基于垂線法和剖面法的礦產(chǎn)資源壓覆儲量估算

陳卓利，李恩花

(河南省資源環(huán)境調(diào)查二院，河南 洛陽 471023)

小浪底南岸灌區(qū)從黃河小浪底水庫南岸引水，是小浪底水利樞紐的配套工程，根據(jù)《小浪底南岸灌區(qū)工程建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報告的批復(fù)》(豫發(fā)改農(nóng)經(jīng)〔2019〕102號)建設(shè)該項(xiàng)目。小浪底南岸灌區(qū)位于河南省西部嚴(yán)重干旱缺水地區(qū)，常年降水量稀少，灌區(qū)內(nèi)地表水可利用量有限，工農(nóng)業(yè)及生活用水主要靠開采地下水，造成地下水位下降，局部形成漏斗區(qū)，而小浪底水利樞紐工程已于十幾年前建成投入使用，促使該地區(qū)成為設(shè)施型缺水灌區(qū)。該灌區(qū)已列入河南省糧食生產(chǎn)核心區(qū)建設(shè)規(guī)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目，為提高糧食綜合生產(chǎn)能力、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)目標(biāo)、保障國家糧食安全，緩解灌區(qū)日益突出的水資源供需矛盾，有效改善灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)供水條件，提高農(nóng)民收入，促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)施小浪底南岸灌區(qū)工程建設(shè)意義重大[1-3]。

1 自然地理與工程概況

1.1 項(xiàng)目區(qū)自然地理

小浪底南岸灌區(qū)位于河南省洛陽市北邙嶺地區(qū)，北靠黃河，南臨洛河。灌區(qū)轄孟津縣、偃師市、洛陽市郊區(qū)和鞏義市共21個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，328個行政村，總?cè)丝?0.72萬人，設(shè)計灌溉面積357.87 km2。灌區(qū)在地貌單元上屬于低山丘陵區(qū)，地形起伏大，嶺邊沖溝發(fā)育，溝谷切割劇烈，深度大，山嶺高程為+260～+420 m，溝底高程+200～+310 m。灌區(qū)內(nèi)絕大部分被第四系土層覆蓋，僅很少量基巖出露。其地形特點(diǎn)為西高東低，中間為黃河與洛河水系的分水嶺，分別向北和南傾斜，邙嶺貫穿全境。西部為淺山區(qū)，中東部為黃土丘陵區(qū)。送莊以西崗丘起伏，以東較平坦，中間有一道“魚脊”。灌區(qū)土壤分為褐土和潮土2個土類，灌區(qū)除北部黃河二級階地和南部洛河二級階地為潮土外，其余為褐土，褐土占灌區(qū)面積的90%以上，潮土占比不足10%。灌區(qū)所屬氣候區(qū)為暖濕帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)植被適生面廣。由于人類長期的開發(fā)活動，原生自然植被現(xiàn)均已被各種農(nóng)作物及牡丹所替代。極少區(qū)域還存在一些野生植被資源，主要有菊科、木本科、薔薇科、豆科等。在生產(chǎn)中應(yīng)用的主要有泡桐、楊、柳、中國槐、刺槐等用材樹種，梨、蘋果、桃、李、杏等果木樹種，杜仲、銀杏、花椒等特用經(jīng)濟(jì)樹種以及牡丹等觀賞樹種。小浪底南岸灌區(qū)內(nèi)的河流水系屬黃河流域。灌區(qū)北有黃河，南有黃河支流洛河，西有洛河支流澗河，灌區(qū)內(nèi)主要有洛河支流瀍河、澗河支流金水河、金水河支流洛溝河和黃河支流圖河、河清河。南岸灌區(qū)處于副熱帶季風(fēng)區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候明顯，冷暖氣團(tuán)交替頻繁，降雨時空分布不平衡，灌區(qū)內(nèi)干旱、洪澇、風(fēng)沙和雹霜等自然災(zāi)害時有發(fā)生，旱災(zāi)以春季出現(xiàn)概率最多，夏季次之，秋旱、伏旱亦時常發(fā)生。澇災(zāi)多發(fā)生在汛期，來勢迅猛，且危害嚴(yán)重，旱澇災(zāi)害仍為區(qū)內(nèi)主要災(zāi)害。小浪底南岸灌區(qū)工程從小浪底水庫大壩上游南岸引水口引水，通過引水隧洞送至張胡溝，從張胡溝分水樞紐分水至各灌片。灌區(qū)地形特點(diǎn)為西高東低，中間為洛河與黃河水系的分水嶺，分別向北和南傾斜，邙嶺貫穿全境；西部為淺山區(qū)，占全灌區(qū)的20%；中東部為黃土丘陵區(qū)，高程為+150～+380 m，占全灌區(qū)的80%。灌區(qū)工程布置關(guān)系到工程的合理開發(fā)、渠道安全輸水及降低工程造價等有關(guān)問題，依據(jù)灌區(qū)范圍綜合考慮地形、地質(zhì)、施工條件和挖填平衡及便于管理養(yǎng)護(hù)等因素，進(jìn)行合理選擇。灌區(qū)范圍依據(jù)灌區(qū)規(guī)劃，西起孟津縣西部邊界和金水河，北臨黃河和孟津縣黃河渠，南到黃河二級階地，東到鞏義市伊洛河界。小浪底南岸灌區(qū)工程現(xiàn)狀已建成渠道4條，可利用渠道總長60.878 km。其中，孟西干渠長7.29 km；南干渠(原引黃入洛工程)長23.799 km；邙山渠長14.789 km，中州渠長15.0 km。小浪底南岸灌區(qū)通過渠系工程布置，共布置總干渠1條，自小浪底南岸引水口工程出口分水樞紐總干渠分水閘閘后漸變段末端起，線路大致呈西北—東南方向，途經(jīng)孟津縣牛王廟村、桐樹凹、十里頭等村，渠線在十里頭村西側(cè)折向東西方向，沿S314省道北側(cè)布設(shè)至?xí)随?zhèn)，渠線在會盟鎮(zhèn)東側(cè)折向南北方向，經(jīng)上古村南側(cè)穿越連霍高速至鳳凰嶺西側(cè)止，總長32.180 km。在引水口工程出口分水樞紐處設(shè)孟西干渠分水口和南干渠分水口，十里頭之前設(shè)一干分水口、十里頭東側(cè)設(shè)二干分水口，在孟津縣孟村設(shè)三干分水口，在總干渠結(jié)束點(diǎn)鳳凰嶺設(shè)四干和五干分水口。南干渠以下布置有中州渠和邙山渠，覆蓋灌區(qū)南部灌溉面積；孟西干渠以下布置有孟西一分干和孟西二分干，覆蓋灌區(qū)的中西部灌溉面積；一、二、三干覆蓋灌區(qū)的中北部灌溉面積；四干五干覆蓋灌區(qū)的東部地區(qū)的灌溉面積，主要為偃師和鞏義部分。本灌區(qū)工程包括渠道工程、配套建筑物及調(diào)蓄工程，新建總干渠1條、干渠7條、分干渠4條、支渠30條，1條城鎮(zhèn)供水管線等，總長度304.85 km；新建、改擴(kuò)建各類建筑物505座，其中分干渠以上渠道建筑物324座，支渠建筑物179座，調(diào)蓄工程2座[4-5]。

