壓覆礦產(chǎn)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(chǎn)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(shè)工程壓覆資源儲量計算模型的差異，重點(diǎn)對壓覆煤炭資源儲量評估進(jìn)行了代表性研究，簡述了計算模型，歸納了計算方法。
關(guān)鍵詞：壓覆礦產(chǎn)資源評估；儲量計算；計算模型；計算方法
建設(shè)項目壓覆礦產(chǎn)資源審批是《中華人民共和國礦產(chǎn)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(chǎn)資源、提高礦產(chǎn)資源保障能力、保障建設(shè)項目正常進(jìn)行具有重要作用。近年來，隨著國家對礦產(chǎn)資源保護(hù)的加強(qiáng)，從國家到各省（自治區(qū)、直轄市），其對建設(shè)用地壓覆礦產(chǎn)資源評估都十分重視。為規(guī)范建設(shè)項目壓覆礦產(chǎn)資源評估報告編寫，提高壓覆礦產(chǎn)資源評估評審效率，江西省自然資源廳出臺了《建設(shè)項目壓覆礦產(chǎn)資源評估報告編制要求、提綱及編寫內(nèi)容要點(diǎn)》[1]。為做好江西省壓覆礦產(chǎn)資源評估，進(jìn)一步從技術(shù)論證的角度提升壓覆礦產(chǎn)資源評估水平，結(jié)合從事壓覆礦產(chǎn)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(shù)方法，分析了不同種類建設(shè)工程壓覆資源儲量計算模型的差異，重點(diǎn)對較為復(fù)雜的壓覆煤炭類資源儲量評估進(jìn)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(shù)人員更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、簡潔高效、更有操作性地開展壓覆評估。
1壓覆礦產(chǎn)資源的范圍及類型
1.1范圍
《中華人民共和國礦產(chǎn)資源法》第三十三條規(guī)定，“在建設(shè)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(shè)單位必須向所在省、自治區(qū)、直轄市地質(zhì)礦產(chǎn)主管部門了解擬建工程所在地區(qū)的礦產(chǎn)資源分布和開采情況。非經(jīng)國務(wù)院授權(quán)的部門批準(zhǔn)，不得壓覆重要礦床”。壓覆礦產(chǎn)資源，是指在進(jìn)行上述建設(shè)活動時，因建設(shè)工程興建導(dǎo)致其壓覆區(qū)內(nèi)已查明的礦產(chǎn)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(chǎn)資源主要分為重要礦產(chǎn)資源和一般礦產(chǎn)資源。重要礦產(chǎn)資源是指《礦產(chǎn)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(chǎn)、緊缺礦產(chǎn)。一般礦產(chǎn)為上述重要礦種以外的其他礦產(chǎn)資源。從壓覆的礦產(chǎn)賦存種類劃分，礦產(chǎn)資源主要分為三類：第一類是沉積巖類層狀礦產(chǎn)，代表為煤炭資源；第二類是巖漿巖及變質(zhì)巖類脈狀礦產(chǎn)，代表為金屬礦種；第三類是液體礦產(chǎn)，如地?zé)崴⑹偷?。目前，常見礦產(chǎn)資源壓覆種類可概括為上述三大類型。
1.3壓覆礦產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(shè)；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(fù)雜程度和難易程度劃分，壓覆礦產(chǎn)資源計算模型可根據(jù)礦產(chǎn)賦存類型分為復(fù)雜型（第一類沉積巖層狀礦產(chǎn)）和簡單型（第二類脈狀礦產(chǎn)和第三類液體礦產(chǎn)）兩大類型。針對沉積巖層狀礦產(chǎn)，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(chǎn)和液體礦產(chǎn)，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(diǎn)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(jié)果精確的特點(diǎn)[3]。要點(diǎn)有四。一要根據(jù)建筑物等級確定合理的圍護(hù)帶范圍；二是在設(shè)定建筑物受護(hù)范圍時必須考慮煤層走向和傾向方向，劃定的受護(hù)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(zhǔn)確轉(zhuǎn)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(jìn)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(shè)與壓煤開采規(guī)范》附錄實測參數(shù)表[3]，結(jié)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(qiáng)、計算量少、簡單易操作的特點(diǎn)。要點(diǎn)有四。