壓覆礦產資源評估中計算方法探究
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摘要：本文研究了壓覆礦產資源評估中壓覆儲量計算的原理和方法，分析了不同種類建設工程壓覆資源儲量計算模型的差異，重點對壓覆煤炭資源儲量評估進行了代表性研究，簡述了計算模型，歸納了計算方法。
關鍵詞：壓覆礦產資源評估；儲量計算；計算模型；計算方法
建設項目壓覆礦產資源審批是《中華人民共和國礦產資源法》確定的一項重要管理辦法，對避免或減少壓覆重要礦產資源、提高礦產資源保障能力、保障建設項目正常進行具有重要作用。近年來，隨著國家對礦產資源保護的加強，從國家到各省（自治區(qū)、直轄市），其對建設用地壓覆礦產資源評估都十分重視。為規(guī)范建設項目壓覆礦產資源評估報告編寫，提高壓覆礦產資源評估評審效率，江西省自然資源廳出臺了《建設項目壓覆礦產資源評估報告編制要求、提綱及編寫內容要點》[1]。為做好江西省壓覆礦產資源評估，進一步從技術論證的角度提升壓覆礦產資源評估水平，結合從事壓覆礦產資源評估15年來的案例，筆者以壓覆煤炭資源為例，系統(tǒng)論述壓覆煤炭資源評估技術方法，分析了不同種類建設工程壓覆資源儲量計算模型的差異，重點對較為復雜的壓覆煤炭類資源儲量評估進行了代表性研究，簡述了計算模型，歸納了計算方法，以方便從業(yè)技術人員更科學嚴謹、簡潔高效、更有操作性地開展壓覆評估。
1壓覆礦產資源的范圍及類型
1.1范圍
《中華人民共和國礦產資源法》第三十三條規(guī)定，“在建設鐵路、工廠、水庫、輸油管道、輸電線路和各種大型建筑物或者建筑群之前，建設單位必須向所在省、自治區(qū)、直轄市地質礦產主管部門了解擬建工程所在地區(qū)的礦產資源分布和開采情況。非經國務院授權的部門批準，不得壓覆重要礦床”。壓覆礦產資源，是指在進行上述建設活動時，因建設工程興建導致其壓覆區(qū)內已查明的礦產資源不能開發(fā)利用的那部分資源量。
1.2壓覆類型
從壓覆的重要程度劃分，礦產資源主要分為重要礦產資源和一般礦產資源。重要礦產資源是指《礦產資源開采登記管理辦法》附錄所列34個礦種和省級國土資源行政主管部門確定的本行政區(qū)優(yōu)勢礦產、緊缺礦產。一般礦產為上述重要礦種以外的其他礦產資源。從壓覆的礦產賦存種類劃分，礦產資源主要分為三類：第一類是沉積巖類層狀礦產，代表為煤炭資源；第二類是巖漿巖及變質巖類脈狀礦產，代表為金屬礦種；第三類是液體礦產，如地熱水、石油等。目前，常見礦產資源壓覆種類可概括為上述三大類型。
1.3壓覆礦產資源的計算模型
按照建筑物或建筑群形態(tài)區(qū)別，壓覆礦產資源的計算模型可劃分為三大基本模型，分別是垂直剖面法、垂線法、橫向（斷面）豎直剖面法[2]。其各自適用范圍可概括為：垂直剖面法適用于一般單體建筑物壓覆礦產資源的計算；垂線法適用于大范圍的超大型建筑物或者建筑群，如大型廠區(qū)及工業(yè)園區(qū)建設；橫向（斷面）豎直剖面法適用于線性長距離的線路工程，如各種等級的公路、鐵路、輸油輸氣管道等。從計算的復雜程度和難易程度劃分，壓覆礦產資源計算模型可根據(jù)礦產賦存類型分為復雜型（第一類沉積巖層狀礦產）和簡單型（第二類脈狀礦產和第三類液體礦產）兩大類型。針對沉積巖層狀礦產，可按照建筑物分類確定其計算模型，如垂直剖面法、垂線法、橫向（斷面）豎直剖面法。針對脈狀礦產和液體礦產，直接采用巖層移動角，按作圖法確定壓覆范圍即可。
