露天煤礦土石方剝離工程量計算的特點是什么？

內(nèi)容摘要：文章分析了露天煤礦土石方剝離及采煤工程土石方計量的特點，用數(shù)學(xué)方法分析了方格網(wǎng)法、斷面法、手工計算法等三種計算剝離體積的方法，并對這些方法進行了說明，說明時分別考慮了對剝離邊坡的處理及不同斷面的計算情況；分析了上述三種方法的使用條件及優(yōu)缺點；選取保利能源和翔公司別斯庫都克露天煤礦的剝離計量作為例子對三種方法的使用情況進行了對比。

關(guān)鍵詞： 露天 剝離 計量 斷面 方格網(wǎng)

我國西部煤炭資源豐富，尤其新疆、內(nèi)蒙古等地，煤炭資源儲量大，埋藏相對較淺，部分地方具備建設(shè)大規(guī)模露天煤礦的條件。露天煤礦的礦建及生產(chǎn)過程主要包括土石方的剝離及原煤開采，施工及生產(chǎn)工作建設(shè)單位即可以將施工外包也可以自己組織，不論采用哪種方式，都將涉及到精確計量土石方剝離工程量及采煤工程量的問題。

1、剝離及采煤施工土石方計量的特點
（1）工程量大。剝離及采煤工程量大，精確計量困難，計量結(jié)果與經(jīng)濟利益直接掛鉤，計量及結(jié)算過程中爭議大；
（2）單價不同。由于巖石剝離需要爆破，剝離難度比表土要大，二者發(fā)包單價可能不一樣，計量時需對二者區(qū)分；
（3）分別計量。對不同性質(zhì)、硬度的巖石可能制定不同的單價，計量時要求將不同性質(zhì)、類別的巖石/表土區(qū)分開，分別計量；
（4）連續(xù)計量。剝離及采煤施工有一定連續(xù)性，需要多次中間計量，計量時需要從已經(jīng)施工的工作界面處進行。
選擇剝離及采煤工程量計量方法時，要求計量方法相對簡單易懂、容易操作、容易核對、誤差較小且能適應(yīng)連續(xù)計量的需要。由于剝離及采煤工程量計量存在上述問題，如何選取計量的方法就顯得至關(guān)重要。

2、不同的剝離體積計算方法
2.1方格網(wǎng)法
方格網(wǎng)法就是用固定尺寸的方格網(wǎng)對挖方范圍進行有規(guī)則的分塊，先計算出每一個小方格塊的體積，體積之和就是整個挖方體積。選取的方格網(wǎng)大小決定了最終的計算精度。剝離工程土石方工程量一般較大，考慮邊坡與不考慮邊坡時的體積之差絕對值相對較大。用方格網(wǎng)法計算時，對于挖方的邊坡問題，有不同的處理方法，分述如下：
2.1.1不處理邊坡的情況
一般挖方的結(jié)果都是挖出一個頂面積大底面積小的坑狀結(jié)構(gòu)，設(shè)S1為挖方頂面面積，S2為挖方底面面積，則一般情況下S1＞S2。計算土方量時，可以S1的邊界為計算范圍向下做垂直切割，以原始地面標(biāo)高數(shù)據(jù)為頂面，以測量的底面坐標(biāo)高程數(shù)據(jù)所織成的三角網(wǎng)為底，計算出體積V頂。同樣以底面面積S2的邊界為計算范圍向上做垂直切割，以原始地面標(biāo)高數(shù)據(jù)為頂面，以測量的底面坐標(biāo)高程數(shù)據(jù)所織成的三角網(wǎng)為底，計算出體積V底。上述兩個體積可以用軟件很方便的進行計算。實際挖方體積v可以認為是：
V=(V頂+V底)*0.5
2.1.2用三角網(wǎng)織出邊坡的情況
既然是利用方格網(wǎng)法計算挖方工程量，在方格網(wǎng)的頂面標(biāo)高確定的情況下，方格網(wǎng)的底部標(biāo)高高程數(shù)據(jù)就決定了每一個方格網(wǎng)的體積。在織底部三角網(wǎng)時，可以考慮將邊坡處的坐標(biāo)高程及邊坡坡頂處的坐標(biāo)高程一并作在一起，相當(dāng)于將底及四周認為是一個整體的盆狀結(jié)構(gòu)，原始地面標(biāo)高為盆頂，盆底及盆頂所圍成的結(jié)構(gòu)體積就是要計算的挖方體積。
2.2斷面法
假設(shè)每隔一定距離（如20m）選一斷面。斷面法算量的基本原則就是將不規(guī)則結(jié)構(gòu)體分割成相對比較規(guī)整、可以用數(shù)學(xué)方法近似計算的結(jié)構(gòu)。同樣切割出的斷面也有不同的體積計算方法。
2.2.1以斷面的切割面面積為上下底計算
在這種情況下，斷面之間的垂直距離h是可以確定的，只要確定出切割形成斷面的具體面積S1和S2，則可以用：
V=（S1+ S2）*0.5*h
來確定兩個斷面之間的結(jié)構(gòu)體積，所有斷面所形成的結(jié)構(gòu)體積之和就可以認為是整個挖方結(jié)構(gòu)的體積。
2.2.2以切割形成結(jié)構(gòu)的上下面為頂?shù)酌嬗嬎?br /> 以切割形成結(jié)構(gòu)的上下面為頂?shù)酌嬗嬎泱w積時，以頂面面積S1和底面面積S2及頂?shù)酌嬷�間的距離h為依據(jù)據(jù)來計算體積。確定S1時可以該面的水平投影面積代替，S2可以用同樣的方法處理，以底面的水平投影面積代替。h的確定就比較復(fù)雜了，可分別求出頂面和底面測量數(shù)據(jù)標(biāo)高的平均值，h值可以該平均值之差來近似代替。這種方法要求測量的高程點均勻、有規(guī)律，取舍高程點時的人為傾向?qū)�結(jié)果可能造成一定影響。在土方挖掘量比較大時，若每一切割結(jié)構(gòu)體的h都同時偏大或偏小，對最終結(jié)果造成的影響將是很可觀的。
2.3直接切割算量
2.3.1 手工直接在圖紙上切割算量
這種情況和斷面法計算有點類似。可以憑借觀察將結(jié)構(gòu)劃分成比較規(guī)則的可以用數(shù)學(xué)方法直接計算的形狀，用比例尺在圖紙上量出長度及距離，通過觀察得到相應(yīng)的高程差，計算出單個結(jié)構(gòu)的體積，體積相加就為總體體積。
這種方法簡便易懂，不需要計算機及專業(yè)計算軟件等工具�？梢杂糜诠こ塘康拇笾鹿浪�，計算過程不復(fù)雜，計算結(jié)果在估算的程度上可以采用。缺點是精度比較低，誤差較大且無法糾正。在計算條件不具備且對結(jié)果要求不太高的地方可以采用。
2.3.2 在計算機上切割算量
這種方法與上述方法類似，只不過具體的切割過程避免了手工做圖操作上的誤差，但依然需要采用人為方式來確定挖方體結(jié)構(gòu)的高度，依然不能有效處理邊坡對體積的影響。

