三维软件在尾矿库设计中的应用.pdf

矿业工程60Mining Engineering信息技术第2 1卷，第4期2023年8 月三维软件在尾矿库设计中的应用张岩（中冶北方（大连）工程技术有限公司，辽宁大连116 6 0 0）摘要：随着科学技术的发展，国内外三维设计软件广泛应用于各个领域，介绍一种在矿山领域广泛应用的三维软件，并将其应用到尾矿库设计上，同时与传统设计方法进行比较分析，为尾矿库设计者在优化设计手段时提供参考。关键词：尾矿库；尾矿库设计；三维软件；3 dmine中图分类号：TD9260引言通过调查了解，目前国内部分工业设计院尾矿库设计从业人员在设计时局限于二维，在二维等高线上利用分层法计算库容、手工切剖面，工作效率较低，将三维技术引用到尾矿库设计中，不仅能够提高工作效率，同时可以利用三维模型形象直观展示设计方案。目前，史安乐探讨了三维软件3 Dmine软件在矿山测量工作中的模型建立和具体应用 ；柳波和陈广平应用3 DMine三维软件对贾家堡铁矿的三维地质建模技术进行了研究2；张书琛、陈伟康、刘芳斌等研究了三维软件3 Dmine在某尾矿库管理方面的应用3；傅灿和文枚研究了应用三维软件AutodeskCivil3D软件计算尾矿库库容4。本文对于分析三维软件在尾矿库设计中的应用，属于首次与传统设计方法进行比较分析。1?尾矿库设计简要介绍尾矿库按照库址条件可分为山谷型、傍山型、截河型以及平地型。“山谷型尾矿库”主要集中在山区，是在山谷谷口合适位置修建初期坝形成的尾矿库，见图1。特点是初期坝坝体工程量较小，坝长相对较短，后期易管理维护；尾矿库要求的最小干收稿日期：2 0 2 2-11-16作者简介：张岩（19 9 0），男（汉族），辽宁普兰店人，中冶北方（大连）工程技术有限公司工程师。文献标识码：A文章编号：16 7 1-8 550（2 0 2 3）0 4-0 0 6 0-0 5滩长度和尾矿水的澄清距离比较容易满足设计要求，因为库区纵深长度一般较长。图1山谷型尾矿库“平地型尾矿库”主要集中在平缓地区，在四周堆筑初期坝围成的尾矿库，见图2。特点是堆坝工程量大；堆坝高度一般不高；所围起来的面积即为尾矿库的汇水面积，一般较小，设计面积即为尾矿库的汇水面积，汇水面积较小，洪水总量相应减小，排水构筑物设计尺寸相对较小。图2 平地型尾矿库“傍山型尾矿库”主要集中在坡地较多的地区，在山坡脚下三面堆筑初期坝所形成的尾矿库，见图3。特点是需要堆筑三面的初期坝，导致初期坝轴线长度较长，相应筑坝工程量也2023年第4期较大；汇水面积较小，库区纵深较短，干滩长度及尾矿水澄清距离受到限制，调洪能力较低，堆积坝的高度和库容受到调洪的限制一般较小。图3 山型尾矿库“截河型尾矿库”主要集中在多河道地区，是截取河道，在上下分别修建初期坝形成的尾矿库，见图4。它的特点是汇水面积小，但截河后上游初期坝以上的汇水面积通常很大，上游坝以上通常需要修建挡水坝，挡水坝以上也需要建设排洪系统，增加了尾矿库的配置，管理较复杂。图4截河型尾矿库尾矿库按照堆存方式分为湿式尾矿库和干式尾矿库。湿式尾矿库即可采用水力输送排放尾矿，尾矿具有自然流动性和分选性的尾矿库；干式尾矿库即入库尾矿不具有自然流动性，采用机械排放尾矿且非洪水运行条件下库内不存水的尾矿库。尾矿库按照筑坝方式分为湿式尾矿库的上游式、中线式和下游式尾矿筑坝法，干式尾矿库的库前式、库周式、库中式和库尾式尾矿排矿筑坝法以及一次筑坝法等。湿式尾矿库按照初期坝以上堆积坝坝轴线推移方向分为上游式、张岩三维软件在尾矿库设计中的应用中线式和下游式；干式尾矿库按照尾矿推进排放方式分为库前式、库周式、库中式和库尾式。一次筑坝法，即指均采用除了尾矿以外的其他筑坝材料一次建设或分期建造的尾矿坝。尾矿库按照库容和坝高分为五个等别，分别对应不同的防洪标准、抗滑稳定最小安全系数以及最小干滩长度和最小安全超高的要求。尾矿库包含的主要构筑物有初期坝、堆积坝（后期废石坝）、排洪（回水）设施、防渗设施、排渗设施以及监测设施等。尾矿库设计主要包括尾矿库的选址、堆存方式选择、筑坝方式选择、初期坝设计、堆积坝设计、排洪（回水）设施设计、防渗设施设计、排渗设施设计以及监测设施设计等，涉及的计算主要包括尾矿库库容计算、水文计算、调洪计算、稳定计算和工程量计算等。2三维软件介绍目前国内在矿山领域应用较为成熟的三维软件主要有3 DMine软件、CASS软件、AutoCADCivil3D软件等，以下分别对这三种常用软件进行详细的介绍。3DMine软件：由北京三地曼矿业软件科技有限公司研究开发，其主要功能有CAD辅助设计与原始资料处理、三维可视化核心、矿山地质建模、勘探和炮孔数据库、露天采矿设计、地质储量估算、地下采矿设计、测量仪器接口与数据应用、采掘计划编排等。