2壓覆資源量計算方法及要點分析——以壓覆煤炭資源為例
2.1垂直剖面法
對于單體建筑，計算壓覆緩傾斜煤層煤炭資源量時，建議采用垂直剖面法（見圖1），其具有壓覆區(qū)域小、計算結果精確的特點[3]。要點有四。一要根據(jù)建筑物等級確定合理的圍護帶范圍；二是在設定建筑物受護范圍時必須考慮煤層走向和傾向方向，劃定的受護各邊界必須平行于煤層走向和傾向；三是按照三視圖作圖法，在剖面上確定好煤層上下山方向壓覆邊界，準確轉繪到平面上，確定出建筑物壓覆煤層儲量邊界范圍；四是合理確定上山方向移動角γ的數(shù)值，該值的確定有兩個來源。其一，建筑物所壓覆的煤層有在采礦山并對礦區(qū)地表移動進行長期觀測，則可采用礦區(qū)開采實測參數(shù)的移動角值；二是建筑物所壓覆的煤層無實測值，則參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》附錄實測參數(shù)表[3]，結合本區(qū)覆巖特征獲得。以江西省萍鄉(xiāng)市為例，確定上山移動角γ后，走向移動角δ=γ=75°,下山角β按照式（1）算出，已知煤層傾角α為21°，則下山角β為58°。β=δ−kα（1）式中：α為煤層傾角；k為常數(shù)，可查表獲得，這里取0.8。
2.2垂線法
對于較大范圍的建筑物或建筑群，計算壓覆煤炭資源量時，建議采用垂線法（見圖2）。其具有概化邊界性強、計算量少、簡單易操作的特點。要點有四。一是在每個邊界拐點做兩條垂線，分別垂直于該拐點所在的兩條保護邊界，以圖2中的a點為例，11號垂線和12號垂線分別垂直于ae和ab兩條邊界。二是要注意松散層影響，在根據(jù)建筑物輪廓拐點123456和圍護帶寬度確定拐點1′2′3′4′5′6′為受護邊界外，要考慮松散層移動角帶來的變形影響，在受護邊界拐點1′2′3′4′5′6′組成的范圍向外按照s=hcotφ=25×cot45°=25m（h為當?shù)厮缮雍穸?，s為外擴寬度）確定外擴范圍。最終確定的abcde邊界才是垂線法的起算邊界。三是在起算拐點沿上山方向的垂線長度q和沿下山方向的垂線長度l分別按照式（2）、式（3）計算：()cot1+cot′qH−h=β′βcosθtanα（2）()cot1+cot′qH−h=β′βcosθtanα（3）式中：h為松散層厚度，m；H為煤層到地表的垂深（從受護邊界開始，在松散層中以φ角作直線與基巖面相交，H值為過此交點的煤層深度）；α為煤層傾角；θ為圍護帶邊界與煤層傾向線所夾的銳角；β'、γ'為基巖內斜交剖面移動角。四是在abcde各拐點做垂線時，要結合煤炭資源儲量分布圖認真分析各拐點所在區(qū)下覆煤層傾向，有可能同一個拐點的兩條垂線均為上山方向或均為下山方向。以a點為例，若其兩條垂線均為上山方向，則都按照式（2）計算，若均為下山方向，則都按照式（3）計算，該點需要特別注意。最終按照各拐點計算所得的垂線長度確定的a'b'c'd'e'邊界即為壓覆量計算范圍。
2.3橫向（斷面）豎直剖面法
