地形模型，如圖3 所示，通過(guò)開(kāi)挖前后地形數(shù)字圖的變化部分來(lái)直接計(jì)算開(kāi)挖量。

2.2.3 計(jì)算參數(shù)

每個(gè)臺(tái)階從起始部位開(kāi)采過(guò)程中，本臺(tái)階上平盤(pán)的標(biāo)高已存儲(chǔ)在臺(tái)階上平盤(pán)內(nèi)，即共用上個(gè)臺(tái)階下平盤(pán)的測(cè)點(diǎn)標(biāo)高。每月驗(yàn)收臺(tái)階開(kāi)采部位的下平盤(pán)標(biāo)高和臺(tái)階上、下沿線，當(dāng)月驗(yàn)收的臺(tái)階上沿線與鄰近已驗(yàn)收的本臺(tái)階上沿線形成閉合線，并自動(dòng)計(jì)算驗(yàn)收臺(tái)階開(kāi)采部位的上平盤(pán)面積，同理計(jì)算驗(yàn)收臺(tái)階開(kāi)采部位的下平盤(pán)面積，分別用臺(tái)階上、下平盤(pán)開(kāi)采閉合線內(nèi)的全部測(cè)點(diǎn)標(biāo)高自動(dòng)計(jì)算出臺(tái)階平盤(pán)標(biāo)高的算術(shù)平均值，用臺(tái)階上、下平盤(pán)標(biāo)高的算術(shù)平均值的差求臺(tái)階開(kāi)采部位的平均高度。臺(tái)階逐次開(kāi)采部位相鄰上、下沿的閉合線無(wú)縫銜接，直至開(kāi)采到臺(tái)階終了境界線結(jié)束。

逐臺(tái)階對(duì)驗(yàn)收計(jì)算模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，生成合并模型即布爾值，按照設(shè)計(jì)臺(tái)階的上、下平盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)高對(duì)布爾值進(jìn)行切割，分別計(jì)算礦巖量，每部分的礦巖量計(jì)入相應(yīng)設(shè)計(jì)臺(tái)階的開(kāi)采量?jī)?nèi)。同時(shí)將驗(yàn)收的臺(tái)階根底量和超欠挖量也回歸相應(yīng)的設(shè)計(jì)臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)按設(shè)計(jì)臺(tái)階統(tǒng)計(jì)開(kāi)采量，直至臺(tái)階開(kāi)采結(jié)束；同時(shí)，可以按時(shí)期對(duì)臺(tái)階開(kāi)采礦巖量和剩余礦巖量與設(shè)計(jì)礦巖量對(duì)比，為礦山生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 其他技術(shù)要點(diǎn)

2.3.1 更新地質(zhì)界線

應(yīng)用數(shù)字建模技術(shù)進(jìn)行礦巖采剝量的計(jì)算需要及時(shí)和準(zhǔn)確的地質(zhì)素描，在堅(jiān)持傳統(tǒng)的礦山鉆孔巖碴巖性分析描繪地質(zhì)界線的基礎(chǔ)上，研究采用開(kāi)探槽方法準(zhǔn)確控制臺(tái)階平盤(pán)地質(zhì)界線，確保礦石與巖石界線以及不同巖石的界線準(zhǔn)確，滿(mǎn)足提高礦巖量計(jì)算精度要求。

2.3.2 創(chuàng)新測(cè)量技術(shù)

高效的測(cè)量驗(yàn)收計(jì)量工作是外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分的有機(jī)結(jié)合。數(shù)字礦山建模技術(shù)在驗(yàn)收礦山采剝總量中的應(yīng)用僅提升了內(nèi)業(yè)的效率和精度，而外業(yè)是提高內(nèi)業(yè)工作的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)外業(yè)工作采用全站儀采集地表坐標(biāo)點(diǎn)和高程數(shù)據(jù)，點(diǎn)間距為15 m，如遇到復(fù)雜地形（例如根底、偏墻、溝壑等），地形特征點(diǎn)測(cè)量難度大，對(duì)地形的特征描述精度有較大的提升空間。當(dāng)前無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)航測(cè)技術(shù)已發(fā)展成熟，建議加快引進(jìn)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，與內(nèi)業(yè)數(shù)字建模技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算開(kāi)采量。

3 實(shí)例應(yīng)用

在實(shí)例礦山校驗(yàn)中，整理出某年開(kāi)采臺(tái)階的全部紙版圖，分別采用數(shù)字建模技術(shù)和手工紙版圖2種方式計(jì)算開(kāi)采量。采用手工紙版圖法依次按原月驗(yàn)收測(cè)量點(diǎn)和線，計(jì)算總開(kāi)采量是3 308.5萬(wàn)t；用紙版圖進(jìn)行數(shù)字化和矢量化完成數(shù)字建模后，采用水平截面法計(jì)算全年開(kāi)采礦巖量是3 262.4 萬(wàn)t，兩者偏差比例是1.41%。

參照露天礦山地質(zhì)測(cè)量技術(shù)相應(yīng)規(guī)程，要求礦山剝巖量驗(yàn)收誤差不超過(guò)±3%，礦石量不超過(guò)±4%。盡管本次實(shí)例的算量偏差在理想范圍內(nèi)，但面對(duì)大型礦山年采剝總量較大的基數(shù)，差值的絕對(duì)數(shù)值大，由此而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益比較明顯，進(jìn)一步提高采剝總量的可控性和準(zhǔn)確性是礦山各參與方的合理訴求。

4 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目開(kāi)展以來(lái)，經(jīng)多年的數(shù)據(jù)跟蹤，應(yīng)用數(shù)字建模技術(shù)建立開(kāi)采臺(tái)階模型計(jì)算開(kāi)采量，配合礦山采場(chǎng)驗(yàn)收管理，減少了人工工作量，消除手工繪圖偏差，提升了礦山測(cè)量驗(yàn)收算量技術(shù)水平，助力礦山向數(shù)字化方向邁進(jìn)。