优势是国内自主研发、为国内用户量身打造、完全本地化、易学易用、具有开放的数据兼容性等。CASS软件：由广东南方数码科技股份有限公司开发，其主要功能有空间数据建库、工程应用、土石方算量等，主要涵盖了测绘、规划、地质、水利、矿山等相关行业。优势是实现了数据成图建库一体化，数据生产、图形处理、数据建库一步到位，同时满足GIS建库和地形地籍专业制图的需要，减少重复劳动。AutoCADCivil3D软件：由Autodesk公司推出。其主要功能有：架构在AutoCAD之上，包含AutoCAD的所有功能，同时与AutoCAD有着高度一致的工作环境，除此之外，AutoCADCivil 3D还提供了三维地形处理、测量、场地规6162划、道路和铁路设计、土方计算、地下管网设计等专业设计工具，应用这些工具可以分析测量网络、创建和编辑测量要素、平整场地并计算土方、精确创建三维地形、设计平面路线及纵断面、进行土地规划、创建道路横断面图和矿业工程第2 1卷第4期挖方量=0.01 填方量23341 61 42.30道路土方报告、生成道路模型、设计地下管网等。广泛适用于岩土工程、勘察测绘、水利水电、交通运输、城市规划和总图设计、市政给排水等众多领域。优势是功能较全面，提供了图53 DMine软件尾矿库模型图强大的设计、分析以及文档编制功能。表13 DMine软件尾矿库容积计算结果表CASS软件操作快捷、计算纯挖方、纯填方标高很方便；AutoCADCivil 3D软件功能全面；/m3DMine软件是基于矿山工程基础上研发，易学1 420易用，广泛应用在各类矿山工程中。1 430为保证尾矿库专业和采矿等专业使用设计1.440工具的一致性，同时从软件人手难易程度，操14501 4601 706 884作便捷程度和应用范围等方面比较，3 DMine1.470软件是最合适应用在尾矿库设计领域的三维软1.480件。1 4901 5003三三维软件在尾矿库设计中应用案例分析以某山谷型上游式湿堆尾矿库为例说明3DMine软件在尾矿库设计中的应用并与传统设计方法进行比较分析。3.1工程项目背景介绍某矿业公司拟开发利用某块场地建设尾矿库，要求至少2 亿m库容，设计初步确定采用上游法尾矿筑坝法，初期坝坝顶标高为148 5m，上下游坡比均为1：2，坝顶宽度5m，初期坝坝高6 5m，堆积坝采用尾矿筑坝，平均坡比为1：5，最终堆积标高16 2 0 m，总坝高2 0 0 m。设计分别采用3 DMine软件和原始计算方法计算尾矿库库容和初期坝工程量，然后对计算结果进行对比分析。3.2尾矿库库容计算比较分析3.2.13DMine软件计算库容在3 DMine软件里构建原始地形DTM面，初期坝DTM面和堆积坝DTM面，使用三角网法计算尾矿库库容。3 DMine软件建立的尾矿库模型见图5，计算结果见表1。分段容积/m3（全库容）/m容积/m0093 42693 426445 099538 5259857891 524 3143 231 1982 629 1715 860 3694 228 30510 088 6745.724 85815 813 5317 283.58923 097 12115108 521 47115209.777 0061 53011 252.027154012.749 435155014 116 9031 56015 737 211157017 499 210158019 304 3911 59021 651 6241 60024 032 3941 61026 409 8341 62028505527232 654 1533.2.2传统手绘方法计算库容传统手绘方法采用分层计算法，首先计算每个特征标高的面积，然后应用（式1）计算分层容积，之后各层累加，得到最终全库容。分层容积计算公式如下：Vn=(A上+A)h/2式中：V，一两个特征标高之间的分层容积，m；A上一上一层特征标高的面积，m；A 下一下一层特征标高的面积，m；h 一两个特征标高之间的高差,m。累计容积1 371 8822 908 0785 274 3329 079 80614 232 17820 787 40931 61859228 456 73241 395 59837 256 03852 647 62447 382 86265 397 0595885735379 513.96271 562 56695 251 17485 726 056112 750 384101 475 346132 054 775118 849 297153 706 399138 335 759177 738 793159 964 913204 148 626183 733 764209.388 737有效084 083484 672坝高/m0102030405060708090100110120130140150160170180190200(1)2023年第4期采用传统手绘方法计算尾矿库库容特征标高闭合等高线截图见图6，计算结果统计见表2。