基于Surfer軟件的煤礦適建區初選及土方量精準計算

高智偉

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著大數據、信息化時代的到來，煤炭行業也得到了長足的發展，傳統的設計方法與表達方式都已經無法滿足當今時代的需求，行業的發展對設計從業者提出了更高的要求，煤礦工業場地適建區選擇及土方量計算中出現的問題日益凸顯，且亟需解決。隨著新技術、新方法的不斷更新，設計從業者需要從各個方面探尋新的解決途徑，采用更多更好數字化的手段，對建設項目設計過程和成果進行三維可視化展示和應用，減少設計誤差，提高設計水平。

1 適建區初選及土方量計算的設計現狀

1.1 煤礦適建區初選

煤礦工程建設項目中進行煤礦工業場地適建區初選，是煤礦設計工作的開端。傳統設計方式是先通過對數字化地形圖中自然地形高程和水平距離的多次驗算，從而得出地形的自然坡度后，通過分析自然坡度的大小，結合相近坡度的場地面積，進一步推斷合理的建設用地范圍。將坡度大于20%的作為不可用建設用地，再在小于20%的可利用建設用地上進行比對篩選。結合井上井下相對位置和工藝流程，進行用地功能分區規劃，在最終確定工業場地平面布置的基礎上，完成煤礦適建區初選。傳統的設計方式不僅會帶來很多重復性的工作，在數據的采集、分析和處理上都會產生或多或少的誤差，影響最終結果；并且無法以直觀的方式，對適建區初選的過程和成果進行展示。

1.2 土方量計算

土方工程也是煤礦工程項目中十分重要的一部分，合理的場地平整設計不僅能夠優化工業場地總平面布置，使工藝更加合理、流暢，也可以大量節省投資。現行的土方工程量計算方法有方格網法、斷面法和等高線法。方格網法適用于較平坦的地形，斷面法適用于起伏變化大的地形，等高線法適用于各種地形[1]。傳統的三種計算方法均存在較多局限性并且計算繁瑣，精度低，在復雜地形的計算中誤差較大，無法實現土方量精準計算。

2 Surfer軟件簡介及功能

2.1 軟件簡介

Surfer軟件是一款三維繪圖軟件，具有強大的插值功能和繪制圖件能力，是用來處理地形數據的重要軟件，可以制作基面圖、數據點位圖、分類數據圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢圖、矢量圖以及三維表面圖等。Surfer軟件可以提供11種數據網格化方法，包含幾乎所有流行的數據統計計算方法，同時也可提供各種流行圖形圖像文件格式的輸入輸出接口以及各大GIS軟件文件格式的輸入輸出接口[2]，大大方便了文件和數據的交流和交換以及新版的腳本編輯引擎，使自動化功能得到極大地加強[3]。

2.2 軟件功能

Surfer軟件功能強大，尤其在等高線領域，可以制作等值線圖、地形地貌圖和三維表面圖等[4]。即使原始數據是不等間距的，依然可以用它做出完整流暢的三維圖形，實現三維可視化[5]。三維立體渲染圖是地形圖信息的重要組成部分，它反映了地形的立體形態，模擬了地形的表面灰度，視覺效果非常直觀。用戶可以根據不同的需要，對于同一個地形形態作各種不同形式的立體顯示。因此，它是進行地理要素空間特征分析的強大工具，可以從總體上把握研究對象的空間變化特征，在測繪、水文、環境、氣象和規劃等領域都有廣泛應用[6]。

3 應用實例

3.1 項目工程背景

項目位置：橫溝礦井位于陜西省榆林地區東南部吳堡縣境內。礦井井田屬黃土丘陵區，受水流長期侵蝕，形成極其復雜的地形，溝谷深切梁塬，形成千溝萬壑，地面支離破碎，起伏較大，地勢整體由西北向東南傾斜，海拔高度600～1 200 m，溝底至峁頂相對高差150～400 m。

項目布置：橫溝礦井按照礦區總體規劃批復，設計規模為3.0 Mt/a，采用礦井及選煤廠聯合工業場地布置，按照《煤礦工業項目建設用地指標——礦井、選煤廠、篩選廠及礦區輔助設施部分》(2009)的要求，煤礦工業場地圍墻內占地面積0.209 km2，其中礦井占地0.172 km2。通過井上、井下建設條件的綜合對比分析，擬定工業場地場址位于本井田東南邊緣的橫溝村北部，東臨黃河，該區地形為低山丘陵地貌起伏較大。該場地南距橫溝鄉1 km，自然高程為+680～+730 m，向南有沿黃公路通向橫溝鄉和吳堡縣城。

3.2 煤礦適建區初選

擬定方案：礦井工業場地根據井下開拓布局的要求，結合工藝布置，擬定在位于槐樹南溝南部溝口處，該區總體地勢為北部高南部低，中部自然地形最高處為+730.00 m，場地南部最低處自然地形標高為+660.00 m，東側0.5 km處為黃河灘地，自然地形標高為+655.00 m。建設用地范圍內自北向南有四條沖溝，從場地西側向東側通過，最終合并為一條較大沖溝后流入黃河。四條沖溝溝底高程分別為689.00 m、688.00 m、687.00 m和690.00 m，最終合并沖溝溝底高程為660.00 m。分水嶺塬頂的高程為750.00 m，高差最大處65 m。該區自然坡度為0%～30%，本區自然地形復雜，坡度變化較大，且無明顯規律可尋。因此要直接在此處確定符合建設用地要求的工業場地，并盡量減少土方量、實現填挖平衡是比較困難的。因此需要應用Surfer軟件，通過建立可視化的三維地形圖，有效直觀地進行場地分析，從而實現煤礦適建區初選，并為工業場地平面和豎向設計提供支持和幫助。

