三维可视技术在平果铝土矿复垦中的应用3

蒋　权1,2,陈建宏1,2,杨海洋1,3(1.中南大学资源与安全工程学院,　湖南长沙　410083;2.湖南省深部金属矿产开发与灾害控制重点实验室,　湖南长沙　410083;3.中国铝业广西分公司,　广西平果县　531400)

摘　要:露天矿开采过程破坏了原有的生态环境,造成矿区环境严重恶化。复垦设计在解决露天矿矿区环境再造中起到关键作用。以平果铝土矿采空区复垦为例,结合DIMINE矿业软件对复垦区进行三维建模,实现了复垦设计的可视化,宏观地反映了复垦区地表工程的整体空间布置情况和尺寸大小,弥补了利用CAD设计复垦施工图时表达失真的缺点,使得复垦设计更加准确形象,从而可更好地指导现场施工,对该矿山的环境治理和生态恢复具有重要意义。关键词:复垦设计;平果铝土矿;三维建模;环境治理;生态恢复中图分类号:TD679 文献标识码:A文章编号:1005-2763(2010)01-0077-04ApplicationofThree-DimensionalVisualTechnologyinReclamationofPingguoBauxiteMineJiangQuan1,2,ChenJianHong1,2,YangHaiyang1,3(1.SchoolofResourcesandSafetyengineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083,China;2.HunanKeyLaboratoryofMineralResourcesExploitationandHazardControlforDeepMetalMines,Changsha,Hunan410083,China;3.GuangxiBranchofChinaAluminumCo.Ltd,Pingguo,Guangxi531400,China)Abstract:Open-pitminingisabletodamagetheoriginaleco2logicalenvironment,resultinginseriousenvironmentaldeteriora2tionintheminingarea.Reclamationdesignplaysakeyroleinthesettlementofenvironmentrestorationofopen-pitminingar2ea.Takingthereclamationofmined-outareainPingguobaux2itemineasanexample,thethree-dimensionalmodelingofthereclamationareawascarriedoutbyusingsoftwareDIMINE,thevisualizationofreclamationdesignwasrealized,theoverallspacelayoutanddimensionofthesurfaceengineeringintherec2lamationareawerepresentedmacroscopically.ThismadeuptheshortcomingsofexpressivedistortionwhenusingCADtodrawreclamationconstruction,madereclamationdesignmoreaccurateandimage,thuscouldprovidebetterguidancetothefieldcon2struction,wasofthesignificancefortheenvironmentalimprove2mentandecologicalreconstructioninthemine.KeyWords:Reclamationdesign,Pingguobauxitemine,Three-dimensionalmodeling,Environmentalimprovement,Ecologicalreconstruction0　引　言露天矿开采产生的大量废石、废矿石的无序堆积,一定条件下易产生滑坡、泥石流等灾害,影响当地农业生产、交通运输,从而造成财产损失。而且其中所含一些有毒物质未经及时处理而下渗也会污染地下水体。同时,露天坑的开挖,破坏了周围的植被和土壤层,引起水土大量流失和土壤养分的缺失,对经济作物的生长极为不利。因此,通过分析矿山的环境现状,对采空区进行工程复垦,对已破坏和拟破坏土地进行治理恢复,对于促进矿区地质、生态环境的改善具有重要意义。长期以来,国内科研工作者在露天矿复垦领域做了大量工作,以广西平果铝土矿的研究成果最为显著。该矿山提出了一套“采准-回采-尾矿处理-采空区工程复垦-采空区生态快速重建”的一体化可持续发展模式,形成了适合该矿山独特地质特征的复垦技术体系。然而由于施工设计水平跟不上,传统CAD施工图无法满足现场复杂情况的需要,给复垦工作带来了很大的技术难题。针对这一问题,本文采用DIMINE软件进行复垦三维可视设计,对平果铝土矿的环境治理和生态重建具有一定的理论意义和现实意义。1　工程复垦设计的基础与缺陷1.1　矿区地质特征平果铝土矿属第四纪岩溶堆积型矿床,矿石主ISSN1005-2763CN43-1215/TD 矿业研究与开发第30卷第1期MINING　R&D,Vol.30,No.1 2010年2月Feb.2010

