露天礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方案探究

鄧志強(qiáng)

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘測(cè)設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽 550000）

1 傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模式和方法

多年來，測(cè)繪部門通過全站儀及RTK對(duì)露天礦山進(jìn)行全面的地形測(cè)繪，利用全站儀免棱鏡功能對(duì)采剝面采集開采數(shù)據(jù)。通過南方CASS對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算礦體保有資源儲(chǔ)量，已開采資源量[1]。

一般的計(jì)算方法歸納為兩種：①通過垂直斷面法估算資源量Q=V＊D＊(1-J)(Q∶礦石儲(chǔ)量V∶塊段體積J∶塊段礦體的平均夾石率D∶礦石體重)，其中：當(dāng)相鄰兩水平斷面面積差（S1-S2）/S1＜40%時(shí)，用梯形公式計(jì)算體積，其公式為：V=(S1+S2)＊H/2；當(dāng)相鄰兩水平斷面面積差（S1-S2）/S1＞40%時(shí)，用截椎體公式計(jì)算體積，其公式為：V=(S1+S2+√S1＊S2)＊H/3；式中 ：S1、S2為礦體水平斷面面積；H為相鄰兩水平斷面間的距離。②通過南方CASS的土石方計(jì)算軟件，將反映礦山特征信息的高程點(diǎn)建模生成方格網(wǎng)，通過軟件計(jì)算礦體體積[2]。

以上兩種計(jì)算方法都必須基于前期對(duì)礦山進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量，采集充分反映礦山開采情況的測(cè)量數(shù)據(jù)。方法1相對(duì)方法2的計(jì)算結(jié)果更為概略，對(duì)礦山的開采邊坡的局部細(xì)節(jié)數(shù)學(xué)建模不充分，加之礦山資源的日益稀缺，已經(jīng)無法滿足日益嚴(yán)格和精確的儲(chǔ)量管理任務(wù)。方法二必須基于可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)提出很高的要求；而且CASS的成圖和計(jì)算等成果不夠直觀，不便于監(jiān)管部門和礦方直觀地了解礦山開采情況。

2 新興測(cè)量技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生

露天礦山的儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作的特殊性：①工作重復(fù)性大，造成測(cè)量工作效率低下。對(duì)于露天礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，必須摸清兩次監(jiān)測(cè)期間的礦體開采變化區(qū)域，由于任務(wù)的特殊性，加之從礦方收集的信息不一定可靠，要求監(jiān)測(cè)人員每次監(jiān)測(cè)都必須對(duì)整個(gè)礦山進(jìn)行全面的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集。②采掘面不規(guī)整，常規(guī)測(cè)量手段對(duì)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)采集不好判斷。露天礦山采掘面爛石嶙峋，常規(guī)的全站儀測(cè)量手段無法均勻無死角地覆蓋所有特征點(diǎn)，直接影響儲(chǔ)量計(jì)算可靠性。③露天礦產(chǎn)采掘面邊坡陡峭、山體不穩(wěn)定，測(cè)量人員安全得不到保障。很多采面是測(cè)量人員無法到達(dá)的，造成采集的數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，無法滿足儲(chǔ)量計(jì)算要求[3]。

由于傳統(tǒng)測(cè)量手段的局限性，三維激光掃描技術(shù)在露天礦山的測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是一種新型的非接觸式空間信息測(cè)量技術(shù)，在短時(shí)間內(nèi)獲取測(cè)量物大量三維數(shù)據(jù)，并且測(cè)量精度較高。三維激光掃描系統(tǒng)包括激光測(cè)距儀以及引導(dǎo)激光的反射棱鏡。激光測(cè)距儀通過主動(dòng)發(fā)射激光然后接收被測(cè)物體發(fā)射的激光對(duì)其進(jìn)行測(cè)距。對(duì)于每一個(gè)掃描點(diǎn)到可以根據(jù)所測(cè)斜距以及掃描時(shí)的水平角計(jì)算出掃描點(diǎn)與儀器的三維坐標(biāo)差，然后根據(jù)測(cè)站實(shí)際的三維坐標(biāo)反算出掃描點(diǎn)坐標(biāo)。

