高智偉

(中煤西安設(shè)計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

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

1 適建區(qū)初選及土方量計算的設(shè)計現(xiàn)狀

1.1 煤礦適建區(qū)初選

煤礦工程建設(shè)項目中進行煤礦工業(yè)場地適建區(qū)初選，是煤礦設(shè)計工作的開端。傳統(tǒng)設(shè)計方式是先通過對數(shù)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(jié)合相近坡度的場地面積，進一步推斷合理的建設(shè)用地范圍。將坡度大于20%的作為不可用建設(shè)用地，再在小于20%的可利用建設(shè)用地上進行比對篩選。結(jié)合井上井下相對位置和工藝流程，進行用地功能分區(qū)規(guī)劃，在最終確定工業(yè)場地平面布置的基礎(chǔ)上，完成煤礦適建區(qū)初選。傳統(tǒng)的設(shè)計方式不僅會帶來很多重復性的工作，在數(shù)據(jù)的采集、分析和處理上都會產(chǎn)生或多或少的誤差，影響最終結(jié)果；并且無法以直觀的方式，對適建區(qū)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(shè)計不僅能夠優(yōu)化工業(yè)場地總平面布置，使工藝更加合理、流暢，也可以大量節(jié)省投資。現(xiàn)行的土方工程量計算方法有方格網(wǎng)法、斷面法和等高線法。方格網(wǎng)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(tǒng)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(xiàn)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(shù)據(jù)的重要軟件，可以制作基面圖、數(shù)據(jù)點位圖、分類數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，包含幾乎所有流行的數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)據(jù)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(lǐng)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(tài)，模擬了地形的表面灰度，視覺效果非常直觀。用戶可以根據(jù)不同的需要，對于同一個地形形態(tài)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(huán)境、氣象和規(guī)劃等領(lǐng)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(qū)東南部吳堡縣境內(nèi)。礦井井田屬黃土丘陵區(qū)，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(qū)總體規(guī)劃批復，設(shè)計規(guī)模為3.0 Mt/a，采用礦井及選煤廠聯(lián)合工業(yè)場地布置，按照《煤礦工業(yè)項目建設(shè)用地指標——礦井、選煤廠、篩選廠及礦區(qū)輔助設(shè)施部分》(2009)的要求，煤礦工業(yè)場地圍墻內(nèi)占地面積0.209 km2，其中礦井占地0.172 km2。通過井上、井下建設(shè)條件的綜合對比分析，擬定工業(yè)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(qū)地形為低山丘陵地貌起伏較大。該場地南距橫溝鄉(xiāng)1 km，自然高程為+680～+730 m，向南有沿黃公路通向橫溝鄉(xiāng)和吳堡縣城。

3.2 煤礦適建區(qū)初選

擬定方案：礦井工業(yè)場地根據(jù)井下開拓布局的要求，結(jié)合工藝布置，擬定在位于槐樹南溝南部溝口處，該區(qū)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(cè)0.5 km處為黃河灘地，自然地形標高為+655.00 m。建設(shè)用地范圍內(nèi)自北向南有四條沖溝，從場地西側(cè)向東側(cè)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?shù)母叱虨?50.00 m，高差最大處65 m。該區(qū)自然坡度為0%～30%，本區(qū)自然地形復雜，坡度變化較大，且無明顯規(guī)律可尋。因此要直接在此處確定符合建設(shè)用地要求的工業(yè)場地，并盡量減少土方量、實現(xiàn)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(xiàn)煤礦適建區(qū)初選，并為工業(yè)場地平面和豎向設(shè)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(shù)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(shù)據(jù)庫。而后應用Surfer軟件，將數(shù)據(jù)庫存儲的離散采樣高程點轉(zhuǎn)換成格網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過表面圖命令將這些網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(wǎng)數(shù)據(jù)模型

工業(yè)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(qū)域為自然地形坡度0%～5%之間的用地，黃色區(qū)域為自然地形坡度5%～20%之間的用地。按照煤礦建設(shè)用地對場地坡度的要求，0%～20%之間均為可利用建設(shè)用地范圍，模型中藍色區(qū)域的自然地形坡度大于20%的為不可利用的建設(shè)用地。特別注意的是格網(wǎng)數(shù)據(jù)代表由最大、最小值構(gòu)成的矩形區(qū)域。根據(jù)橫溝煤礦工業(yè)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(wǎng)數(shù)據(jù)。最后運用數(shù)據(jù)“白化”功能將工業(yè)場地外的區(qū)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(yè)場地用地范圍。