3 三種剝離體積計算方法的比較
（1）方法一中計算每個方格網(wǎng)的體積及體積相加完全可以通過軟件來完成（如南方CASS等），這種方法充分利用了計算機的數(shù)據(jù)處理功能。在數(shù)據(jù)確定的情況下計算結(jié)果唯一，比較容易核對和檢查，方便直觀。在邊坡角不一致時，可以頂面、底面面積為范圍垂直切割所形成的結(jié)構(gòu)體積的平均為所求挖方的體積，這種情況有一定誤差，但計算過程簡便，可以在很短時間內(nèi)確定出具體的體積。
若將整個邊坡（包括坡頂、坡底）與底面一起織成三角網(wǎng)作為計算體的底面來計算體積，在邊坡比較平緩的情況下，方格網(wǎng)取的越小則計算精度越高；在邊坡較陡的情況下很明顯誤差將會加大，且計算結(jié)果是比真實體積要少。一般剝離測量時，原始地面及開挖后的底面標(biāo)高以數(shù)據(jù)形式測得。總體說來，這種方法的計算精度相對較高，且快速、合理、直觀，適用范圍廣泛。
（2）方法二斷面法計算時，工作量相比方格網(wǎng)法有所增大，尤其是確定每個斷面（頂面、底面）面積時，即使用軟件計算確定斷面面積也比較麻煩，且容易出現(xiàn)差錯。這種方法優(yōu)點是比較直觀易懂，但計算過程較復(fù)雜，不容易核對，斷面的切割方法不確定，隨著工程向前推進，斷面的切割方法及切割位置也需要變化，不適于操作。在結(jié)構(gòu)比較均勻變化不大時，用這種方法計算比較合理，一旦結(jié)構(gòu)變化較大用斷面法處理時就會產(chǎn)生較大誤差。
以切割形成結(jié)構(gòu)的上下面為頂?shù)酌嬗嬎銜r，面及面之間的距離都是確定的，體積比較容易確定；以正常切割斷面所形成的上下面為頂?shù)酌嬗嬎泱w積時，頂面與底面之間的距離要靠觀察數(shù)據(jù)來確定，操作者站在不同的立場，取點時會有不同傾向，實際應(yīng)用中，這種方法的操作會受到一定影響。
（3）方法三手工切割算量，誤差較大。即使在計算機上精確測量距離和高度同樣會產(chǎn)生較大誤差。這種方法切割斷面時人為的主觀因素較大，不同人、不同的切割方法都會產(chǎn)生不同的計算結(jié)果，可核對及可對比性差；精度比較低，誤差較大且無法糾正。在計算條件不具備且對結(jié)果要求不太高的地方可以采用。

