高速公路压覆煤炭资源节约与综合利用探讨

2012-01-25张玉法王大刚王昌念高国强

中国矿业 2012年4期

张玉法,王大刚,王昌念,高国强

(1.四川省煤田地质工程勘察设计研究院,四川成都 610072; 2.成都理工大学,四川成都 610059;3.四川省川煤矿山勘测设计有限责任公司，四川成都 610031)

铁路、公路是国民经济的动脉，这些构筑物延伸长度大，留设保护煤柱时压煤量大，据不完全统计，我国铁路下压煤总量达到18.91亿t[1-2]。随着铁路建设的发展，铁路下压煤量不断增大。而公路也是国民经济的基础设施，是交通体系的重要组成部分，近年来高速公路建设不断发展，高速公路下压煤开采已经成为“三下”采煤的又一大问题。地下开采将对公路造成一定影响，高速公路下采煤已经成为“三下”采煤的新课题，必须加以研究[3-5]。

当前我国正处于经济建设高速发展时期，建设项目压覆矿产资源呈快速增长态势。据初步统计，2000～2009年,全国各省(区、市)共受理了建设项目压覆矿产资源申请1.19万件，压覆的矿产资源涉及到60多个矿种，其中压覆煤炭资源储量达200多亿t，铁矿近1亿t[6-7]。协调建设项目与矿产资源保护、开发的任务越来越重。

开采地下矿产(煤炭)资源和高度公路建设是既矛盾又统一的两个方面。一方面是高速公路基础设施建设与运行安全可靠，另一方面是煤炭资源的节约与综合利用，故而高速公路压覆煤炭资源节约与综合利用成为本文所探讨的课题。

1 矿产资源背景与压覆研究现状

矿产资源属于国家所有，所有权包括矿产资源的占有、使用、收益、处分的权能。建设项目压覆矿产资源,实质上是对矿产资源的处置，必须得到《矿产资源法》授权部门即地质矿产主管部门的许可[8]。煤炭是我国主体能源，是能源安全的基石，是重要的工业原料，也是国民经济发展的重要物质基础[9]。为了满足日益增长的煤炭需求，要树立煤炭资源忧患意识，保证煤炭资源的安全有效供给，切实把节约煤炭资源放到更加重要的地位，走依靠科技进步的道路，加快建设节约型社会，引导社会迈向能源有效利用的新时代。

原煤炭工业部1985年8月颁发《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，在煤矿生产建设中曾起到了积极的作用。近十五年来，随着科学技术的发展，我国煤矿工程技术人员和科研工作者在采煤引起地表移动、覆岩破坏和底板采动影响规律，以及建筑物、水体、铁路、井巷煤柱留设与压煤开采技术的研究应用等方面做了大量工作，积累了相当丰富的科学资料和时间经验。原《规程》无论在内容和深度上，还是在重要的技术要求上，都不能满足煤矿生产建设的实际需要。为此，国家煤炭工业局有关部门组织科研、高等院校、生产企业的有关人员，根据我国近十几年“三下”(建筑物下、水体下、铁路下)开采的实践经验和科研成果，对原《规程》进行了大量的补充和修订，并广泛征求了有关部门的意见，编制了新的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称规程)[10-11]。

国内高速公路下采煤的研究还尚处于初始阶段，目前国内这方面主要借鉴村庄、建设物、铁路下采煤的一些相关的经验和措施[12]。本文结合纳黔高速公路湾丘煤厂煤炭资源压覆这一问题进行了研究。根据压煤区地质条件和相关规程，根据移动角的大小及煤层自身情况，确定煤层安全开采深度，提出了节约与综合利用煤炭资源的对策。

2 依据与理论模型

压覆矿产是指在当前技术经济条件下，因建设项目或规划项目实施后，导致已查明的矿产资源不能开发利用。即报国务院和省政府审批的单独选址建设项目压覆矿产资源的审批工作，由建设单位委托有资质的地质勘查单位开展调查工作，编写《建设项目压覆矿产资源调查报告》，由建设项目所在地的县(市、区)国土资源主管部门出具项目压矿证明材料，经市国土资源主管部门初审后，按照有关规定报省国土资源主管部门或国土资源部审批[13]。

2.1 行业现行规程要求

国家煤炭工业出版社出版发行《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》P35第64条，国家一级铁路薄及中厚煤层的采深与单层采厚比大于或等于150时，允许采用全部垮落法进行开采，纳黔高速公路按照国家一级铁路标准进行考虑[14]。

纳黔高速公路为线形工程，在保证路基、路堤、路堑稳定的前提下，地面受护面积以公路用地范围为准，沿两侧界线向外留设的围护带，高速公路围护带按保护等级Ⅰ级宽度为20m。保护煤柱在线路横剖面上以围护带边界按移动角法设置，移动角选取按规程附录5附表5—3[15]，上山移动角(γ)取70°，下山移动角(δ)=70°-(26°×0.4)=59.6°，移动角范围内作为压覆区。