3.2.3计算结果比较分析由计算结果可见，采用传统手绘方法计算全库容2.3 4亿m，采用3 DMine软件计算全库容2.3 3 亿m，计算结果误差0.44%，证明应用软件计算结果和传统手绘计算结果基本一致，但存在误差，误差在可接受范围内。分析误差产生原因，手绘过程中很容易将库中的局部突起（见图6）忽略，导致特征标高量取面积要大于实际面积，因此导致传统手绘方法计算库容要超过3 DMine软件计算全库容，其次，在手绘过程中受个人因素影响存在不可避免的偶然误差，导致结果存在偏差。张岩三维软件在尾矿库设计中的应用续表标高/m面积/1 5701 841 37915802 058 3671 5902.283 4891 6002.529 86816102.750 0961 6202.967 367在原始地形较完整情况下，熟练操作三维软件后，使用3 DMine软件计算尾矿库库容所用时间只是传统手绘方法的1/3 1/4。3.3尾矿库工程量计算比较分析3.3.13DMine软件计算初期坝工程量在3 DMine软件里使用三角网法计算初期坝工程量，计算模型见图7，计算结果见表3。除此之外，计算初期坝上游所需土工材料量，可直接在初期坝模型上截取初期坝上游面，查看特性，直接量测出所需土工材料面积为3.5万。63分段累计容积容积/m3(全库容）/m17 526 701113 680 34119 498 731133 179 07221 709 281154 888 35424 066 788178 955 14226 399 820205 354.96228 587 314233 942 276有效坝高容积/m/m102.312.307150119 861 165160139 399 518170161 059 628180184 819 466190210 548 048200局部突起图6 传统手绘方法堆积坝特征标高闭合等高线截图表2 传统手绘方法尾矿库容积计算结果表标高分段累计容积面积/m/m1 4201 4301 4401 4501 4601 4701 4801 4901 5001 51015201 049 6151 5301 205 4261 5401 343 29915501 507 0711 5601 663 961 图7 3 DMine软件初期坝模型图有效坝高容积/m3(全库容）/m容积/m2624027 399150 11770 269488342143 6121 069 404212.3551 779 835340 2412.762.983516 3674 283 043653 3535 848 601794 0807 237 163918 9858 565 3219 842.99511 275 20512 743 62614 251 84715 855 159表3 3 DMine软件计算尾矿库初期坝筑坝工程量表/m标高/m分段容积/m300150 117135 105638 459574 6131.707 8631 537 0763 487 6973 138 9286 250.6805 625 61210 533 7239 480 35116 382.32514 744 09223 619 48821 257 53932 184 80828 966 32842 027 8043782502353 303 00847 972.70766 046 63459 441 97180298 48172 268 63396 153 64086 538 276累计容积/m0102030405060708090100110120130140坝高/m1 41001 420106511 430245 2721 440345 2161450390 6811 4603782011 470314 29114802000721 485375443.3.2传统手绘方法计算初期坝工程量传统手绘方法采用分层计算法计算尾矿库初期坝工程量，计算截图见图8，计算结果见表4。