3收稿日期:2009-05-14基金项目:国家自然科学基金项目(50774092);全国优秀博士学位论文专项资金资助(200449).作者简介:蒋　权(1985-),男,湖南永州人,硕士研究生,从事金属矿山开采与灾害控制研究,Email:jins12@163.com。要赋存于第四纪下、中更新统的地层中,与紫红色胶状粘土混合在一起,素有“泥巴矿”之称,有矿的地方基本上都是可以耕种的土地。矿体形态复杂,连续性差,矿体极为分散,分布点多、面广;矿体顶板为腐植土及砂质粘土,依采场地势各处的厚薄不均,一般地势高的地段覆盖层较薄,部分坡度大的地段矿层直接裸露,没有覆盖土层;地势低洼的地段覆盖土较厚,整个那豆矿区平均覆盖层只有0.8m。底板或为粘土,或为灰岩(石牙),灰岩底板岩溶发育,石芽丛生,高低起伏大,部分在10m以上[1～3]。由于矿床独特的地质特征和开采占地特点,决定了兼具数量与时效双重要求的采后复垦与矿石开采的依存关系,从而成为堆积型铝土矿完整开采工艺中必不可少且至关重要的一环。1.2　现有复垦设计工序平果铝土矿采空区工程复垦工作,在前人的经验积累基础上,已经形成了一套较完善的施工方法。其基本工序如下。1.2.1　前期工作(1)测绘工作。用全站仪对采空区现状地形进行测绘,并在测绘成图软件上形成数字高程模型,为地形地质模型的建立做好基础工作。(2)施工图设计。在做施工图设计前,要再次对采空区地形地质情况进行现场勘察,确定现场的控制点,临时道路的走向、地块的布置、地块防排水的安排等等。设计内容包括:确定地块的边界以及连接地块间的边坡类型;平整地块位置;地表景观布置。1.2.2　施工放线由测量人员和施工技术人员按照施工图纸的要求在主要控制点上插上标志杆(旗),在需要爆破的石芽上要用红油漆标明爆破控制线,以便于施工人员按设计要求施工和工程量控制。1.2.3　后期施工按照施工图设计要求先用爆破的方法处理采空区,使采空区暴露的地表初步成型,然后采用目前生产用的D10N、D10R等大型推土机进行初始平整;为了施工的方便,可在采空区修筑一些车辆进出的临时道路;在地块初始平整完成后还要用2m3液压反铲、运输车辆对边坡进行填平补齐,考虑到高边坡的稳定性,一般要用含石量多的土石方进行回填;铺设土壤层,根据复田再利用方案,在复田上种植一些经济作物;修建排水系统,以疏干淤积在复垦土地中的雨水,防止流水冲刷边坡造成塌方。一般复垦施工工艺流程参见文献[1]～[4]。1.3　存在的几点缺陷虽然上述方法在具体的工程实践中得到广泛应用,起到了保护矿区自然生态和资源可持续再利用的良好效果,但还存在一些问题。(1)施工图直观性差。不管是用矿业CAD做成的还是手工绘制的复垦施工设计图,往往由于处理数据比较多或者施工范围大,造成施工图复杂,只有专业人士才能读懂。因此每次具体施工时,必须得有专业人士在场指导监督,影响了人员调配,延缓了工作进度。(2)空间效果不鲜明。一般的施工图纸只能呈现二维的效果,缺乏空间立体感;一些临时道路和管道设施在表达上有失真实,排水沟的具体布置情况及断面形状无法精确描述;地块的走向和坡角只能以文字的形式标出高程和坡角值。(3)施工参数控制困难。由于二维设计图缺乏整体效果,某个区域的参数在改动后,无法预测相邻区域的变化情况,因此需要的现场勘察人员也要增多,相应的施工器械也要增多,也容易造成一些工程报废。