基于Surfer软件的煤矿适建区初选及土方量精准计算

高智伟

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

随着大数据、信息化时代的到来，煤炭行业也得到了长足的发展，传统的设计方法与表达方式都已经无法满足当今时代的需求，行业的发展对设计从业者提出了更高的要求，煤矿工业场地适建区选择及土方量计算中出现的问题日益凸显，且亟需解决。随着新技术、新方法的不断更新，设计从业者需要从各个方面探寻新的解决途径，采用更多更好数字化的手段，对建设项目设计过程和成果进行三维可视化展示和应用，减少设计误差，提高设计水平。

1 适建区初选及土方量计算的设计现状

1.1 煤矿适建区初选

煤矿工程建设项目中进行煤矿工业场地适建区初选，是煤矿设计工作的开端。传统设计方式是先通过对数字化地形图中自然地形高程和水平距离的多次验算，从而得出地形的自然坡度后，通过分析自然坡度的大小，结合相近坡度的场地面积，进一步推断合理的建设用地范围。将坡度大于20%的作为不可用建设用地，再在小于20%的可利用建设用地上进行比对筛选。结合井上井下相对位置和工艺流程，进行用地功能分区规划，在最终确定工业场地平面布置的基础上，完成煤矿适建区初选。传统的设计方式不仅会带来很多重复性的工作，在数据的采集、分析和处理上都会产生或多或少的误差，影响最终结果；并且无法以直观的方式，对适建区初选的过程和成果进行展示。

1.2 土方量计算

土方工程也是煤矿工程项目中十分重要的一部分，合理的场地平整设计不仅能够优化工业场地总平面布置，使工艺更加合理、流畅，也可以大量节省投资。现行的土方工程量计算方法有方格网法、断面法和等高线法。方格网法适用于较平坦的地形，断面法适用于起伏变化大的地形，等高线法适用于各种地形[1]。传统的三种计算方法均存在较多局限性并且计算繁琐，精度低，在复杂地形的计算中误差较大，无法实现土方量精准计算。

2 Surfer软件简介及功能

2.1 软件简介

Surfer软件是一款三维绘图软件，具有强大的插值功能和绘制图件能力，是用来处理地形数据的重要软件，可以制作基面图、数据点位图、分类数据图、等值线图、线框图、地形地貌图、趋势图、矢量图以及三维表面图等。Surfer软件可以提供11种数据网格化方法，包含几乎所有流行的数据统计计算方法，同时也可提供各种流行图形图像文件格式的输入输出接口以及各大GIS软件文件格式的输入输出接口[2]，大大方便了文件和数据的交流和交换以及新版的脚本编辑引擎，使自动化功能得到极大地加强[3]。

2.2 软件功能

Surfer软件功能强大，尤其在等高线领域，可以制作等值线图、地形地貌图和三维表面图等[4]。即使原始数据是不等间距的，依然可以用它做出完整流畅的三维图形，实现三维可视化[5]。三维立体渲染图是地形图信息的重要组成部分，它反映了地形的立体形态，模拟了地形的表面灰度，视觉效果非常直观。用户可以根据不同的需要，对于同一个地形形态作各种不同形式的立体显示。因此，它是进行地理要素空间特征分析的强大工具，可以从总体上把握研究对象的空间变化特征，在测绘、水文、环境、气象和规划等领域都有广泛应用[6]。

3 应用实例

3.1 项目工程背景

项目位置：横沟矿井位于陕西省榆林地区东南部吴堡县境内。矿井井田属黄土丘陵区，受水流长期侵蚀，形成极其复杂的地形，沟谷深切梁塬，形成千沟万壑，地面支离破碎，起伏较大，地势整体由西北向东南倾斜，海拔高度600～1 200 m，沟底至峁顶相对高差150～400 m。

项目布置：横沟矿井按照矿区总体规划批复，设计规模为3.0 Mt/a，采用矿井及选煤厂联合工业场地布置，按照《煤矿工业项目建设用地指标——矿井、选煤厂、筛选厂及矿区辅助设施部分》(2009)的要求，煤矿工业场地围墙内占地面积0.209 km2，其中矿井占地0.172 km2。通过井上、井下建设条件的综合对比分析，拟定工业场地场址位于本井田东南边缘的横沟村北部，东临黄河，该区地形为低山丘陵地貌起伏较大。该场地南距横沟乡1 km，自然高程为+680～+730 m，向南有沿黄公路通向横沟乡和吴堡县城。

3.2 煤矿适建区初选

拟定方案：矿井工业场地根据井下开拓布局的要求，结合工艺布置，拟定在位于槐树南沟南部沟口处，该区总体地势为北部高南部低，中部自然地形最高处为+730.00 m，场地南部最低处自然地形标高为+660.00 m，东侧0.5 km处为黄河滩地，自然地形标高为+655.00 m。建设用地范围内自北向南有四条冲沟，从场地西侧向东侧通过，最终合并为一条较大冲沟后流入黄河。四条冲沟沟底高程分别为689.00 m、688.00 m、687.00 m和690.00 m，最终合并冲沟沟底高程为660.00 m。分水岭塬顶的高程为750.00 m，高差最大处65 m。该区自然坡度为0%～30%，本区自然地形复杂，坡度变化较大，且无明显规律可寻。因此要直接在此处确定符合建设用地要求的工业场地，并尽量减少土方量、实现填挖平衡是比较困难的。因此需要应用Surfer软件，通过建立可视化的三维地形图，有效直观地进行场地分析，从而实现煤矿适建区初选，并为工业场地平面和竖向设计提供支持和帮助。