010 651255923601 1399918201 370 0221 684 3121884 3851 921 929001020304050606564图8 传统手绘方法初期坝特征标高闭合等高线截图表4传统手绘方法计算初期坝填方量结果表面积分段标高/m/m1410201 42017 4971 43031 1251 44038 0411 450400581 46035 2171 470267691 48011 83814852.605除此之外，传统方法计算初期坝上游所需土工材料面积，公式如下：A=Ao/cos()式中：A一土工材料的三维面积，m；A。一土工材料的二维投影面积，m；一初期坝上游放坡坡脚()。初期坝上游二维投影面积3.13 万m，初期坝上游放坡坡角为2 6.57，则计算得所需土工材料面积为3.5万m。3.3.3计算结果比较分析由计算结果可见，采用传统手绘方法计算初期坝填方量19 8.2 万m，采用3 DMine软件计算初期坝填方量19 2.2 万m，计算结果误差3.1%，基本一致，误差在可接受范围内。分析误差产生原因，传统手绘方法在1410 142 0 m之间采用的是简化方法，而3 DMine软件可较为矿业工程真实的建立原始地形的起伏状态，导致传统方法计算工程量要超过3 DMine软件计算的工程量。两种方法计算初期坝上游土工材料工程量基本一致，但传统手绘方法计算尾矿库库容所用时间超过使用3 DMine软件时间几倍。4结语应用三维软件3 DMine计算尾矿库初期坝筑坝工程量计算结果误差3.1%，与传统手绘方法基本一致，误差在可接受范围内，分析误差产累计坝高容积/m容积/m30087 58687 586243 110330 696345830676 527390 4951 067 021376 3741 443 3953099291753323193 0351 946 358361061 982.465第2 1卷第4期生原因，传统手绘方法在坝底与原地形交接分/m0010203040506065(2)段采用的是简化方法，而3 DMine软件可较为真实的建立原始地形的起伏状态，导致传统方法计算工程量要超过3 DMine软件计算的工程量。两种方法计算初期坝上游土工材料工程量基本一致，但传统手绘方法计算尾矿库库容所用时间超过使用3 DMine软件时间几倍。与传统手绘方法比较，使用三维软件计算尾矿库库容和筑坝工程量，效率高，计算精度高，可较好得应用在尾矿库设计中。在尾矿库设计项目规划阶段，应用三维软件可快速计算分析各个库址或堆存方案的库容、工程量等，方便进行筑坝方案和堆存方式的比较分析；在项目设计阶段，应用三维软件可快速生成坝体面图，可用于剖面设计和稳定计算以及计算项目工程量，由此可见，三维软件3 DMine可作为尾矿库设计者们优化设计手段的选择之一。参考文献：15史安乐3 Dmine矿业软件在矿山测量工作中的建模与应用J矿山测量，2 0 15（6)：7 0-7 3.2柳波，陈广平：基于3 DMine的贾家堡铁矿三维地质建模技术研究C中国冶金矿山企业协会，2 0 10：8 0 1-8 0 4+811.3张书琛，陈伟康，刘芳斌，等3 Dmine在某尾矿库管理方面的应用J现代矿业，2 0 2 0，3 6（11）：18 7-18 8+199.4傅灿，文枚Civil3D软件开发及其在尾矿库库容计算中的应用J有色金属（矿山部分），2 0 17，6 9（6)：10 0-10 4.Application of 3D Software in Design of Tailings Storage FacilitiesZHANG Yan(Northern Engineering and Technology Corporation,MCC.,Dalian 116600,China)Abstract:With the development of technology and science,3D design software at home and abroad has been widely used invarious fields.This paper introduces a 3D software widely used in the mining field,and applies it to the design of tailings storagefacilities(TSF),and compares and analyzes it with traditional design methods,so as to provide reference for TSF designers whenoptimizing design methods.Key words:TSF;TFS design;3D software;3dmine