對于長距離的線性工程，計算壓覆煤炭資源量時，建議采用橫向（斷面）豎直剖面法（見圖3）。其具有概念模型分段化、宏觀控制與微觀細分相結合的特點，準確性高，計算量可根據(jù)精度要求進行調整。其主要理論特點是，在宏觀模型構架上將每個橫向斷面的垂直剖面作為計算基礎，在細節(jié)上進行多段拆分計算再統(tǒng)一匯總，體現(xiàn)了微積分處理模型的概念。該方法可通過投入較大的計算量取得較為精確的計算結果。橫向（斷面）豎直剖面法有兩大要點。一是根據(jù)所建線路工程等級確定路堤坡腳外擴距離（根據(jù)工程等級查表確定）abcdeff'e'd'c'b'a'為受護邊界，再加圍護帶外擴寬度（根據(jù)工程等級查表確定），確定a1b1c1d1e1f1f1'e1'd1'c1'b1'a1'為受護面積，即各橫向斷面起算點。各斷面起算點的準確劃定是決定后續(xù)計算結果的直接基礎。二是要格外注意線路轉彎等變線位置，盡量加密計算剖面，同時在橫向剖面計算時注意轉彎位置上山角和下山角的對應問題，如線路轉彎后走向與煤層走向正好垂直，則剖面上下山角均采用走向移動角δ值，不能機械套用上下山角值。2.4在實際運用中垂線法和橫向（斷面）豎直剖面法斜交角問題的處理對于垂線法和橫向（斷面）豎直剖面法，還應重視的問題是，由于建筑物形態(tài)的不同，特別是長距離線性工程形態(tài)特殊，其與下覆煤層走向關系復雜，并不能保證與煤層走向始終平行[4]。在計算過程中，要考慮建筑物與煤層走向斜交的問題。而垂直剖面法因適用于單體建筑，且在計算模型上已經要求單體建筑計算邊界平行煤層走向，故不存在此問題。為消除使用垂線法及橫向（斷面）豎直剖面法時建筑與煤層斜交帶來的計算不準確問題，在實際運用中引入斜交剖面移動角公式。在實際計算過程中，這需要引起足夠重視[5]。采用垂線法和橫向（斷面）豎直剖面法模型，當遇到構筑物與煤層斜交計算時，在松散層內采用φ角畫直線；在基巖內則分別以斜交剖面移動角β'、γ'代替β、γ角畫直線。直線與煤層底板的交點即為保護煤柱在煤層該斜交剖面上的上、下邊界。β'、γ'角數(shù)值分別按式（4）和式（5）進行計算。cotβ′=cot2βcos2θ+cotδsi22nθ（4）cotγ′=cot2γcos2θ+cotδsi22nθ（5）式中：γ、β和δ分別為上山、下山和走向方向的巖層移動角；θ為圍護帶邊界與煤層傾向線所夾的銳角。式（4）和式（5）的主要作用是修正斜交帶來的誤差，可確保計算結果的準確性，斜交誤差未消除也是評估中常見且易忽略的技術難題。
3結語
本文通過對壓覆礦產資源評估中各類規(guī)范的分析，結合多年經驗，提出了壓覆礦產資源評估的兩類計算模型。第一類是沉積巖層狀礦產模型，第二類是脈狀和液體礦產模型。因第二類計算方法比較簡單，本文重點針對第一類情況概括出三種計算模型，即垂直剖面法、垂線法和橫向（斷面）豎直剖面法，并闡述三種模型的適用情況，說明各模型優(yōu)點，重點分析各自的使用要點和技術難點。這對提高從業(yè)技術人員壓覆礦產資源評估技術水平有很好的借鑒意義，有利于壓覆礦產資源評估的開展，能夠更好地促進行業(yè)技術能力的提升。
作者:韓政興 張影 張紹聰 張暉 蘇沁 單位:.江西省地質局二二六地質隊 江西省煤田地質勘察研究院 江西省自然資源廳 山東省煤田地質局物探測量隊