一是在每個邊界拐點(diǎn)做兩條垂線，分別垂直于該拐點(diǎn)所在的兩條保護(hù)邊界，以圖2中的a點(diǎn)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(diǎn)123456和圍護(hù)帶寬度確定拐點(diǎn)1′2′3′4′5′6′為受護(hù)邊界外，要考慮松散層移動角帶來的變形影響，在受護(hù)邊界拐點(diǎn)1′2′3′4′5′6′組成的范圍向外按照s=hcotφ=25×cot45°=25m（h為當(dāng)?shù)厮缮雍穸?，s為外擴(kuò)寬度）確定外擴(kuò)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(diǎn)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(hù)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(diǎn)的煤層深度）；α為煤層傾角；θ為圍護(hù)帶邊界與煤層傾向線所夾的銳角；β'、γ'為基巖內(nèi)斜交剖面移動角。四是在abcde各拐點(diǎn)做垂線時，要結(jié)合煤炭資源儲量分布圖認(rèn)真分析各拐點(diǎn)所在區(qū)下覆煤層傾向，有可能同一個拐點(diǎn)的兩條垂線均為上山方向或均為下山方向。以a點(diǎn)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(diǎn)需要特別注意。最終按照各拐點(diǎn)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(xì)分相結(jié)合的特點(diǎn)，準(zhǔn)確性高，計算量可根據(jù)精度要求進(jìn)行調(diào)整。其主要理論特點(diǎn)是，在宏觀模型構(gòu)架上將每個橫向斷面的垂直剖面作為計算基礎(chǔ)，在細(xì)節(jié)上進(jìn)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(jié)果。橫向（斷面）豎直剖面法有兩大要點(diǎn)。一是根據(jù)所建線路工程等級確定路堤坡腳外擴(kuò)距離（根據(jù)工程等級查表確定）abcdeff'e'd'c'b'a'為受護(hù)邊界，再加圍護(hù)帶外擴(kuò)寬度（根據(jù)工程等級查表確定），確定a1b1c1d1e1f1f1'e1'd1'c1'b1'a1'為受護(hù)面積，即各橫向斷面起算點(diǎn)。各斷面起算點(diǎn)的準(zhǔn)確劃定是決定后續(xù)計算結(jié)果的直接基礎(chǔ)。二是要格外注意線路轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎位置上山角和下山角的對應(yīng)問題，如線路轉(zhuǎn)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(jī)械套用上下山角值。2.4在實際運(yùn)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(yīng)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(guān)系復(fù)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(jīng)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(zhǔn)確問題，在實際運(yùn)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(dāng)遇到構(gòu)筑物與煤層斜交計算時，在松散層內(nèi)采用φ角畫直線；在基巖內(nèi)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(diǎn)即為保護(hù)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(jìn)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(hù)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(jié)果的準(zhǔn)確性，斜交誤差未消除也是評估中常見且易忽略的技術(shù)難題。
3結(jié)語
本文通過對壓覆礦產(chǎn)資源評估中各類規(guī)范的分析，結(jié)合多年經(jīng)驗，提出了壓覆礦產(chǎn)資源評估的兩類計算模型。第一類是沉積巖層狀礦產(chǎn)模型，第二類是脈狀和液體礦產(chǎn)模型。因第二類計算方法比較簡單，本文重點(diǎn)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(diǎn)，重點(diǎn)分析各自的使用要點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。這對提高從業(yè)技術(shù)人員壓覆礦產(chǎn)資源評估技術(shù)水平有很好的借鑒意義，有利于壓覆礦產(chǎn)資源評估的開展，能夠更好地促進(jìn)行業(yè)技術(shù)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(zhì)局二二六地質(zhì)隊 江西省煤田地質(zhì)勘察研究院 江西省自然資源廳 山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