2.2 理论模型

本文对高速公路煤炭资源压覆条件进行了系统的分析归纳并建立模型，根据“三下”采煤规程，将煤层1、2、3资源压覆情况理论模型介绍如下：①模型理论比小于采深与采厚比，即如图H1/h1<150,煤炭资源开采将会影响高速公路建设；为了满足规程，煤炭资源不具备开采条件,煤炭资源全部压覆，即不存在煤炭资源节约与综合利用的问题；②模型理论比大于采深与采厚比，即如图H3/h3≥150,煤炭资源开采将不会影响高速公路建设，煤炭资源具备开采条件，煤炭资源不存在压覆的问题，即不存在煤炭资源节约与综合利用的问题；③模型理论比小于采深与采厚比，即如图H2/h2<150,煤炭资源开采将会有影响高速公路建设的可能性；为了满足规程，如何开采煤炭资源就是关键的问题；通过调整采深与采厚比,使得H3/h3*∮≥150,即部分煤炭资源在满足规程要求下具备开采条件，即存在煤炭资源压覆及节约与综合利用的问题。

3 资源节约的分析与研究

当模型理论比介于采深与采厚比之间，煤炭资源开采将会有影响高速公路建设的可能性。如何开采煤炭资源，需要理论模型与实际情况结合并进行分析研究，其中，煤层埋深是固有属性，开采煤层的厚度为可变属性，开采煤层分为厚煤层、中厚煤层、薄煤层及煤层群。此次以煤层采用顶板全陷落的方法作为开采基础，当开采煤层在冒落带最大高度范围内的多煤层定为煤层群，超过煤层冒落带最大高度范围外的煤层定为单一煤层。

故开采煤层在满足规程要求时，尽量节约利用煤炭资源，减少压覆煤炭资源量，煤层埋深为固有属性，不可调整；故对煤层的厚度(可变属性)提出了要求。针对厚煤层、中厚煤层及薄煤层等单一煤层情况，需要确定开采煤层的厚度来保证满足规程要求。

H/(h*∮)=150

(1)

式中：h为煤层厚度，m;H为煤层埋深，m;∮为开采煤层百分率，%。

根据煤层本身特征，煤层从顶到底煤质的变化情况，选择较为合适煤层的一部分进行开采，开采的煤炭资源即为节约的资源，选择煤质较好的那部分为综合利用的部分。例如，煤层赋存深度150m，煤层厚度3m，为了保证高度公路的采深与采厚比150时，本次煤层开采煤层为1m，放弃2m煤层厚度。再设煤层中部1m煤层煤质最好，本次开采煤层煤质最好的这部分煤，故节约利用了1m厚度的煤炭资源，同时选择了煤质最好的那部分煤进行开采，进而达到了节约与综合利用煤炭资源的效果。

针对煤层群的情况，可适当选择性开采部分煤层或者煤层的一部分，放弃部分煤层或者一部分煤层的一部分，以满足采深与采厚比满足规程的要求。本文介于煤层群各煤层之间距离较近考虑，煤层埋深之间相差不大，为了便于数据处理，将煤层群赋存深度统一考虑为一个埋深。当埋深与各煤层开采厚度之和比满足规程≥150要求时，即可开采，如下：

(2)

式中：h1、h2、h3为各煤层厚度，(m)；H为煤层埋深，(m)。

或者

(3)

例如，连续三层煤层C1、C2、C3，层间距为1m、2m，煤层厚度为1.5m、1.2m、1.1m；煤层埋深为345m，本次选择开采1.2m及1.1m的煤层(两层煤层合计厚度为2.3m,与埋深之间的比恰好满足150)，放弃开采1.5m的C1煤层；亦可借鉴单一煤层的方法，开采煤层的的一部分；即可开采1.5m厚的煤层(∮取值为80%)上部或下部的1.2m厚的煤层，开采C1、C3煤层；亦可开采1.5m厚的煤层(∮取值为73.3%)上部或下部的1.1m厚的煤层，开采C1、C2煤层。根据不同组合及∮取值的不同，选择开采煤层的方式多样，本文仅做方法介绍。

4 压覆煤炭资源实例分析

4.1 纳黔高速公路及湾丘煤厂概况

四川省境内纳溪至川黔界段高速公路位于四川省南部，是国家高速公路建设规划中国道321线重要组成路段，是四川省经贵阳通往广西北海出海大通道组成部分。

湾丘煤厂现有采矿许可证为2004年7月四川省国土资源厅颁发，证号：5100000430521，有效期自2004年7月至2014年7月，矿山范围由9个坐标拐点圈定，面积矿山面积0.8276km2，开采深度+680～+418m。

4.2 压覆区煤炭资源特征

矿山压覆区可采煤层4层，分别为煤层C19、C20、C24、C25、C19煤层位于龙潭组下部，下距C20煤层约12m，煤厚0.70m；C20煤层位于龙潭组下部，下距C24煤层约3.4m，煤厚0.70m；C24煤层位于龙潭组下部，下距C25煤层39m，煤厚1.0m；C25煤层位于龙潭组下部，下距P1m灰岩0～3m，煤厚1.20m。