2　DIMINE实现三维可视设计DIMINE数字矿山系统是由中南大学数字矿山研究中心和长沙迪迈信息科技有限公司软件开发团队,在全面研究国内外数字矿山相关软件和国内矿业企业实际需求的基础上,经过多年艰苦努力,研究开发出的一整套基于数字矿山整体解决方案的矿山数字化软件系统。该系统可全面实现从矿床地质建模、储量计算、测量数据的快速成图、地下矿开采系统设计与开采单体设计、回采爆破设计、露天矿开采设计、矿井通风系统网络解算与优化到各种工程图表的快速生成等工作的可视化、数字化与智能化。2.1　平果铝复垦三维建模基础资料原始数据由扫描采空区地形图进而矢量化获得,另加在前述施工图设计工作上完成的CAD采场复垦设计图。设计图上的矿区地表工程,如临时道路、管路设施、重要建筑物等等,都是二维图形,因此首先要对二维状态下的等高线赋予实际的高程值。地形等值线高程间隔为5m,实际赋高程等值线为间隔25m的粗地形线,因此,在三维建模时需要在CAD上细分等值线,以求达到预想结果[5]。87矿业研究与开发 2010,30(1)　地形图矢量化的注意事项:(1)对采空区地形图进行处理,考虑到对线分层时每隔5m一个高程,为防止处理相近图层线出现混乱,对部分分布比较稠密的等高线设置差别大的颜色,采用的图层名以该层线的标高来命名;(2)大部分线都有标高,可直接按照其高程放入相应的图层,部分没有标高的线需要根据附近高程点的值来推估,例如一条线上的高程值未知,而在其附近点的标高为233.4m,而且直观上看周围区域(从附近点到指定线)标高呈递减趋势,则可以推断出该线高程为230m;(3)由于在DIMINE中建模的需要,地表图形中不能出现重复线、重复点和跨接,因此需要检查所有线,对有错误的线条加以修改。2.2　复垦三维模型的构建2.2.1　赋高程将已经画好的CAD采场复垦设计图dwg文件导入到DIMINE系统,处理重复点和跨接现象。由于图形范围比较大,线条和标注杂乱,因此在DI2MINE中需要隐藏一些图层,调出需要编辑的图层。首先打开DIMINE菜单栏中的实用工具下的赋高程,设置高程差为5,选择待赋高程等高线中最高等高线处点击作为“起点”,接着在最低等高线处点击作为“目标点”,这时旋转文件,可以发现,刚刚赋值的等高线已经显示出以5为差额的凹凸状。2.2.2　地块处理选中视图内的地块,根据地块的标高,将已经在CAD环境下调整好坡角的地块在Z方向抬升一个相应的标高值,这样地块的空间分布情况就已经确定。2.2.3　排水沟设置根据CAD中排水沟的断面图(见图1),在DI2MINE中描出相一致的断面形状,点击DIMINE菜单栏中断面设计,在弹出的对话框中,点击创建按钮,选中刚才画好的断面,就可以新建一个自定义的断面形状。然后可由巷道中心线,生成沿巷道中心线指定断面形状的水沟模型(见图2)。为了鲜明起见,可将实体颜色改为绿色,同时标上水流方向,给人一种动态水流的视觉效果。当然也可以选择其他方法生成水沟,由于篇幅有限,本文不再作介绍。2.2.4　地表构筑物的生成矿区地表构筑物主要包括临时道路、管路设施、植被景观等等。临时道路可先画出道路轮廓线,然后将其附着在地表模型上,然后封闭为面,再给面加上一种鲜艳的颜色(见图3)。管路设施模型的建立方法大致一样,只是要先建立一个构筑物立体轮廓线,然后对其三角面化或者生成实体面片(见图4)。

图1　水沟标准断面

图2　水沟模型

图3　临时道路模型

图4　管路设施模型 经过上述操作,一个采场复垦设计图就可以生成,当然中间还要处理一些细节,本文将不再赘述。最终设计见图5。

图5　采场复垦三维模型(下转第83页)97　蒋　权,等:　三维可视技术在平果铝土矿复垦中的应用