基于DTM的矿山排土场设计

2013-08-01刘景秀

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2013年1期

胡俊，刘景秀，李慧

(武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉 430070)

多数矿山在开采矿石的过程中不可避免地会产出一定量的废石，尤其是在露天矿开采中，只有剥离矿体上覆盖的废石才能开采矿石。因此排弃废石的工作是矿山开采中必不可少的一项生产环节。

排土场的设计环节包括排土场选址、排土场要素的选取以及排土工艺的选择等。其中排土场选址是需要首要确定的，对此国家有许多的规范，如排土场的容量应能容纳矿山服务年限内所排弃的全部岩土;排土场应充分利用沟谷、洼地、荒坡和劣地，不占良田，少占耕地，应避开城镇生活区等[1]。其中在计算排土场的容量时，由于自然地表地形的不规则性，通常采用估算法，往往耗费大量的人力和时间，这一问题在排土场设计中进行多方案比较时尤为突出。为了提高设计工作效率，笔者基于DTM理论，利用3Dmine软件的矿山空间信息处理功能，探讨了一种具有科学性和准确性的排土场轮廓设计和容积计算方法。

1 排土场容积计算方法

矿山排土场的容积计算类似于工程上的土石方量计算，而传统的方法大多采用断面法，该方法费时费力，同时精确度不够[2]。

随着计算机辅助设计技术在矿业界的发展，借助计算机来代替人工计算可大大提高工作效率，方便快捷且精确度较高。以计算机技术为基础的地理信息系统可采用数字地面模型模拟地形表面。借助DTM技术计算排土场的容积，需要知道排土场堆积空间上、下界面的两个数字地面模型。作为堆积空间下界面的矿区地形数字地面模型容易得出，而堆积空间上表面数字地面模型则需要根据各个设计要素来建立。

2 基本原理

2.1 DTM

数字地面模型是一种用一群地面点的平面坐标和高程描述地表形状的方式。地表任一特征内容如土壤类型、植被、高程等均可作为DTM的特征值。以高程为特征值的DTM也称为数字高程模型(digital elevation model，DEM)。DEM 用数字形式X、Y、Z坐标来表达区域内的地貌形态，以缩微的形式再现地表形态起伏变化特征，具有形象、直观、精确等特点，在生产中有广泛的使用价值。因此采用DEM原理模拟矿区地表并将其运用在排土场的选址设计上可大大提高工作效率和准确性[3]。

2.2 DTM在排土场设计上的应用

运用DEM原理来计算土方量是根据实地测定的地面各散点坐标(X，Y，Z)和设计高程，通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。如果将DEM视为空间的曲面，填挖前后的两个DTM即为两个空间曲面，那么计算机便可以自动计算两个曲面的交线，也可以用一个铅垂面同时对两个曲面任意切割，并计算夹在两个切割下来的曲面间的空间体积，实际上就是土方计算的填挖交界线、填方量和挖方量[4]。土方工程量实际上是原始地表与设计地表之间的体积值，如图1所示。

图1 DEM土方量计算原理

根据以上原理，只需在矿山排土场区域建立两个DTM，一个为原始地表 DEM，另一个为设计堆积空间上表面(即设计面)DEM，根据两个DEM的差即可求出排土场的容积。

依据地形的特点，矿山排土场可分为平地排土场、山坡排土场和山沟排土场3类。第一类适用于地形平缓的地区，其地形的变化因素可以忽略，堆积空间比较规则，容积容易计算;而后两类则适用于地形起伏较大的地区，地形的不规则因素决定性较大，需要考虑地形的变化，计算排土场容积较为困难。笔者以容积计算最为复杂的山沟排土场为例进行探讨[5]。

依据DTM计算应用原理可知，对于山沟排土场的容积计算需要构建两个DEM，地形的DEM可由原始地质资料构建得到，因此关键问题归结为构建设计高度上平面和总边坡面的DEM。

排土场的设计要素中包括堆置总高度、台阶高度、岩土自然安息角和边坡角等，它们相互之间有密切的联系。这些要素均对构建设计高度和总边坡的DEM具有决定性作用。这些要素的确定通常还需要综合考虑排土场的稳定性要求、排弃岩土的性质、排土场基底承载力和水文地质等矿区的具体条件。对于不同的排土场设计要求会有不同的侧重点，如占地面积小、稳定安全、经济节约和复垦情况等。因此其设计的参数数值都是确定在一个区间内的。为使矿山排土场的设计最优化，需要进行多方案的比较分析。对于不同的设计参数，利用人工计算的方法来判断排土场容量是否符合条件显然工作量很大，需充分利用计算机的信息处理和计算能力。3Dmine是国内首个开发研制的商业化矿业软件，具有强大的矿山空间信息处理功能，但没有专门的排土场设计功能[6]。笔者探讨运用3Dmine与CAD相结合的方式来实现排土场相关DEM的构建和容积计算的实用方法。

3 DEM构建与容积计算

3.1 地形的DEM构建

在3Dmine运行环境下打开原始地质资料矿区地形等高线AutoCAD文件，在工具选项中选择线赋高程，即将等高线赋予相应的原始高程，将二维的等高线转化为三维的等高线。再通过3Dmine中依据等高线创建DTM功能，构建出地形的 DEM[7]。

3.2 设计面的DEM构建

山沟排土场设计示意图如图2所示，由图2可知，设计面可简化为一个上平面和一个与之相接的斜平面的组合体。设计面与原始地形面的交线为空间曲线，人工绘制过程复杂，可通过3Dmine的信息处理功能自动生成[8]。为此，需构建一个外延的设计总高度的水平面和一个总边坡斜平面作为辅助设计面。水平面容易建立，设计方案给出堆置总高度，此高度即为水平面的高程值z[9－11]。但是确定一个斜面则需要几个条件。在大地坐标系中，山沟排土场依据排土场的其他要求和条件可以初步确定总边坡角β，即确定斜面在X－Z面上的方位。除了此条件还需两个条件来确定斜面。可选定山沟最低点和与之高程相同的另一点，确立一条直线作为斜面走向线，依据这条直线和总边坡角就可以确定这个斜面。在3Dmine中有两种创建DEM的方式，分别为散点创建DTM和线条创建DTM，因此设计面DEM的建立应首先转化为散点或线条，此处选择采用线条创建DTM;而水平面DEM的建立可以转化为依据两条相互平行的直线，一条为斜面和水平面的交线，另一条可任取，只要二者高程值相同且平行水平面即可，高程值z为已知，为排土场的最终堆置高度。对于设计面斜面DEM的建立，可以转化为依据两条垂直相交的线条，线条的定位参数由β以及所选的两点来确定。至此可以通过线条创建DTM方式构建出外延设计面的DEM。

图2 山沟排土场设计示意图

3.3 外延设计面的自动生成与容积计算

在3Dmine运行环境下可以导入CAD图，通过CAD的自主汇编语言VBA编写一个程序，设计一个交互式窗体界面，如图3所示。在CAD图中依据设计初所给的高程z、β以及山谷最低点自动生成能确定设计面DTM的线段，再将其导入到3Dmine中生成设计面的DTM，然后导入地质地形的DTM，形成排土场设计基础图。利用以上两个DTM，运用3Dmine软件的DTM容积计算功能计算出排土场的容积。设计者也可以输入不同的高程z、β以及拾取不同的山谷最低点构建出不同的排土场设计面数字高程模型，即可得到不同排土场的位置和容积，然后与需排放废石容量进行比较，根据需要就可以进行排土场选址了。