数字建模技术在矿山开采验收计量中的实践

2024-01-15范立军刘鹏原

现代矿业 2023年12期

张军范立军刘鹏原

（本溪钢铁集团矿业有限责任公司）

近些年来国内矿山行业快速发展，露天开采矿山采剥总量大幅增加，矿山生产经营模式逐步向市场化转变，合同制采矿广为应用，企业效率、效益明显上升，按工序外委、全工序外委承包等模式运行良好。所以，一个矿山或采场有多个单位同时作业，各家单位的铲装、运输等单台设备需要分别计量结算，加之作业空间所限、多点配矿等，设备地点变动频繁，对验收计量及时性、准确性提出更高的要求。矿山传统的矿石量、岩石量验收计量模式为采用全站仪配合GPS-RTK测点（含台阶上、下沿和平盘标高），通过手工绘图后，按照台阶平均高度和平均面积来算量。在验收计算采剥量过程中，圈定面积时因相邻界线重叠造成增加计算面积或因相邻界线存在间隙而减少计算面积；台阶高度的选取会因人为因素和取点数有限而出现计算高度误差，往往导致实际采剥量积累偏差难以控制在行业规范的测量误差之内，直接影响到矿山生产合同双方的利益。为提高矿山开采矿石量、岩石量验收精度，引进数字建模技术，构建采场地质属性与空间属性于一体的多信息地形地质数字模型，达到相邻算量模型逐个无缝衔接的要求，实现逐次开采矿石、岩石体积无偏差计算的验收计量模式［1-4］。

1 传统计量方式的不足

（1）台阶上、下沿和求积仪面积计算误差。人工按比例尺在纸版上汇编台阶上、下沿时存在偏差，且每次的偏差没有规律性，无法纠偏，点距大时不能真正反映地形变化特点。加之在求积仪多次圈算面积取算术平均值，因轨迹存在偏差无法重合，偏差没有规律性也不能纠偏，致使相邻计量体间出现间隙或重合，形成计量误差长期积累。

（2）台阶上、下平盘平均标高误差。人工计算台阶平盘标高时，往往采用各测点标高的算术平均值，选取的测点越多越准确，但受台阶揭露的面积所限及人工取点数量所限，此方法计算的平均标高存在误差，导致最终计量偏差。

（3）地形复杂的特殊部位和采出量少的部位算量困难。如爆破前冲量、清扫平台上堆积量、平整场地计算填挖方量等特殊情况下，人工计算时选取的模型与实物形状偏差大，计量偏差也大。

（4）自动化程度低，效率低，时效性差。人工统计台阶报出生产量与剩余矿岩量工作量大，用时长，无法及时精准纠偏。

2 基于数字建模技术的验收计量

2.1 地形模型建立

矿山采场算量相关的图纸有台阶分层平面图、矿石量和岩石量采空区测量验收图、原始地形图。建立地形模型的方法是用激光扫描仪将相关图纸扫描成特定格式图片，再通过相应软件将图片按原图等比例进行修正，检验合格即形成初始数字化图。对数字化图上的地形线，地质线，台阶上、下沿线矢量化，并赋属性，建成采场台阶和采空区地形模型。

将台阶平盘高程导入地形模型，建立矿山采场台阶三维模型，矢量化后的数字化台阶是二维垂向投影图，反映台阶平面开采状态，用于计算开采台阶平盘的平面面积；接着利用相应软件将地表和台阶平盘的高程点依据相应比例尺批量标注到地形模型上，矢量化台阶的开采实际标高用于计算开采台阶的实际高度。至此建成达到数字建模计量要求的三维矿山台阶算量模型，如图1所示。

2.2 采剥量的计算

2.2.1 地形图绘制与更新

按台阶设计段高，在数字地形图上划分各个标准台阶，每个台阶图中包含终了境界台阶上、下沿线及标高。外业测量地形数据读取到数字台阶图上，形成完整的三维数字台阶模型图（图2）。每月测量验收开采的台阶，测量数据导入后对台阶数字图开采部位进行更新。再根据台阶分层图中地质界线（含矿、岩界线）的位置，将各台阶地质界线矢量化，标定到每个开采台阶的上、下平盘，形成数字图。在矿山生产中，根据生产勘探及时修正地质界线，满足矿山月、季、年开采量的计算工作和台阶剩余量的核验工作。