精細化處理初選的建設(shè)用地：要進行精細化處理初選的適宜建設(shè)用地就要結(jié)合工業(yè)場地布置方案，橫溝煤礦地面布置遵循集中統(tǒng)一、專業(yè)化協(xié)作、科學管理和提高效力的原則，達到地面設(shè)施簡單合理、有利生產(chǎn)、方便生活、投資省、占地少、壓煤少及環(huán)境優(yōu)美的目標。將礦井工業(yè)場地根據(jù)建筑物的功能、性質(zhì)，利用道路劃分為4個功能區(qū)：主井及主要生產(chǎn)區(qū)、副井及輔助生產(chǎn)區(qū)、風井及風井設(shè)施區(qū)和行政辦公區(qū)。

功能區(qū)布置：本次設(shè)計依據(jù)場區(qū)的自然地形條件，并結(jié)合工業(yè)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(yè)場地分為兩個臺階，主要生產(chǎn)區(qū)及輔助生產(chǎn)區(qū)布置在工業(yè)場地最高臺階+687.00～+695.00 m上；行政辦公區(qū)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(yè)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(yōu)化：通過建設(shè)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(yōu)化，將自然地貌改造成適宜的工業(yè)建設(shè)用地。將工業(yè)場地坡度調(diào)整為5‰～8‰，將行政辦公區(qū)坡度調(diào)整為5‰～15‰。同時在行政辦公區(qū)和工業(yè)區(qū)之間有8 m高程的臺階。通過工業(yè)場地布置在初選適宜建設(shè)的工業(yè)場地用地范圍內(nèi)進行反復比選，最終確定工業(yè)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(shè)項目的豎向設(shè)計、基坑開挖、場平設(shè)計等環(huán)節(jié)中都有土方工程設(shè)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(shè)計的開端。常規(guī)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(chǎn)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(yè)場地的初選設(shè)計面數(shù)據(jù)導成格網(wǎng)數(shù)據(jù)形成的工業(yè)場地設(shè)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(qū)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(shè)計面的數(shù)據(jù)導入，最后通過覆蓋地圖命令將所有導入數(shù)據(jù)的表面圖合并，也可根據(jù)項目的需要多次合并生成地圖，最終形成橫溝工業(yè)場地設(shè)計面與自然地形完美結(jié)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(shè)計方案演示的直觀性。

圖2 橫溝煤礦建設(shè)用地范圍三維模型與傳統(tǒng)二維地形圖對比

計算結(jié)果：利用Surfer軟件疊合上文得出的橫溝工業(yè)場地設(shè)計面和適宜建設(shè)用地的地形圖，同步進行白化處理。將兩個網(wǎng)型結(jié)構(gòu)一致、網(wǎng)格間距統(tǒng)一的格網(wǎng)三維面，采用辛普森規(guī)則、辛普森3/8規(guī)則和梯形規(guī)則計算出三維面所構(gòu)成的空間體積，最終土方量成果取三者的平均值[9-12]。工業(yè)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(nèi)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(shè)計三維效果圖

4 結(jié)語

工業(yè)場地適建區(qū)的初選及土方量的精確計算是煤礦設(shè)計工作的開篇之重，引入Surfer軟件在此過程可實現(xiàn)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(shè)計過程有理有據(jù)、設(shè)計成果可靠可信、設(shè)計周期明顯縮短，大幅提高設(shè)計從業(yè)者的設(shè)計水平。對比傳統(tǒng)設(shè)計方式更加直觀，對不同專業(yè)、不同領(lǐng)域、不同層次的從業(yè)者都有很強的指導作用。三維可視化是未來工程建設(shè)領(lǐng)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(qū)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(shè)計方案。因此，在未來煤礦設(shè)計中，Surfer軟件的應用會更加廣泛，對總圖設(shè)計中的場地信息化導入、建筑設(shè)計的單體的三維可視化表達、煤礦工藝流程的動態(tài)演示、項目施工及運行過程的全跟蹤，均可實現(xiàn)三維信息化的模型建立，并利用數(shù)據(jù)庫和模型的隨意切換進行信息管理與監(jiān)控，對煤礦設(shè)計行業(yè)有著十分重要的意義。