高速公路壓覆煤炭資源節約與綜合利用探討

張玉法,王大剛,王昌念,高國強

(1.四川省煤田地質工程勘察設計研究院,四川 成都 610072; 2.成都理工大學,四川 成都 610059;3.四川省川煤礦山勘測設計有限責任公司，四川 成都 610031)

鐵路、公路是國民經濟的動脈，這些構筑物延伸長度大，留設保護煤柱時壓煤量大，據不完全統計，我國鐵路下壓煤總量達到18.91億t[1-2]。隨著鐵路建設的發展，鐵路下壓煤量不斷增大。而公路也是國民經濟的基礎設施，是交通體系的重要組成部分，近年來高速公路建設不斷發展，高速公路下壓煤開采已經成為“三下”采煤的又一大問題。地下開采將對公路造成一定影響，高速公路下采煤已經成為“三下”采煤的新課題，必須加以研究[3-5]。

當前我國正處于經濟建設高速發展時期，建設項目壓覆礦產資源呈快速增長態勢。據初步統計，2000～2009年,全國各省(區、市)共受理了建設項目壓覆礦產資源申請1.19萬件，壓覆的礦產資源涉及到60多個礦種，其中壓覆煤炭資源儲量達200多億t，鐵礦近1億t[6-7]。協調建設項目與礦產資源保護、開發的任務越來越重。

開采地下礦產(煤炭)資源和高度公路建設是既矛盾又統一的兩個方面。一方面是高速公路基礎設施建設與運行安全可靠，另一方面是煤炭資源的節約與綜合利用，故而高速公路壓覆煤炭資源節約與綜合利用成為本文所探討的課題。

1 礦產資源背景與壓覆研究現狀

礦產資源屬于國家所有，所有權包括礦產資源的占有、使用、收益、處分的權能。建設項目壓覆礦產資源,實質上是對礦產資源的處置，必須得到《礦產資源法》授權部門即地質礦產主管部門的許可[8]。煤炭是我國主體能源，是能源安全的基石，是重要的工業原料，也是國民經濟發展的重要物質基礎[9]。為了滿足日益增長的煤炭需求，要樹立煤炭資源憂患意識，保證煤炭資源的安全有效供給，切實把節約煤炭資源放到更加重要的地位，走依靠科技進步的道路，加快建設節約型社會，引導社會邁向能源有效利用的新時代。

原煤炭工業部1985年8月頒發《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，在煤礦生產建設中曾起到了積極的作用。近十五年來，隨著科學技術的發展，我國煤礦工程技術人員和科研工作者在采煤引起地表移動、覆巖破壞和底板采動影響規律，以及建筑物、水體、鐵路、井巷煤柱留設與壓煤開采技術的研究應用等方面做了大量工作，積累了相當豐富的科學資料和時間經驗。原《規程》無論在內容和深度上，還是在重要的技術要求上，都不能滿足煤礦生產建設的實際需要。為此，國家煤炭工業局有關部門組織科研、高等院校、生產企業的有關人員，根據我國近十幾年“三下”(建筑物下、水體下、鐵路下)開采的實踐經驗和科研成果，對原《規程》進行了大量的補充和修訂，并廣泛征求了有關部門的意見，編制了新的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱規程)[10-11]。

國內高速公路下采煤的研究還尚處于初始階段，目前國內這方面主要借鑒村莊、建設物、鐵路下采煤的一些相關的經驗和措施[12]。本文結合納黔高速公路灣丘煤廠煤炭資源壓覆這一問題進行了研究。根據壓煤區地質條件和相關規程，根據移動角的大小及煤層自身情況，確定煤層安全開采深度，提出了節約與綜合利用煤炭資源的對策。

2 依據與理論模型

壓覆礦產是指在當前技術經濟條件下，因建設項目或規劃項目實施后，導致已查明的礦產資源不能開發利用。即報國務院和省政府審批的單獨選址建設項目壓覆礦產資源的審批工作，由建設單位委托有資質的地質勘查單位開展調查工作，編寫《建設項目壓覆礦產資源調查報告》，由建設項目所在地的縣(市、區)國土資源主管部門出具項目壓礦證明材料，經市國土資源主管部門初審后，按照有關規定報省國土資源主管部門或國土資源部審批[13]。

