露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程土石方量計(jì)算方法簡介

張家蓮，劉宇瀟

（華東冶金地質(zhì)勘查局綜合地質(zhì)大隊(duì)，安徽 馬鞍山 243000）

露天開采作為針對地表礦體和淺層礦體的經(jīng)濟(jì)、高效的開采方式，在中國乃至世界的礦產(chǎn)開發(fā)歷史上一直占有舉足輕重的地位。但由于其整個礦產(chǎn)開發(fā)過程都始終暴露于地表，因此露天開采造成的地質(zhì)環(huán)境問題也是顯而易見的，且對人類社會的影響深遠(yuǎn)而悠久。

近年來，我國逐年加大力度整治露天礦山，《關(guān)于依法做好金屬非金屬礦山整頓工作的意見》、《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃》等文件相繼出臺，2012年～2018年間，全國各省、市、自治區(qū)的礦山數(shù)量都大幅度縮減，安徽省的礦山凈減率達(dá)到61%。隨之而來是大量的廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作，其中重要一項(xiàng)就是殘留邊坡的清理整平工作。邊坡清理工程設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是計(jì)算清理所產(chǎn)生的土石方量。土石方量的計(jì)算方法有很多，本文以安徽省和縣某露天礦山為例，對幾種常用的計(jì)算方法和相關(guān)軟件做簡單介紹。

1 案例概述

安徽省和縣某露天礦山以建筑石料用灰?guī)r為開采礦種，開采歷史近二十年。2016年，采礦權(quán)到期后閉坑。根據(jù)相關(guān)政策規(guī)定，礦山閉坑后應(yīng)開展礦山地質(zhì)環(huán)境治理。其中，區(qū)內(nèi)有一處殘留的開采邊坡需要清理并整平，為該地塊土地復(fù)墾打基礎(chǔ)。

該殘留邊坡坡腳圈界面積7858.30m2，坡頂最大標(biāo)高+73.77m，坡底最低標(biāo)高+57.82m。設(shè)計(jì)整平標(biāo)高+57m，本文對該清理工程的土石方量進(jìn)行計(jì)算。

2 計(jì)算方法

2.1 平行斷面法

平行斷面法是較為傳統(tǒng)的計(jì)算方法，其在礦產(chǎn)資源儲量計(jì)算中的應(yīng)用尤其廣泛。具體方法就是用剖面線將坡體垂直分割為若干個塊段，再利用幾何公式分別計(jì)算各個塊段的體積，再將各塊段的體積相加，即是坡體清理的總土石方量（圖1、表1）。

表1 計(jì)算結(jié)果表

該方法的原理是將坡體概化為規(guī)則的幾何圖形，但實(shí)際上邊坡表面往往并不規(guī)則，走向、高差等變化很大。因此，需要采用加密剖面線、調(diào)整剖面線角度等方法來提高計(jì)算精確度。

圖2 三角剖分法計(jì)算

2.2 方格網(wǎng)法

方格網(wǎng)法是近年來工程計(jì)算中較常用的方法，該方法是將坡體劃分成若干個正方形格網(wǎng)，然后計(jì)算每個四棱柱的體積，再將所有四棱柱的體積相加即得到總土石方量。

常用的計(jì)算軟件是南方CASS，利用等高線、高程點(diǎn)等數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)DTM，再利用軟件的方格網(wǎng)法進(jìn)行計(jì)算。

該方法適用于大面積的土石方估算以及一些地形起伏較小、坡度變化平緩的場地。如場地起伏過大，則會影響計(jì)算的精確度。另外，軟件擁有多種插值方法來建立三角網(wǎng)DTM，不同方法的插值結(jié)果可能會有較大差距，從而影響最終的方量計(jì)算。因此，準(zhǔn)確掌握場地情況、加密高程數(shù)據(jù)量、選擇合適的計(jì)算方法等可以有效地提高計(jì)算精確度。

2.3 三角剖分法

與上文的方格網(wǎng)法類型，同樣是利用高程數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)DTM，將坡體劃分為若干三角形網(wǎng)格，然后計(jì)算每個三角棱柱的體積，再將所有三角棱柱的體積相加即得到總土石方量。

所對應(yīng)的計(jì)算軟件是MapGIS，其空間分析模塊、DTM分析子模塊中擁有三角剖分法計(jì)算功能。通過導(dǎo)入等高線或高程點(diǎn)文件、提取高程數(shù)據(jù)、生成三角剖分網(wǎng)、蓄積量/表面積計(jì)算等一系列操作，得到土石方量（圖2）。

該方法同樣適用于地形起伏較小、坡度變化平緩的場地。如場地起伏過大，則需要加密高程數(shù)據(jù)來提高精度，防止插值異常。另外，MapGIS不同的插值方法、網(wǎng)格化密度等也都影響著計(jì)算結(jié)果。因此，高程數(shù)據(jù)量、合適的計(jì)算方法等是提高計(jì)算精確度的有效手段。

3 結(jié)語

從上文各種方法的計(jì)算結(jié)果上看，方格網(wǎng)法和三角剖分法較為接近，因?yàn)閮烧唠m然剖分方法不同，但原理類似。而傳統(tǒng)的平行剖面法，概化程度較高，對地形變化的細(xì)節(jié)忽略得較多，這可能是造成計(jì)算結(jié)果差距較大的原因。通過加密高程點(diǎn)、計(jì)算剖面線等手段能夠有效地提高結(jié)算結(jié)果的精確度。然而，并不能說明方格網(wǎng)法和三角剖分法的計(jì)算結(jié)果就是準(zhǔn)確的土石方量，需要通過熟練掌握計(jì)算原理和軟件操作后，嘗試各種不同的插值方法、剖分密度等手段，反復(fù)驗(yàn)證，最終得到相對準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

總之，方量計(jì)算方法多種多樣，每種方法都有其獨(dú)特的學(xué)科背景、理論基礎(chǔ)、概化條件、適用范圍和精度范圍，因而各種方法之間的相關(guān)性、可比性和可檢驗(yàn)性比較復(fù)雜。因此，在計(jì)算土方量時，可根據(jù)治理場地的實(shí)際情況，結(jié)合各種方法的特點(diǎn)，選取合適的計(jì)算方法。