4.3 纳黔高速公路与湾丘煤矿平面关系和空间关系

纳黔高速公路于K48+940～K50+050段线路横穿湾丘煤厂采矿权范围；本次压覆区为公路轴线K48+948～K50+050段两侧各300m。矿山开采C19、C20、C24、C25煤层，开采标高+680～418m，煤矿生产系统主要位于+560水平主运输大巷及各煤层运输巷及+620水平各煤层回风巷。高速公路中线地面高程在720～780m，距+620水巷道高差为100～160m。

4.4 纳黔高速公路压覆煤炭资源节约与综合利用探讨

煤层埋深与采厚比直接影响到高速公路建设与运行的安全与可靠，其安全开采深度决定了煤炭资源是否可以开采，若可以开采，如何开采得以满足规程要求。根据纳黔高速公路压覆煤炭资源的情况，表现了上述理论模型的三种形态。

湾丘煤矿主要开采C19、C20、C24、C25煤层，含煤地层岩性为灰色、深灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩组成，本次按照煤炭工业部制定煤炭工业出版社发行的《矿井水文地质规程》[15]，岩石以砂质泥岩、泥质砂岩、泥岩为主，故采用：

(4)

式中：M为累计采厚，(m)；n为煤分层层数；m为煤层厚度，(m)。

本次为高速公路建设，考虑安全可靠因素，系数取大值4。当C19、C20、C24、C25全部开采时，冒落带最大高度分别为2.8m、2.8m、4.0m、4.8m。C24冒落带最大高度4.0m大于C20、C24煤层层间距3.4m，故对两层煤进行合并考虑。C20+24全部开采时，冒落带最大高度6.8m。按照冒落带最大高度可确定C19、C20+24、C25煤层开采相互之间不会产生影响。按照规程要求，将压覆情况分析如下：

1)采深与采厚比<150。根据剖面图1-1’所示，当开采C19、C20+24、C25煤层时，需要满足规程的采深与采厚比时，其安全开采深度分别为105m、255m、180m，该剖面煤层埋深均位于安全深度以浅。故C19、C20+24、C25煤层均不能进行开采。

2)采深与采厚比≥150。在满足采深与采厚比的要求时，当C19、C20+24、C25煤层进行开采时，煤层开采安全深度分别为105m、255m、180m，表明在矿权范围内 C19煤层可全层开采，C25煤层可在埋深180m以下可进行开采，C20+24煤层255m以上全部禁采。矿权范围内C20+24煤层255m以上浪费，C25煤层埋深180m以上浪费。

3)采深与采厚比由<150调整为≥150。在该剖面位置矿权内开采埋深120～180m范围内C25煤炭资源，百分率∮取值多少，可保证在此范围内开采。根据公式1反算，C25煤层∮取值为80%时，可开采煤层厚度0.8m，采深与采厚比将等于150，恰好满足规程要求。

在该剖面位置矿权内开采埋深120～255m范围内C20+24煤炭资源时，若C20+24煤层若全部开采，采深与采厚比不能规程要求；若全部禁采，浪费了矿权标高范围内的煤炭资源。若开采C20+24其中一层煤时，可以满足规程要求的埋深与压覆比。因C24与C20煤层间距仅3.4m，C20煤层稳定至较稳定，煤质较好，顶板便于管理；C24煤质差、灰份重，且煤层稳定性较好；虽C20煤层厚度小于C24煤层厚度，根据煤矿实际情况及经济上面分析，开采C20煤层较为合适，故选择开采C20煤层，禁止开采C24煤层。

4.5 压覆矿产资源量估算与对比

本文分别在各剖面上进行分析研究，在满足规程的要求下，确定可开采的煤层及煤层的厚度，从剖面1-1’至剖面6-6’方向，由全部压覆至部分压覆，根据压覆情况，对C19、C20+24、C25煤层分别按两种方法估算资源量。

第一种方法，开采C19、C20+24、C25全层煤层时，根据压覆资源量估算，C19煤层压覆矿产资源量4.83万t；C20+24煤层压覆矿产资源量34.83万t；C25煤层压覆矿产资源量5.97万t；压覆资源量共计45.63万t。

第二种方法，开采C19全煤层，C19煤层压覆矿产资源量4.83万t。从剖面6-6’可知，开采C20+24中的C20煤层时，C20+24(C24)煤层压覆资源量为20.49万t。C25煤层埋深在180m以下时，从剖面6-6’可知，开采全煤层；埋深在180m以上时，开采0.8m厚的部分煤层，C25煤层压覆矿产资源量1.99万t。压覆资源量共计27.31万t。

两种方法相互比较，第二种方法较第一种方法压覆资源量少18.32万t，故节约与综合利用资源量为18.32万t。本文利用方法即使高速公路建设压覆达到了规程要求，又节约与综合利用了煤炭资源。