4 一個例子：
圖1為為新疆哈密地區(qū)巴里坤縣別斯庫都克露天煤礦工程2008年12月開工至2009年1月中旬的土方開挖圖，地表標(biāo)高已全部采集，圖1周圍邊線分別為開挖后的坡頂邊界線和坡底邊界線，坡頂與坡底的連線就形成了邊坡，邊坡角不固定。開挖結(jié)果為坑底寬25-80米、長1.28km的開挖溝。原始地面標(biāo)高數(shù)據(jù)、挖方后的溝底及坡底坐標(biāo)高程數(shù)據(jù)都已測得。

圖1 工程開挖圖（坡頂、坡底連線）
4.1 方格網(wǎng)法計算體積
4.1.1不處理邊坡
直接用坡頂、坡底線為范圍垂直切割所圈成的結(jié)構(gòu)計算體積。坡底坐標(biāo)高程點所織成的三角網(wǎng)如圖2：

          圖2 坡底坐標(biāo)高程點所織成的三角網(wǎng)                   圖3 包含了邊坡的溝底三角網(wǎng)

4.1.2用三角網(wǎng)織出邊坡
將邊坡的坡底高程坐標(biāo)數(shù)據(jù)從原始地表高程中讀出，與坡底三角網(wǎng)一起織成一個網(wǎng)，該網(wǎng)包含了開挖溝底及邊坡的相關(guān)數(shù)據(jù)（見圖3）。
4.2 斷面法計算體積
可以設(shè)計以20m為間距做切割斷面，如圖4。

圖4 每隔20米切割斷面圖
4.2.1以切割的斷面面積為上下底計算
其中兩個斷面切割所形成的圖形如下（圖5），可以很方便利用CAD計算出該斷面面積。依次計算出所有斷面的面積，可以得到兩個斷面之間結(jié)構(gòu)的體積，體積之和即為總挖方體積。

                圖5 其中兩個斷面形狀                         圖6切割的其中一個圖形

4.2.2以正常上下面為頂?shù)酌嬗嬎?br /> 方法與上4.2.1相同。唯一區(qū)別是不以切割面為頂?shù)祝�而以正常上下面為頂�(shù)酌嬗嬎恪?br /> 4.3手工法計算
用手工直接在圖紙上切割與用計算機直接切割的原理是一樣的，只是精度不同。切割的其中一個圖形見圖6。該圖形就可以大概認為是個規(guī)則的矩形，可以利用比例尺量出矩形的長和寬，進而計算出面積，觀察頂、底面的高程點，讀出一個基本合適的高程數(shù)據(jù)，進而計算出體積。

圖6 用手工法切割的一個圖形
4.4 不同方法計算結(jié)果
計算結(jié)果對比情況見表1。

5、結(jié)論
（1）誤差。不同的計算方法結(jié)果不可能完全一樣，會有一定的誤差，一定情況下，誤差相對較大，見表2。與該誤差相對應(yīng)的經(jīng)濟利益是很可觀的。選取不同的體積計算方法對結(jié)果會有影響。在剝離體積較大時，誤差的絕對值也相對較大，相對應(yīng)的經(jīng)濟利益非常可觀。

（2）方格網(wǎng)的選取對結(jié)果的影響。方格網(wǎng)選擇的越小則計量相對越精確。這種情況下，可以充分發(fā)揮計算機算量的優(yōu)越性。能在相對較短的時間內(nèi)給出較精確的結(jié)果。且實踐證明，當(dāng)選取的方格網(wǎng)達到比1m還小時方格網(wǎng)的大小對計算結(jié)果與的影響基本可以忽略。
（3）邊坡。若剝離是連續(xù)進行的，則邊坡的問題可以不予考慮。因為邊坡也是“移動”的，隨著剝離的進行，邊坡的位置甚至坡度都將發(fā)生變化。除非精確計量，否則非固定幫的邊坡可以不予考慮。
（4）連續(xù)計量。方格網(wǎng)法適合于一次性計量，能相對較精確。但若考慮到連續(xù)施工及多次計量的情況，方格網(wǎng)法由于需要單獨織出不同的頂和底面，不易操作；此時斷面法的優(yōu)點比較突出，斷面線固定，做出的斷面同時也是固定的，連續(xù)施工時只需在已經(jīng)做好的斷面基礎(chǔ)上繼續(xù)做即可。
（5）分類計量。分成若干類計量時，若采用方格網(wǎng)法則需織出不同的頂、底面，分的類別越多，編織的工作量越大，精度越低。斷面法不存在這種問題，若選取切割的斷面為上下底計算的話，可以很方便地在斷面上區(qū)分不同類別的剝離物，且可以方便的計量。
經(jīng)過多次嘗試及比較，別斯庫都克露天煤礦的土石方剝離及采煤計量工作采用斷面法（以切割面為頂?shù)酌妫┻M行計算，取得了較好的效果，有效避免了驗收及計量爭議。