大型露天煤矿土石方剥离工程量计算方法的探讨_图文(1).doc

doi10．3969/j．issn．1001－358X．2012．04．023 大型露天煤矿土石方剥离工程量计算方法的探讨 巴博清1,张吉福2,肖林萍2 1．中国保利能源哈密分公司,新疆哈密839000;2．西南交通大学,成都610031 摘要在大型露天煤矿土石方剥离工程量计算方面,文中对不同的计算方法进行了详尽的分析探讨。 特别是对方格网法、DTM三角网法、断面法,并加以对比说明,以得出最优化的计算方法。在一些影响计算精度的细节方面进行了阐述,如数据采集、边界范围及边坡处理、在地形建模方面地性线的处理等问题。然后选取新疆北山矿业有限公司奇台露天煤矿、保利能源和翔公司别斯库都克露天煤矿为实例进行了数据对比说明。 关键词方格网法;DTM三角网法;断面法 中图分类号TB22文献标识码B文章编号1001－358X201204－0065－04 目前,国家根据国内能源需求趋势,提出将疆煤东运、西电东送战略。随着新疆准东煤田的发现,国家加快了对其开发步伐,各大型煤炭能源化工企业纷纷加入。据准东煤田地质结构,其大部分煤层倾角较缓,且埋藏较浅,具有大型露天开采的优势。大型露天开采涉及到巨大的土石方剥离工程,年剥离量以千万吨计,其涉及到巨大的经济价值。因此,对土石方工程量计算的精确度、最优性,及不同计算方法的应用性提出了更高的要求,主要采用三种方法方格网法、DTM三角网法和断面法。下面就以南方CASS7．0成图软件为基础,针对大型露天煤矿土石方计算方法进行分析探讨。 1方格网法 1．1基本原理 根据实际测量的地面坐标X,Y,Z和设计高程或二期实际挖填地面坐标,通过生成方格网来计算每一个方格内的填挖方量,最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量。如利用南方CASS7．0软件将方格的四个角上的高程相加如果角上没有高程点,通过周围高程点以泰森多边形数学内插得出其高程取平均值,与设计二期高程相减,然后通过指定的方格边长得到每个方格的面积,再用长方体的体积计算公式得到每个方格的填挖方量,每行的挖方每列的填方、挖方填方分别求和即可,并绘出填挖方分界线。用方格网法计算土方量,设计二期高程面可以是平面,也可以是斜面,还可以是DTM三角网文件。1．2二期不同设计面情况 1设计面是平面首先,用复合线画出所计算土方的区域,一定要闭合,但是尽量不要拟合。因为拟合过的曲线在进行土方计算时会用折线迭代,影响计算结果的精度。由基本原理可知,计算时输入方格的宽度越小,计算精度越高。但若宽度太小,小于野外采集点的间距密度是没有意义的,所以宽度并不是越小越好,最好与实际采集点密度保持适中。 平面设计面方格网计算方法多用于广场、工业、房屋等相对规则平坦地面的场地土方平整,计算精度较高。 2设计面是斜面分为以基准点和基准线两种基准来设计二期斜面,多用于城市规划、广场、人工草坪等相对平坦的土方平整,计算精度较高。 3设计面是DTM三角网文件关键是如何建立二期DTM三角网文件,因此这种方法也属半方格网法半DTM三角网法土方计算。在露天煤矿土石方计算以此二期设计面为准。 这种方法适用于地势不规则相对起伏较大,有边坡陡坎等复杂地形的土石方计算。 1．3方格网法在露天煤矿的应用 一般露天煤矿为了使土石方剥离计算结果直观并有利于审计监察部门对其进行审计监察,大都采用这种方法。这就要求在应用简便、直观的方格网法的基础之上,使其计算精准度有较高的置信度。其基本的操作原理简单,但对二期DTM三角网、原始地面及二期坐标数据、边坡陡坎、计算区域边界范围等细节方面提出了较高的要求。下面就细节内容 56 2012年8月MINE SURVEYING Aug.2012 进行探讨 1采集三维数据开挖前对原始地表三维高程数据采集,一般点间距5m或10m,地面较平坦采集点密度稀疏,反之应紧密。开挖结束后对开挖后的高程数据进行采集,注意在陡坎、地形变化较大的地方,特别是边坡的坡顶坡底,现场野外采集点的准确性。特别是对一些特征点、碎部点应能反映地形细部特征、地形变换特征。 2建立DTM地面高程模型三角网由于露天煤矿设计有10m左右高度65ʎ 75ʎ的帮坡角,并留有5 10m的安全平台,所以在构建开挖后DTM 三角网时,应注意组网的构成,完善三角网。首先应画出陡坎坎上、坎下、边坡坡顶、坡底等基本地形地物的地性线。其次,在CASS7．