三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①數(shù)據(jù)采樣率高、高分辨率、高精度。設(shè)備可根據(jù)礦體特點(diǎn)和測(cè)量要求設(shè)定掃描的間隔參數(shù)，最小掃描間隔可達(dá)3毫米，可以快速詳盡地測(cè)定復(fù)雜礦體三維信息。②提高工作效率。三維激光技術(shù)節(jié)省了大量的人力，由儀器自動(dòng)掃描采集數(shù)據(jù)，只需要人為選點(diǎn)搬站。

三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理：①點(diǎn)云配準(zhǔn)。由于露天礦山地形起伏較大，石塊密布，導(dǎo)致必須多角度布站。將掃描到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入儀器自帶的后處理系統(tǒng)中，對(duì)所有站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，使其位于同一坐標(biāo)系內(nèi)。②點(diǎn)云去噪。除去點(diǎn)云數(shù)據(jù)中由于某些環(huán)境因素的影響，比如行人和被測(cè)實(shí)體表面存在的缺陷等。③在不影響曲面重構(gòu)和保持一定精度的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，從而減少數(shù)據(jù)的處理量，提高處理速度。④數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

3 地理信息系統(tǒng)助力礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)管

通過激光三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)，獲得了進(jìn)行礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，接下來需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖件繪制。我們比較傳統(tǒng)的繪圖軟件是南方CASS，其便捷和強(qiáng)大的繪圖功能受到業(yè)界追捧。但隨著地理信息時(shí)代的到來，礦山資源的監(jiān)管對(duì)資源數(shù)據(jù)庫的建立、三維模型分析管理等方面提出要求，例如Arcgis等地理信息軟件更方便我們建立各個(gè)時(shí)間的礦產(chǎn)資源動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，可以更好地查詢、管理和分析數(shù)據(jù)，還能完成礦山儲(chǔ)量的三維模型構(gòu)建，使得測(cè)繪數(shù)據(jù)更加直觀形象。

下面簡(jiǎn)單介紹我們?nèi)绾芜\(yùn)用Arcgis開展儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分兩個(gè)部分的內(nèi)容：①礦山的越層越界分析。②礦山的儲(chǔ)量計(jì)算。TXT文件通過（創(chuàng)建要素類）——（從XY表）；(空間分析)——（柵格插值）——（克里金法）按照高程值生成柵格灰度圖。將第一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存為Kriging_a，第二次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存為Kriging_b。

創(chuàng)建兩個(gè)面：一個(gè)面由采礦證法定開采坐標(biāo)構(gòu)成，一個(gè)面為實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)采集范圍線(DATA MANAGEMENT TOOLS)——要素——最小邊界幾何。

（1）越界分析。兼顧前后兩次的高程灰度圖，勾繪前后兩次共有開采邊界，此邊界即為開采變化區(qū)域，疊合礦區(qū)法定開采區(qū)分析，即可判斷礦山是否有越界開采情況。使用Arcgis中（空間分析）工具中的（提取分析工具），以開挖邊界為（掩膜），提取出開挖邊界內(nèi)的高程灰度圖。通過Arcgis（三維分析）工具中的（由柵格轉(zhuǎn)出）生成第一次掃描的TIN數(shù)字高程模型。使用ArcScene軟件，打開上述生成的TIN數(shù)字高程模型文件，通過3D分析中的（由TIN轉(zhuǎn)出）獲取到TIN的范圍邊界，根據(jù)范圍邊界要素的各折線高程，拉伸周圍邊界，同時(shí)將底部的范圍面要素設(shè)置基本高程，即可獲取到第一次掃描的立體三維模型。將礦山法定最低開采面疊加進(jìn)去分析，很直觀地看出開采區(qū)域是否超越法定最低開采面作業(yè)。

（2）動(dòng)用資源儲(chǔ)量計(jì)算。使用Arcgis(3D分析)工具中的（柵格表面）工具集，使用（填挖方）工具，得到兩次的填挖方數(shù)據(jù)。

礦山監(jiān)管正在從二維監(jiān)管向三維監(jiān)管方向邁進(jìn)，Arcgis等地理信息軟件近些年得到廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)大的空間分析和處理能力能夠更直觀地分析和反映礦山資源量的變化。而且在基礎(chǔ)信息建立之后，可以根據(jù)需要生成數(shù)據(jù)成果，例如礦山采面臺(tái)階圖，可以方便安全監(jiān)管。