2.1 行業現行規程要求

國家煤炭工業出版社出版發行《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》P35第64條，國家一級鐵路薄及中厚煤層的采深與單層采厚比大于或等于150時，允許采用全部垮落法進行開采，納黔高速公路按照國家一級鐵路標準進行考慮[14]。

納黔高速公路為線形工程，在保證路基、路堤、路塹穩定的前提下，地面受護面積以公路用地范圍為準，沿兩側界線向外留設的圍護帶，高速公路圍護帶按保護等級Ⅰ級寬度為20m。保護煤柱在線路橫剖面上以圍護帶邊界按移動角法設置，移動角選取按規程附錄5附表5—3[15]，上山移動角(γ)取70°，下山移動角(δ)=70°-(26°×0.4)=59.6°，移動角范圍內作為壓覆區。

2.2 理論模型

本文對高速公路煤炭資源壓覆條件進行了系統的分析歸納并建立模型，根據“三下”采煤規程，將煤層1、2、3資源壓覆情況理論模型介紹如下：①模型理論比小于采深與采厚比，即如圖H1/h1<150,煤炭資源開采將會影響高速公路建設；為了滿足規程，煤炭資源不具備開采條件,煤炭資源全部壓覆，即不存在煤炭資源節約與綜合利用的問題；②模型理論比大于采深與采厚比，即如圖H3/h3≥150,煤炭資源開采將不會影響高速公路建設，煤炭資源具備開采條件，煤炭資源不存在壓覆的問題，即不存在煤炭資源節約與綜合利用的問題；③模型理論比小于采深與采厚比，即如圖H2/h2<150,煤炭資源開采將會有影響高速公路建設的可能性；為了滿足規程，如何開采煤炭資源就是關鍵的問題；通過調整采深與采厚比,使得H3/h3*∮≥150,即部分煤炭資源在滿足規程要求下具備開采條件，即存在煤炭資源壓覆及節約與綜合利用的問題。

3 資源節約的分析與研究

當模型理論比介于采深與采厚比之間，煤炭資源開采將會有影響高速公路建設的可能性。如何開采煤炭資源，需要理論模型與實際情況結合并進行分析研究，其中，煤層埋深是固有屬性，開采煤層的厚度為可變屬性，開采煤層分為厚煤層、中厚煤層、薄煤層及煤層群。此次以煤層采用頂板全陷落的方法作為開采基礎，當開采煤層在冒落帶最大高度范圍內的多煤層定為煤層群，超過煤層冒落帶最大高度范圍外的煤層定為單一煤層。

故開采煤層在滿足規程要求時，盡量節約利用煤炭資源，減少壓覆煤炭資源量，煤層埋深為固有屬性，不可調整；故對煤層的厚度(可變屬性)提出了要求。針對厚煤層、中厚煤層及薄煤層等單一煤層情況，需要確定開采煤層的厚度來保證滿足規程要求。

H/(h*∮)=150

(1)

式中：h為煤層厚度，m;H為煤層埋深，m;∮為開采煤層百分率，%。

根據煤層本身特征，煤層從頂到底煤質的變化情況，選擇較為合適煤層的一部分進行開采，開采的煤炭資源即為節約的資源，選擇煤質較好的那部分為綜合利用的部分。例如，煤層賦存深度150m，煤層厚度3m，為了保證高度公路的采深與采厚比150時，本次煤層開采煤層為1m，放棄2m煤層厚度。再設煤層中部1m煤層煤質最好，本次開采煤層煤質最好的這部分煤，故節約利用了1m厚度的煤炭資源，同時選擇了煤質最好的那部分煤進行開采，進而達到了節約與綜合利用煤炭資源的效果。