0\等高线\建立DTM下,“建立DTM”对话框中特别注意建模过程考虑地形线,然后显示建三角网结果。地性线所建立的三角网就避免形成三角网在陡坎、边坡上下部分无规则的穿越构网,能够保存原有关键的地形特征,以及能很好的适应复杂地、不规则地形,而这个在土方计算方面最最基本且突出的问题直接影响到了计算结果的精度。在建成后还应考虑其他方面进一步完善三角网,特别是边缘边角地方三角网的缺失、构建异常等情况的完善。 3对开挖前后边界高程数据的处理这里设原始开挖前地表区域面积为S1,开挖后区域面积为S2。按理想状态下一般施工后S1＞S2,在方格网计算时应把开挖前地表区域的边界三维坐标点相对应的套入到开挖后区域,形成的开挖后区域点集所建立的三角网DTM就形成一个盆状结构,与原始地表所在的面构成一个闭合区域,从而提高计算的准确性。在实际的露天开采中所分各个标段的开采并不一定都是S1＞S2,边界范围线投影到平面可能相互内外交错,在这种情况下就不能按上面理想情况处理,其方格网计算区域边界范围线应取开挖前后区域边界的最大范围处,边界范围S3既要包括S1又要包括 S 2,其数学表达式为S 1 ∪S2S3。根据实际情况处 理开挖前后的边界及其上的三维坐标点,还要以招标合同边界为参考依据。最终原则是开挖前后的面要组成一个封闭的几何形体。 经过这一系列细节方面的处理后计算出的土方量精准度才会得到显著的提高,其网格越密精度越高,可以弥补在方格网计算时边坡处计算失真的缺陷。方格网法拥有简便、直观,易于操作,计算速度快等特点,且便于上级的可视化审计监察,故在露天煤矿土石方剥离等工程中应用广泛。 2DTM三角网法 2．1基本原理 DTM三角网法特指两期间土方计算三角网法,是根据实地测定的地面点坐标X,Y,Z和设计高程或二期实际挖填地面坐标,通过生成数字地面模型DTM三角网来计算每个三棱锥的填挖方量,组后迭加累计得到指定范围内填方和挖方的土方量,并绘出填挖分界线。对同一区域进行了两期测量,利用两次观测得到的高程数据DTM建模后叠加,计算出两期之中的区域内土方的变化情况。适用两次观测时该区域可以是不规则且复杂变化起伏较大的地形,也可以是比较平坦的地形。 2．2DTM三角网法在露天煤矿的应用 两期间土方计算之前,要首先对该区域一期和二期分别进行建模,即生成DTM模型,并将DTM模型三角网保存起来。 1在采集三维数据,建立DTM地面高程模型三角网,对开挖前后边界高程数据的处理,在这三方面样同前面所述的方格网法的情况是一致的。 2此方法计算时不要求给定区域边界,系统会分析所有被选取的三角形,因此在选择、保存两期三角形时注意不要漏选或多选,否则计算结果有误且很难检出问题所在。 3在建立两期三角网模型时,要注意DTM建模尽量与实际地形相结合,模型建立的越逼真,计算精度越高。图1是新疆北山矿业有限公司2011－B －01标段土方剥离后建立起来的二期DTM三角网模型。 两期三角网法计算优缺点并存。优点计算精度相对较高,计算速度较快。不论是从理论上,还是从实际情况来说两期间三角网法对任何地形都有较好的适用性,重要的一点是不论对于任何地形其计算结果都是比较合理的,其精准度置信度较高。这样在不规则、复杂地形方面三角网法比方格网法有明显的精度优势。三角网能很好的适应复杂、不规则地形,从而更好的表达真实的地面特征。缺点其计算结果相对方格网法来讲直观性较差,结果有误很难查出,不便于上级审核。 66 图1土方剥离后建立的DTM 三角网模型 3断面法3．1 基本原理 断面线间土方计算是计算两工期之间或土石方土质层石质层分界土方的工程量。两断面两期面积平均值乘以两断面间距,即就是两断面间土方体 积, 以此类推求和得到整个两期区域的土方量。计算公式S 1S 2ˑ0．5ˑL 。3．2断面法在露天煤矿的应用 此方法一般用于道路土方平整计算,但在露天煤矿有传统的应用,特别是做煤层地质剖面解算和年度剥采比计划时应用广泛。 1CASS7．0软件自动解断面 一期先建立DTM 模型,把整个区域用断面线分成N 份,然后根据图上三角网有CASS7．0\工程应用\绘制断面图,绘制出每条断面线的断面图。 二期与一期各断面的起点基点和终点相同,同样建DTM 据此解出二期每条的断面线。最后其同一基线上两期不同断面线构成一个竖直闭合剖断面,如图2所示。同样相邻直线上也按上述方法构成一个竖直闭合断面。以此类推求出两两相邻断面间体积,求和即可的整个区域两期间土方量。如图3保利能源控股有限公司哈密别斯库都克露天煤矿建立的断面线图,断面间距20m 。 