露天矿剥离量计算

杨丹

【摘要】本文以露天矿采剥生产作业中剥离量计算为主要的研究对象，首先对现阶段各种剥离量计算方法的基本原理、实施方法、计算流程等进行分析；然后利用实测的外业数据针对计算区域用各方法进行工程量计算，并对不同方法下的计算结果、计算流程及执行操作的复杂程度进行分析和评价，从而找出合理有效的针对露天矿剥离量的计算方法；最后，以模块化思想针对分析得到的合理性方法，进行功能的部署开发和功能实现。

【关键词】露天矿；剥离量计算；断面法；规则格网法

1、论文研究背景

露天矿生产的工艺环节，包括了矿岩准备、采掘工作、运输工作、排土工作等几个重要的环节。在露天矿的建设和生产过程中，对矿岩的采掘和剥离是一项极其重要的工作。剥离量是指露天开采矿山为获取有用矿物，将矿物质上的岩石层和土质层，经过一定的工艺过程移到指定地点的工作量。

剥离量是用来衡量采剥作业成绩的一个非常重要的指标。因而，剥离量的计算是露天矿开采过程中的核心技术之一，他不仅仅是反映矿山工作量的一个综合性指标，而且也是计算其他相关技术经济指标的基础。

2、剥离量计算的常用方法

剥离量精确计算历来都是一个非常棘手的事情，目前国内外主要是利用土石方计算原理对剥离量进行计算，土方计算就是针对一个区域的挖方（或者是填方）的土石总量进行计算。实际上，就是对其体积总量的计算。目前，在露天开采中主要的剥离量计算方法有：断面法、规则方格网法及不规则三角网建立的DEM模型法等。本章将对剥离量计算的常用方法的原理和执行流程进行阐述和分析。

2.1基于断面法的剥离量计算

断面法，在露天矿剥离量计算中通常指垂直断面法，即将一个或几个连续作业的平盘上采剥作业区域近似看作是一个底面相互平行的棱柱体或棱台体，然后利用几何学中的棱柱体或棱台体（锥形体体积）的体积计算公式求解剥离量。

2.1.1断面法体积计算公式

通常在断面法中采用等距离断面分割，以便于计算。断面法中体积计算的公式有两种，通常根据断面面积为判断条件，当相邻两断面的面积比大于60%的时候，取平行断面法计算公式，其公式如下：

当相邻两个断面的面积的商小于60%，则使用平行断面法计算公式的误差就比较大。因此，需要对平行断面法的公式进行改进，采用圆锥台体积法计算公式，其公式如下：

由上述两个公式可以看出，工程量计算的精度大小，取决于断面面积的计算精度和相邻断面的间距，当相邻断面的间距越大，则计算的精度越差，间距越小则精度越高。但是这种方法计算量大， 尤其是在范围较大、精度要求高的情况下更为明显；若是为了减少计算量而加大断面间隔，就会降低计算结果的精度；所以断面法存在着计算精度和计算速度的矛盾。

坐标法通常是指对一个不规则的几何图形，测出该图形边界转折点的坐标值，再利用多边形节点坐标求面积的公式计算：

2.2.3 网格高差的求算

从上面两个工程量计算公式中可以看出，平均高差法的区域面积可利用多边形算法计算；格网积分法中网格面积是已知的，而区域内网格数可以通过判断网格中心点在区域内外的方法计算出来。因此，工程量计算都涉及到同一个重要的变量——区域内每个有效网格的高程。所以工程量计算的关键问题就变成怎样求算每个网格高差的问题。

3、露天矿剥离量计算程序设计与实现

在AutoCAD2004软件环境下通过VBA语言实现用断面法和不规则三角网法计算剥离量。

1.断面法计算剥离量的功能实现

该方法的编程实现首先必须划定计算区域的边界线，然后找到合理的断面方向，按照指定的间隔绘制断面线，找出断面线与边界线的交点，程序根据各交点的坐标进行计算。

2.不规则三角网法计算剥离量的功能实现

该方法可分为三个步骤实现：展野外测量离散点、建立三角网和工程量的计算。

1）展野外测量离散点

高程展绘功能利用Open 语句打开读取文本数据，并通过ModelSpace对象的AddPoint和AddText方法相结合，将存入文本中的空间坐标数据展绘到当前操作的模型中。

在CAD2004中加载展点和建网的程序，运行展点程序，打开*.dat文件，展点结果如下图所示：

2）建立无约束条件的三角网

根据模块化程序设计思想，本文以逐点插入算法实现Delaunay三角网的建立，形成一个无约束条件的三角网。其算法函数的代码见附录A中无约束三角网建立函数代码。

运行建立三角网的程序，程序自动根据离散点数据生成如下图所示的三角网，并将各三角形保存到一个自定义的数组中，以方便剥离量计算的需要。

3）工程量的计算

工程计算是本程序的最主要功能，通过建立露天矿不规则三角网地面模型和绘制的边界线来提取工程计算的TIN，再由本期验收数据建立采剥作业后的TIN，分别计算两期的TIN网所形成的空间体体积，求差得到剥离量。

运行计算剥离量的程序，通过用户输入设计标高确定，即可计算出剥离量。

4、计算结果精度评价与分析

4.1计算结果精度评价

以海州露天矿的实测数据为离散点，通过本程序的断面法和不规则三角网法分别计算出给定设计标高的区域的剥离量，并以南方CASS软件的计算结果为基准，分析各方法计算结果的精度及优缺点。

由4.1的表中可以看出，不规则三角网法的计算结果最接近于CASS软件的计算结果，其相对精度达到了2.2%；规则格网的计算结果接近于不规则三角网的计算结果，但整体效果不如不规则三角网好；而断面法的精度较差，相对精度2.7%。由此，当计算数据相同时，从算法角度来看，三角网法具有较高的精度。

4.2计算结果分析与方法可行性评价

断面法在三个计算实验中及结果的精度都是最低的，究其原因，这与该方法本身的计算原理是分不开。断面法的计算原理比较简单，该方法的缺点也十分的突出：

1） 内业工作量较大，主要体现在断面数据的读取和录入方面。

2） 计算方法的精度直接受到断面数量和距离的影响，当剖断面的间距越大，断面面数量越少，计算的工作量也越小，断面面积与两个断面间体积量计算结果的误差也越差；

3） 断面的方位必须尽量垂直平台推进方向，否则计算精度将会降低。

结论

通过本文的研究，得到了如下的结论：

（1）程序实现了用断面法和不规则三角网法计算剥离量的过程，减少了内业工作量，顯著提高了露天矿剥离量计算的精度和效率。

（2） 通过实验分析不规则三角网法计算剥离量的自动化程度高，精度好，可以有效地保证矿山生产的效率，符合露天生产的要求。

参考文献

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