針對煤層群的情況， 可適當選擇性開采部分煤層或者煤層的一部分，放棄部分煤層或者一部分煤層的一部分，以滿足采深與采厚比滿足規程的要求。本文介于煤層群各煤層之間距離較近考慮，煤層埋深之間相差不大，為了便于數據處理，將煤層群賦存深度統一考慮為一個埋深。當埋深與各煤層開采厚度之和比滿足規程≥150要求時，即可開采，如下：

(2)

式中：h1、h2、h3為各煤層厚度，(m)；H為煤層埋深，(m)。

或者

(3)

例如，連續三層煤層C1、C2、C3，層間距為1m、2m，煤層厚度為1.5m、1.2m、1.1m；煤層埋深為345m，本次選擇開采1.2m及1.1m的煤層(兩層煤層合計厚度為2.3m,與埋深之間的比恰好滿足150)，放棄開采1.5m的C1煤層；亦可借鑒單一煤層的方法，開采煤層的的一部分；即可開采1.5m厚的煤層(∮取值為80%)上部或下部的1.2m厚的煤層，開采C1、C3煤層；亦可開采1.5m厚的煤層(∮取值為73.3%)上部或下部的1.1m厚的煤層，開采C1、C2煤層。根據不同組合及∮取值的不同，選擇開采煤層的方式多樣，本文僅做方法介紹。

4 壓覆煤炭資源實例分析

4.1 納黔高速公路及灣丘煤廠概況

四川省境內納溪至川黔界段高速公路位于四川省南部，是國家高速公路建設規劃中國道321線重要組成路段，是四川省經貴陽通往廣西北海出海大通道組成部分。

灣丘煤廠現有采礦許可證為2004年7月四川省國土資源廳頒發，證號：5100000430521，有效期自2004年7月至2014年7月，礦山范圍由9個坐標拐點圈定，面積礦山面積0.8276km2，開采深度+680～+418m。

4.2 壓覆區煤炭資源特征

礦山壓覆區可采煤層4層，分別為煤層C19、C20、C24、C25、C19煤層位于龍潭組下部，下距C20煤層約12m，煤厚0.70m；C20煤層位于龍潭組下部，下距C24煤層約3.4m，煤厚0.70m；C24煤層位于龍潭組下部，下距C25煤層39m，煤厚1.0m；C25煤層位于龍潭組下部，下距P1m灰巖0～3m，煤厚1.20m。

4.3 納黔高速公路與灣丘煤礦平面關系和空間關系

納黔高速公路于K48+940～K50+050段線路橫穿灣丘煤廠采礦權范圍；本次壓覆區為公路軸線K48+948～K50+050段兩側各300m。礦山開采C19、C20、C24、C25煤層，開采標高+680～418m，煤礦生產系統主要位于+560水平主運輸大巷及各煤層運輸巷及+620水平各煤層回風巷。高速公路中線地面高程在720～780m，距+620水巷道高差為100～160m。

4.4 納黔高速公路壓覆煤炭資源節約與綜合利用探討

煤層埋深與采厚比直接影響到高速公路建設與運行的安全與可靠，其安全開采深度決定了煤炭資源是否可以開采，若可以開采，如何開采得以滿足規程要求。根據納黔高速公路壓覆煤炭資源的情況，表現了上述理論模型的三種形態。

灣丘煤礦主要開采C19、C20、C24、C25煤層，含煤地層巖性為灰色、深灰色、灰黑色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖組成，本次按照煤炭工業部制定煤炭工業出版社發行的《礦井水文地質規程》[15]，巖石以砂質泥巖、泥質砂巖、泥巖為主，故采用：

(4)

式中：M為累計采厚，(m)；n為煤分層層數；m為煤層厚度，(m)。

本次為高速公路建設，考慮安全可靠因素，系數取大值4。當C19、C20、C24、C25全部開采時，冒落帶最大高度分別為2.8m、2.8m、4.0m、4.8m。C24冒落帶最大高度4.0m大于C20、C24煤層層間距3.4m，故對兩層煤進行合并考慮。C20+24全部開采時，冒落帶最大高度6.8m。按照冒落帶最大高度可確定C19、C20+24、C25煤層開采相互之間不會產生影響。按照規程要求，將壓覆情況分析如下：