图2同一断面基线不同各工期组成的断面图 此方法是CASS7．0软件根据高程点生成DTM 三角 网生成断面线,取决于建立DTM 的精准度与方格网建立DTM 三角网模型需注意事项基本一致。 图3 保利能源控股有限公司 哈密别斯库都克露天煤矿断面线图 2人工解断面 以上生成断面线的是建立在DTM 三角模型基 础之上的, 其精度比前两种方法相对较低。而人工手动解断面线是相对上述CASS7．0软件在DTM 基 础之上自动解断面线而言。由于人工输入断面线上的高程值是以技术人员结合实际地形为基础, 较好的避免边坡、台阶、陡坎处据DTM 法自动绘制断面线所造成的与实际地形失真的现象。其他方法原理同CASS7．0自动解断面线一致。4 实 例 现以新疆北山矿业有限公司奇台北山露天煤矿和保利能源控股有限公司哈密别斯库都克露天煤矿为例对这三种方法加以对比说明。4．1 方格网法与DTM 三角网法对比 新疆北山矿业有限公司奇台北山露天煤矿2011年度土石方剥离工程,方格网法与DTM 三角网法计算结果数据见表1, 用南方CASS7．0软件计算以实际工程数据,方格网法和三角网法计算数据对比可知,在对同一范围标段和不同标段的计算而言,三角网法计算土石方量要多于用方格网法,但都在1的误差之内。越是两期地形较平坦,两种方法的数据越接近。4．2 DTM 三角网法与断面法对比 保利能源控股有限公司别斯库都克露天煤矿2010年度土石方剥离工程,三角网法与断面法计算结果数据对比见表2、表3,此计算结果采用“北京 7 62012年8月MINE SURVEYING Aug.2012 表1方格网法与DTM三角网法计算结果 计算方法 标段名称 5m方格网法m3DTM三角网法m3差值m3百分比相对三角网法 2011－B－011148444115400955650．48 2011－B－021404003141303290290．64 2011－FY－011739780174348337020．21 2011－FY－022160736216915084130．39 2011－A－02033732413374093685220．23 表2DTM三角网法与自动解断面法计算数据对比表 计算方法标段名称DTM三角网法m3 自动解断面法m3 5m断面间距 差值m3百分比相对DTM法 一区23886542374591140630．6二区2425852241617396850．4 表3DTM三角网法与手动界断面法计算数据对比 计算方法标段名称DTM三角网法m3 手动解断面法m3 10m断面间距 差值m3百分比相对DTM法 一区23886542358762298921．3二区24258522467995－42143－1．7 3DMine矿业工程软件”计算,其内部计算原理程序及方法过程的实现与南方CASS7．0没有本质上的区别 由数据对比而知,对相同标段计算而言,三角网法计算结果大于软件自动解断面法,断面间距较小的情况下都在1的误差之内。而手动解断面法具有不确定性,置信度不高,费时费力,误差相对较大,故不提倡。当随着断面间距的缩小其值越接近于三角网法。 5总结 综合上面对各种土方量计算方法的探讨分析,我们得出如下结论 1在大型露天煤矿土石方剥离计算,DTM三角网法不论是在计算方法上,还是在接近实际地形特征、实际工程量方面、精度要求,计算速度相对其他方法都具有优越性,其计算结果具有合理性,适用于任何地形的土方量计算。在速度、效率、合理、经济方面都是最优化的选择。 2方格网法简便直观,易于操作,计算速度快,便于上级的可视化审计监察,因此这一方法在实际工作中应用非常广泛,在大多数露天煤矿工程土石方计算中得到辅助应用。 3断面法解算土方量有其直观性,便于审核,理论上断面间距L越小精度越高,但是要看实际的测量密度而定,断面法计算,精度比较差,置信度不高。但在传统露天煤矿地质储量及剥采比计算、年度工程计划预算方面具有地质断面可视化的优越性。 因此,在大型露天煤矿土石方剥离工程中建议用三角网法计算比较合理,但也可辅以方格网法进行检核。结算数据最好以三角网法计算结果为准,或以三角网法加方格网法计算结果取平均值进行结算也是一种妥当的方法。 参考文献 [1]南方测绘网站．CASS7．0成图系统用户手册[Z]．广 州南方测绘,2006. 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