原始地形處理：先對橫溝煤礦擬建場地實測的1∶1 000數字化地形圖進行離散點導出，再將導出的9 800多個離散點形成X、Y、Z文件格式的數據庫。而后應用Surfer軟件，將數據庫存儲的離散采樣高程點轉換成格網數據，通過表面圖命令將這些網格數據轉化為橫溝場地原始地形的可視化三維模型圖，真實地反映實際地形地貌，最后插入等值線圖，使模型能更加清晰、直觀，如圖1所示。

圖1 格網數據模型

工業場地用地初選：在Surfer軟件生成的橫溝場地原始地形三維模型上，可以直觀地進行場地分析，綠色區域為自然地形坡度0%～5%之間的用地，黃色區域為自然地形坡度5%～20%之間的用地。按照煤礦建設用地對場地坡度的要求，0%～20%之間均為可利用建設用地范圍，模型中藍色區域的自然地形坡度大于20%的為不可利用的建設用地。特別注意的是格網數據代表由最大、最小值構成的矩形區域。根據橫溝煤礦工業場地初選用地邊界的15個拐點坐標，編輯生成邊界文件，同時形成格網數據。最后運用數據“白化”功能將工業場地外的區域不予顯示，將形成的初選范圍在表面圖中顯示出來即為橫溝工業場地用地范圍。

精細化處理初選的建設用地：要進行精細化處理初選的適宜建設用地就要結合工業場地布置方案，橫溝煤礦地面布置遵循集中統一、專業化協作、科學管理和提高效力的原則，達到地面設施簡單合理、有利生產、方便生活、投資省、占地少、壓煤少及環境優美的目標。將礦井工業場地根據建筑物的功能、性質，利用道路劃分為4個功能區：主井及主要生產區、副井及輔助生產區、風井及風井設施區和行政辦公區。

功能區布置：本次設計依據場區的自然地形條件，并結合工業場地與外部公路的連接條件，本著盡量減少土方工程量的前提，豎向布置采用臺階式布置。工業場地分為兩個臺階，主要生產區及輔助生產區布置在工業場地最高臺階+687.00～+695.00 m上；行政辦公區布置于+678.00～+680.00 m臺階上，高于東部河灘地的自然高程。工業場地最大挖方高度為40.00 m，最大填方深度為11.00 m。

平面布置優化：通過建設用地合理性分析后，將自然地形坡度20%以下的用地，通過平面布置優化，將自然地貌改造成適宜的工業建設用地。將工業場地坡度調整為5‰～8‰，將行政辦公區坡度調整為5‰～15‰。同時在行政辦公區和工業區之間有8 m高程的臺階。通過工業場地布置在初選適宜建設的工業場地用地范圍內進行反復比選，最終確定工業場地用地范圍，如圖2所示。

3.3 土方量精準計算

精準計算的必要性：煤礦建設項目的豎向設計、基坑開挖、場平設計等環節中都有土方工程設計和土方量的計算問題，它是一項常見且重要的工程指標，也是場地設計的開端。常規的土方量計算方法不具備三維可視化功能，在直觀性方面大打折扣[7-8]，也容易產生計算精度偏差的問題。因此，有必要對土方精準計算及三維可視化方法進行實際應用解決上述問題。

建立三維圖形：將橫溝工業場地的初選設計面數據導成格網數據形成的工業場地設計面的三維圖形，由于橫溝場地原始地形自然坡度較大，初選區填挖高差達40 m，故采用分臺階的平面布置形式，所以對兩個高程平面應該分別進行設計面的數據導入，最后通過覆蓋地圖命令將所有導入數據的表面圖合并，也可根據項目的需要多次合并生成地圖，最終形成橫溝工業場地設計面與自然地形完美結合三維模型。與此同時，Surfer軟件的圖形疊合功能更是能將場地平整前后的2個三維表面在同一坐標系下進行疊合、比對，增加了設計方案演示的直觀性。

圖2 橫溝煤礦建設用地范圍三維模型與傳統二維地形圖對比

計算結果：利用Surfer軟件疊合上文得出的橫溝工業場地設計面和適宜建設用地的地形圖，同步進行白化處理。將兩個網型結構一致、網格間距統一的格網三維面，采用辛普森規則、辛普森3/8規則和梯形規則計算出三維面所構成的空間體積，最終土方量成果取三者的平均值[9-12]。工業場地最大挖方高度為40.00 m、最大填方深度為11.00 m，土方工程填方量110.10萬m3、挖方量160.70萬m3。場地內以挖作填，多余土方用于場外道路路基填方使用，如圖3所示。

圖3 橫溝煤礦場平設計三維效果圖

4 結語

工業場地適建區的初選及土方量的精確計算是煤礦設計工作的開篇之重，引入Surfer軟件在此過程可實現三維可視化模型演示，更精準的還原地形、地貌，直觀的認知和準確的決策，最大程度減少誤差。使設計過程有理有據、設計成果可靠可信、設計周期明顯縮短，大幅提高設計從業者的設計水平。對比傳統設計方式更加直觀，對不同專業、不同領域、不同層次的從業者都有很強的指導作用。三維可視化是未來工程建設領域的必要手段和表達方式，利用Surfer軟件能夠更科學、更合理地分析場地進行適建區的初選與土方量計算，同時可以反復試算土方平衡，已達到最佳場平設計方案。因此，在未來煤礦設計中，Surfer軟件的應用會更加廣泛，對總圖設計中的場地信息化導入、建筑設計的單體的三維可視化表達、煤礦工藝流程的動態演示、項目施工及運行過程的全跟蹤，均可實現三維信息化的模型建立，并利用數據庫和模型的隨意切換進行信息管理與監控，對煤礦設計行業有著十分重要的意義。