1)采深與采厚比<150。根據剖面圖1-1’所示，當開采C19、C20+24、C25煤層時，需要滿足規程的采深與采厚比時，其安全開采深度分別為105m、255m、180m，該剖面煤層埋深均位于安全深度以淺。故C19、C20+24、C25煤層均不能進行開采。

2)采深與采厚比≥150。在滿足采深與采厚比的要求時，當C19、C20+24、C25煤層進行開采時，煤層開采安全深度分別為105m、255m、180m，表明在礦權范圍內 C19煤層可全層開采，C25煤層可在埋深180m以下可進行開采，C20+24煤層255m以上全部禁采。礦權范圍內C20+24煤層255m以上浪費，C25煤層埋深180m以上浪費。

3)采深與采厚比由<150調整為≥150。在該剖面位置礦權內開采埋深120～180m范圍內C25煤炭資源，百分率∮取值多少，可保證在此范圍內開采。根據公式1反算，C25煤層∮取值為80%時，可開采煤層厚度0.8m，采深與采厚比將等于150，恰好滿足規程要求。

在該剖面位置礦權內開采埋深120～255m范圍內C20+24煤炭資源時，若C20+24煤層若全部開采，采深與采厚比不能規程要求；若全部禁采，浪費了礦權標高范圍內的煤炭資源。若開采C20+24其中一層煤時，可以滿足規程要求的埋深與壓覆比。因C24與C20煤層間距僅3.4m，C20煤層穩定至較穩定，煤質較好，頂板便于管理；C24煤質差、灰份重，且煤層穩定性較好；雖C20煤層厚度小于C24煤層厚度，根據煤礦實際情況及經濟上面分析，開采C20煤層較為合適，故選擇開采C20煤層，禁止開采C24煤層。

4.5 壓覆礦產資源量估算與對比

本文分別在各剖面上進行分析研究，在滿足規程的要求下，確定可開采的煤層及煤層的厚度，從剖面1-1’至剖面6-6’方向，由全部壓覆至部分壓覆，根據壓覆情況，對C19、C20+24、C25煤層分別按兩種方法估算資源量。

第一種方法，開采C19、C20+24、C25全層煤層時，根據壓覆資源量估算，C19煤層壓覆礦產資源量4.83萬t；C20+24煤層壓覆礦產資源量34.83萬t；C25煤層壓覆礦產資源量5.97萬t；壓覆資源量共計45.63萬t。

第二種方法，開采C19全煤層，C19煤層壓覆礦產資源量4.83萬t。從剖面6-6’可知，開采C20+24中的C20煤層時，C20+24(C24)煤層壓覆資源量為20.49萬t。C25煤層埋深在180m以下時，從剖面6-6’可知，開采全煤層；埋深在180m以上時，開采0.8m厚的部分煤層，C25煤層壓覆礦產資源量1.99萬t。壓覆資源量共計27.31萬t。

兩種方法相互比較，第二種方法較第一種方法壓覆資源量少18.32萬t，故節約與綜合利用資源量為18.32萬t。本文利用方法即使高速公路建設壓覆達到了規程要求，又節約與綜合利用了煤炭資源。

5 結論與建議

對地下礦產資源進行評估時，是否屬于壓覆而影響開采，應進行全面的調查評價來確定，不能千篇一律的死板硬套規程。在滿足規程的同時，需通過綜合分析研究，有選擇性的開采部分礦產資源，達到節約與綜合利用的目的。通過納黔高速公路與灣丘煤廠得壓覆實例分析可得，節約資源量18.32萬t。

在考慮壓覆煤炭資源資源量估算所采用的數學方法，主要依靠簡單的數學模型，未采用微分等高等數學方法解決節約與綜合利用這一問題，僅思路鮮明，但精度較低，深度不夠，建議在壓覆計算時，采用新的計算方法來估算資源量，達到更大程度的節約與綜合利用礦產資源。

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