试论大型露天煤矿土石方计算方法的应用

试论大型露天煤矿土石方计算方法的应用

作者：田斌

来源：《商情》2013年第51期

【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。然后选取神华北电胜利能源有限公司胜利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

目前，国家根据国内能源需求趋势，随着胜利露天煤矿的发现，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。

一、方格网法 （一）基本原理

根据实际测量的地面坐標（ 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。 （二）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

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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。 （三）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。 二、DTM三角网法 （一）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，）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。

（二）DTM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。

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（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。 三、断面法

（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：（S1+S2）×0.5×L。

（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。

综上所述，对各种土方量计算方法的探讨分析，我们得出如下结论：一是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。二是方格网法简便直观，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。三是断面法解算土方量有其直观性，便于审核，理论上断面间距越小精度越高，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.