原始地形处理：先对横沟煤矿拟建场地实测的1∶1 000数字化地形图进行离散点导出，再将导出的9 800多个离散点形成X、Y、Z文件格式的数据库。而后应用Surfer软件，将数据库存储的离散采样高程点转换成格网数据，通过表面图命令将这些网格数据转化为横沟场地原始地形的可视化三维模型图，真实地反映实际地形地貌，最后插入等值线图，使模型能更加清晰、直观，如图1所示。

图1 格网数据模型

工业场地用地初选：在Surfer软件生成的横沟场地原始地形三维模型上，可以直观地进行场地分析，绿色区域为自然地形坡度0%～5%之间的用地，黄色区域为自然地形坡度5%～20%之间的用地。按照煤矿建设用地对场地坡度的要求，0%～20%之间均为可利用建设用地范围，模型中蓝色区域的自然地形坡度大于20%的为不可利用的建设用地。特别注意的是格网数据代表由最大、最小值构成的矩形区域。根据横沟煤矿工业场地初选用地边界的15个拐点坐标，编辑生成边界文件，同时形成格网数据。最后运用数据“白化”功能将工业场地外的区域不予显示，将形成的初选范围在表面图中显示出来即为横沟工业场地用地范围。

精细化处理初选的建设用地：要进行精细化处理初选的适宜建设用地就要结合工业场地布置方案，横沟煤矿地面布置遵循集中统一、专业化协作、科学管理和提高效力的原则，达到地面设施简单合理、有利生产、方便生活、投资省、占地少、压煤少及环境优美的目标。将矿井工业场地根据建筑物的功能、性质，利用道路划分为4个功能区：主井及主要生产区、副井及辅助生产区、风井及风井设施区和行政办公区。

功能区布置：本次设计依据场区的自然地形条件，并结合工业场地与外部公路的连接条件，本着尽量减少土方工程量的前提，竖向布置采用台阶式布置。工业场地分为两个台阶，主要生产区及辅助生产区布置在工业场地最高台阶+687.00～+695.00 m上；行政办公区布置于+678.00～+680.00 m台阶上，高于东部河滩地的自然高程。工业场地最大挖方高度为40.00 m，最大填方深度为11.00 m。

平面布置优化：通过建设用地合理性分析后，将自然地形坡度20%以下的用地，通过平面布置优化，将自然地貌改造成适宜的工业建设用地。将工业场地坡度调整为5‰～8‰，将行政办公区坡度调整为5‰～15‰。同时在行政办公区和工业区之间有8 m高程的台阶。通过工业场地布置在初选适宜建设的工业场地用地范围内进行反复比选，最终确定工业场地用地范围，如图2所示。

3.3 土方量精准计算

精准计算的必要性：煤矿建设项目的竖向设计、基坑开挖、场平设计等环节中都有土方工程设计和土方量的计算问题，它是一项常见且重要的工程指标，也是场地设计的开端。常规的土方量计算方法不具备三维可视化功能，在直观性方面大打折扣[7-8]，也容易产生计算精度偏差的问题。因此，有必要对土方精准计算及三维可视化方法进行实际应用解决上述问题。

建立三维图形：将横沟工业场地的初选设计面数据导成格网数据形成的工业场地设计面的三维图形，由于横沟场地原始地形自然坡度较大，初选区填挖高差达40 m，故采用分台阶的平面布置形式，所以对两个高程平面应该分别进行设计面的数据导入，最后通过覆盖地图命令将所有导入数据的表面图合并，也可根据项目的需要多次合并生成地图，最终形成横沟工业场地设计面与自然地形完美结合三维模型。与此同时，Surfer软件的图形叠合功能更是能将场地平整前后的2个三维表面在同一坐标系下进行叠合、比对，增加了设计方案演示的直观性。

图2 横沟煤矿建设用地范围三维模型与传统二维地形图对比

计算结果：利用Surfer软件叠合上文得出的横沟工业场地设计面和适宜建设用地的地形图，同步进行白化处理。将两个网型结构一致、网格间距统一的格网三维面，采用辛普森规则、辛普森3/8规则和梯形规则计算出三维面所构成的空间体积，最终土方量成果取三者的平均值[9-12]。工业场地最大挖方高度为40.00 m、最大填方深度为11.00 m，土方工程填方量110.10万m3、挖方量160.70万m3。场地内以挖作填，多余土方用于场外道路路基填方使用，如图3所示。

图3 横沟煤矿场平设计三维效果图

4 结语

工业场地适建区的初选及土方量的精确计算是煤矿设计工作的开篇之重，引入Surfer软件在此过程可实现三维可视化模型演示，更精准的还原地形、地貌，直观的认知和准确的决策，最大程度减少误差。使设计过程有理有据、设计成果可靠可信、设计周期明显缩短，大幅提高设计从业者的设计水平。对比传统设计方式更加直观，对不同专业、不同领域、不同层次的从业者都有很强的指导作用。三维可视化是未来工程建设领域的必要手段和表达方式，利用Surfer软件能够更科学、更合理地分析场地进行适建区的初选与土方量计算，同时可以反复试算土方平衡，已达到最佳场平设计方案。因此，在未来煤矿设计中，Surfer软件的应用会更加广泛，对总图设计中的场地信息化导入、建筑设计的单体的三维可视化表达、煤矿工艺流程的动态演示、项目施工及运行过程的全跟踪，均可实现三维信息化的模型建立，并利用数据库和模型的随意切换进行信息管理与监控，对煤矿设计行业有着十分重要的意义。