張 軍 范立軍 劉鵬原

（本溪鋼鐵集團礦業(yè)有限責(zé)任公司）

近些年來國內(nèi)礦山行業(yè)快速發(fā)展，露天開采礦山采剝總量大幅增加，礦山生產(chǎn)經(jīng)營模式逐步向市場化轉(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行良好。所以，一個礦山或采場有多個單位同時作業(yè)，各家單位的鏟裝、運輸?shù)葐闻_設(shè)備需要分別計量結(jié)算，加之作業(yè)空間所限、多點配礦等，設(shè)備地點變動頻繁，對驗收計量及時性、準確性提出更高的要求。礦山傳統(tǒng)的礦石量、巖石量驗收計量模式為采用全站儀配合GPS-RTK測點（含臺階上、下沿和平盤標高），通過手工繪圖后，按照臺階平均高度和平均面積來算量。在驗收計算采剝量過程中，圈定面積時因相鄰界線重疊造成增加計算面積或因相鄰界線存在間隙而減少計算面積；臺階高度的選取會因人為因素和取點數(shù)有限而出現(xiàn)計算高度誤差，往往導(dǎo)致實際采剝量積累偏差難以控制在行業(yè)規(guī)范的測量誤差之內(nèi)，直接影響到礦山生產(chǎn)合同雙方的利益。為提高礦山開采礦石量、巖石量驗收精度，引進數(shù)字建模技術(shù)，構(gòu)建采場地質(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，達到相鄰算量模型逐個無縫銜接的要求，實現(xiàn)逐次開采礦石、巖石體積無偏差計算的驗收計量模式［1-4］。

1 傳統(tǒng)計量方式的不足

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

（2）臺階上、下平盤平均標高誤差。人工計算臺階平盤標高時，往往采用各測點標高的算術(shù)平均值，選取的測點越多越準確，但受臺階揭露的面積所限及人工取點數(shù)量所限，此方法計算的平均標高存在誤差，導(dǎo)致最終計量偏差。

（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、清掃平臺上堆積量、平整場地計算填挖方量等特殊情況下，人工計算時選取的模型與實物形狀偏差大，計量偏差也大。

（4）自動化程度低，效率低，時效性差。人工統(tǒng)計臺階報出生產(chǎn)量與剩余礦巖量工作量大，用時長，無法及時精準糾偏。

2 基于數(shù)字建模技術(shù)的驗收計量

2.1 地形模型建立

礦山采場算量相關(guān)的圖紙有臺階分層平面圖、礦石量和巖石量采空區(qū)測量驗收圖、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，再通過相應(yīng)軟件將圖片按原圖等比例進行修正，檢驗合格即形成初始數(shù)字化圖。對數(shù)字化圖上的地形線，地質(zhì)線，臺階上、下沿線矢量化，并賦屬性，建成采場臺階和采空區(qū)地形模型。

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

2.2 采剝量的計算

2.2.1 地形圖繪制與更新

按臺階設(shè)計段高，在數(shù)字地形圖上劃分各個標準臺階，每個臺階圖中包含終了境界臺階上、下沿線及標高。外業(yè)測量地形數(shù)據(jù)讀取到數(shù)字臺階圖上，形成完整的三維數(shù)字臺階模型圖（圖2）。每月測量驗收開采的臺階，測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入后對臺階數(shù)字圖開采部位進行更新。再根據(jù)臺階分層圖中地質(zhì)界線（含礦、巖界線）的位置，將各臺階地質(zhì)界線矢量化，標定到每個開采臺階的上、下平盤，形成數(shù)字圖。在礦山生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)勘探及時修正地質(zhì)界線，滿足礦山月、季、年開采量的計算工作和臺階剩余量的核驗工作。

2.2.2 計算模型

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

（1）水平截面模型計算。水平截面模型計算公式為

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

（2）地形模型計算。用測點建立三維開挖地形模型，如圖3 所示，通過開挖前后地形數(shù)字圖的變化部分來直接計算開挖量。

2.2.3 計算參數(shù)

每個臺階從起始部位開采過程中，本臺階上平盤的標高已存儲在臺階上平盤內(nèi)，即共用上個臺階下平盤的測點標高。每月驗收臺階開采部位的下平盤標高和臺階上、下沿線，當月驗收的臺階上沿線與鄰近已驗收的本臺階上沿線形成閉合線，并自動計算驗收臺階開采部位的上平盤面積，同理計算驗收臺階開采部位的下平盤面積，分別用臺階上、下平盤開采閉合線內(nèi)的全部測點標高自動計算出臺階平盤標高的算術(shù)平均值，用臺階上、下平盤標高的算術(shù)平均值的差求臺階開采部位的平均高度。臺階逐次開采部位相鄰上、下沿的閉合線無縫銜接，直至開采到臺階終了境界線結(jié)束。

逐臺階對驗收計算模型進行布爾運算，生成合并模型即布爾值，按照設(shè)計臺階的上、下平盤標準標高對布爾值進行切割，分別計算礦巖量，每部分的礦巖量計入相應(yīng)設(shè)計臺階的開采量內(nèi)。同時將驗收的臺階根底量和超欠挖量也回歸相應(yīng)的設(shè)計臺階，實現(xiàn)按設(shè)計臺階統(tǒng)計開采量，直至臺階開采結(jié)束；同時，可以按時期對臺階開采礦巖量和剩余礦巖量與設(shè)計礦巖量對比，為礦山生產(chǎn)經(jīng)營分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 其他技術(shù)要點

2.3.1 更新地質(zhì)界線

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

2.3.2 創(chuàng)新測量技術(shù)

高效的測量驗收計量工作是外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分的有機結(jié)合。數(shù)字礦山建模技術(shù)在驗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點和高程數(shù)據(jù)，點間距為15 m，如遇到復(fù)雜地形（例如根底、偏墻、溝壑等），地形特征點測量難度大，對地形的特征描述精度有較大的提升空間。當前無人機搭載雷達航測技術(shù)已發(fā)展成熟，建議加快引進應(yīng)用于現(xiàn)場測量工作，與內(nèi)業(yè)數(shù)字建模技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)及時準確計算開采量。

3 實例應(yīng)用

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

參照露天礦山地質(zhì)測量技術(shù)相應(yīng)規(guī)程，要求礦山剝巖量驗收誤差不超過±3%，礦石量不超過±4%。盡管本次實例的算量偏差在理想范圍內(nèi)，但面對大型礦山年采剝總量較大的基數(shù)，差值的絕對數(shù)值大，由此而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益比較明顯，進一步提高采剝總量的可控性和準確性是礦山各參與方的合理訴求。

4 結(jié)語

項目開展以來，經(jīng)多年的數(shù)據(jù)跟蹤，應(yīng)用數(shù)字建模技術(shù)建立開采臺階模型計算開采量，配合礦山采場驗收管理，減少了人工工作量，消除手工繪圖偏差，提升了礦山測量驗收算量技術(shù)水平，助力礦山向數(shù)字化方向邁進。