2.2.2 计算模型

结合实际开采部位的地形复杂程度，在软件中选择相应的计算模型。对地形较平坦部位采用水平截面模型计算开挖方量，如采场生产台阶；对地形起伏高差大的部位采用地形模型计算开挖方量，如矿山基建平整场地的部位、开采台阶靠近原始山坡地形的部位等。

（1）水平截面模型计算。水平截面模型计算公式为

式中，Q为矿岩量，t；Ss、Sx分别为开采台阶的上、下平盘面积，m2；h为台阶平均高度，m；ρ为矿岩的密度，t/m3。

（2）地形模型计算。用测点建立三维开挖地形模型，如图3 所示，通过开挖前后地形数字图的变化部分来直接计算开挖量。

2.2.3 计算参数

每个台阶从起始部位开采过程中，本台阶上平盘的标高已存储在台阶上平盘内，即共用上个台阶下平盘的测点标高。每月验收台阶开采部位的下平盘标高和台阶上、下沿线，当月验收的台阶上沿线与邻近已验收的本台阶上沿线形成闭合线，并自动计算验收台阶开采部位的上平盘面积，同理计算验收台阶开采部位的下平盘面积，分别用台阶上、下平盘开采闭合线内的全部测点标高自动计算出台阶平盘标高的算术平均值，用台阶上、下平盘标高的算术平均值的差求台阶开采部位的平均高度。台阶逐次开采部位相邻上、下沿的闭合线无缝衔接，直至开采到台阶终了境界线结束。

逐台阶对验收计算模型进行布尔运算，生成合并模型即布尔值，按照设计台阶的上、下平盘标准标高对布尔值进行切割，分别计算矿岩量，每部分的矿岩量计入相应设计台阶的开采量内。同时将验收的台阶根底量和超欠挖量也回归相应的设计台阶，实现按设计台阶统计开采量，直至台阶开采结束；同时，可以按时期对台阶开采矿岩量和剩余矿岩量与设计矿岩量对比，为矿山生产经营分析提供基础数据。

2.3 其他技术要点

2.3.1 更新地质界线

应用数字建模技术进行矿岩采剥量的计算需要及时和准确的地质素描，在坚持传统的矿山钻孔岩碴岩性分析描绘地质界线的基础上，研究采用开探槽方法准确控制台阶平盘地质界线，确保矿石与岩石界线以及不同岩石的界线准确，满足提高矿岩量计算精度要求。

2.3.2 创新测量技术

高效的测量验收计量工作是外业和内业两部分的有机结合。数字矿山建模技术在验收矿山采剥总量中的应用仅提升了内业的效率和精度，而外业是提高内业工作的基础。传统外业工作采用全站仪采集地表坐标点和高程数据，点间距为15 m，如遇到复杂地形（例如根底、偏墙、沟壑等），地形特征点测量难度大，对地形的特征描述精度有较大的提升空间。当前无人机搭载雷达航测技术已发展成熟，建议加快引进应用于现场测量工作，与内业数字建模技术相结合，实现及时准确计算开采量。

3 实例应用

在实例矿山校验中，整理出某年开采台阶的全部纸版图，分别采用数字建模技术和手工纸版图2种方式计算开采量。采用手工纸版图法依次按原月验收测量点和线，计算总开采量是3 308.5万t；用纸版图进行数字化和矢量化完成数字建模后，采用水平截面法计算全年开采矿岩量是3 262.4 万t，两者偏差比例是1.41%。

参照露天矿山地质测量技术相应规程，要求矿山剥岩量验收误差不超过±3%，矿石量不超过±4%。尽管本次实例的算量偏差在理想范围内，但面对大型矿山年采剥总量较大的基数，差值的绝对数值大，由此而产生的经济效益比较明显，进一步提高采剥总量的可控性和准确性是矿山各参与方的合理诉求。