露天礦山儲量動態監測的方案探究

鄧志強

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局地質勘測設計院，貴州 貴陽 550000）

1 傳統動態監測模式和方法

多年來，測繪部門通過全站儀及RTK對露天礦山進行全面的地形測繪，利用全站儀免棱鏡功能對采剝面采集開采數據。通過南方CASS對采集數據進行處理，計算礦體保有資源儲量，已開采資源量[1]。

一般的計算方法歸納為兩種：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：當相鄰兩水平斷面面積差（S1-S2）/S1＜40%時，用梯形公式計算體積，其公式為：V=(S1+S2)＊H/2；當相鄰兩水平斷面面積差（S1-S2）/S1＞40%時，用截椎體公式計算體積，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的土石方計算軟件，將反映礦山特征信息的高程點建模生成方格網，通過軟件計算礦體體積[2]。

以上兩種計算方法都必須基于前期對礦山進行詳細的測量，采集充分反映礦山開采情況的測量數據。方法1相對方法2的計算結果更為概略，對礦山的開采邊坡的局部細節數學建模不充分，加之礦山資源的日益稀缺，已經無法滿足日益嚴格和精確的儲量管理任務。方法二必須基于可靠的測量數據，對測量數據提出很高的要求；而且CASS的成圖和計算等成果不夠直觀，不便于監管部門和礦方直觀地了解礦山開采情況。

2 新興測量技術的應運而生

露天礦山的儲量動態監測工作的特殊性：①工作重復性大，造成測量工作效率低下。對于露天礦山動態監測，必須摸清兩次監測期間的礦體開采變化區域，由于任務的特殊性，加之從礦方收集的信息不一定可靠，要求監測人員每次監測都必須對整個礦山進行全面的現狀數據采集。②采掘面不規整，常規測量手段對特征點數據采集不好判斷。露天礦山采掘面爛石嶙峋，常規的全站儀測量手段無法均勻無死角地覆蓋所有特征點，直接影響儲量計算可靠性。③露天礦產采掘面邊坡陡峭、山體不穩定，測量人員安全得不到保障。很多采面是測量人員無法到達的，造成采集的數據嚴重失真，無法滿足儲量計算要求[3]。

由于傳統測量手段的局限性，三維激光掃描技術在露天礦山的測量中得到廣泛應用。三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是一種新型的非接觸式空間信息測量技術，在短時間內獲取測量物大量三維數據，并且測量精度較高。三維激光掃描系統包括激光測距儀以及引導激光的反射棱鏡。激光測距儀通過主動發射激光然后接收被測物體發射的激光對其進行測距。對于每一個掃描點到可以根據所測斜距以及掃描時的水平角計算出掃描點與儀器的三維坐標差，然后根據測站實際的三維坐標反算出掃描點坐標。

三維激光掃描技術的優點：①數據采樣率高、高分辨率、高精度。設備可根據礦體特點和測量要求設定掃描的間隔參數，最小掃描間隔可達3毫米，可以快速詳盡地測定復雜礦體三維信息。②提高工作效率。三維激光技術節省了大量的人力，由儀器自動掃描采集數據，只需要人為選點搬站。

三維激光掃描儀的點云數據預處理：①點云配準。由于露天礦山地形起伏較大，石塊密布，導致必須多角度布站。將掃描到的數據導入儀器自帶的后處理系統中，對所有站點掃描數據進行坐標變換，使其位于同一坐標系內。②點云去噪。除去點云數據中由于某些環境因素的影響，比如行人和被測實體表面存在的缺陷等。③在不影響曲面重構和保持一定精度的情況下，對數據進行精簡，從而減少數據的處理量，提高處理速度。④數據導出。

3 地理信息系統助力礦山動態監管

通過激光三維激光掃描測繪技術，獲得了進行礦山儲量動態監測的基礎數據，接下來需要對數據進行處理和圖件繪制。我們比較傳統的繪圖軟件是南方CASS，其便捷和強大的繪圖功能受到業界追捧。但隨著地理信息時代的到來，礦山資源的監管對資源數據庫的建立、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時間的礦產資源動態數據庫，可以更好地查詢、管理和分析數據，還能完成礦山儲量的三維模型構建，使得測繪數據更加直觀形象。

下面簡單介紹我們如何運用Arcgis開展儲量動態監測工作。礦山儲量動態監測分兩個部分的內容：①礦山的越層越界分析。②礦山的儲量計算。TXT文件通過（創建要素類）——（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。將第一次監測數據保存為Kriging_a，第二次監測數據保存為Kriging_b。

創建兩個面：一個面由采礦證法定開采坐標構成，一個面為實際測量數據采集范圍線(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域，疊合礦區法定開采區分析，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），提取出開挖邊界內的高程灰度圖。通過Arcgis（三維分析）工具中的（由柵格轉出）生成第一次掃描的TIN數字高程模型。使用ArcScene軟件，打開上述生成的TIN數字高程模型文件，通過3D分析中的（由TIN轉出）獲取到TIN的范圍邊界，根據范圍邊界要素的各折線高程，拉伸周圍邊界，同時將底部的范圍面要素設置基本高程，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去分析，很直觀地看出開采區域是否超越法定最低開采面作業。

（2）動用資源儲量計算。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據。

礦山監管正在從二維監管向三維監管方向邁進，Arcgis等地理信息軟件近些年得到廣泛的應用，其強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。而且在基礎信息建立之后，可以根據需要生成數據成果，例如礦山采面臺階圖，可以方便安全監管。