1.2 工程概況

小浪底南岸灌區(qū)工程作為小浪底水利樞紐工程的配套工程，建設(shè)任務(wù)是以農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水為主，為緩解區(qū)域地下水超采局面創(chuàng)造條件。按照《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2017)第3.0.1條規(guī)定，結(jié)合工程灌溉任務(wù)指標(biāo)和供水任務(wù)指標(biāo)綜合確定，工程規(guī)模為大⑵型，工程等別為Ⅱ等。總干渠渠道及渠系建筑物級別為4級，其他骨干渠道及其渠系建筑級別為4級、5級。灌區(qū)總干渠、四干渠、鞏義供水管線及中州渠渠道永久性水工建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇，其余干、分干及支渠渠道永久性水工建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇。灌區(qū)渠系建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)同渠道設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)。灌區(qū)總干渠、四干渠、鞏義供水管線及中州渠渠系建筑物校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，其余干、分干及支渠渠系建筑物校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇。工程地震基本烈度為Ⅶ度，主要建筑物按Ⅶ度考慮。

河南省小浪底南岸灌區(qū)工程建設(shè)項(xiàng)目(洛陽段)擬征地范圍面積共159.58 hm2，征地范圍由198個地塊組成，編號孟津地塊(MJ)、偃師地塊(YS)、洛龍地塊(LL)。擬建項(xiàng)目征地范圍與擬壓覆省財政地質(zhì)勘查項(xiàng)目疊合如圖1所示。

圖1 擬建項(xiàng)目征地范圍與擬壓覆省財政地質(zhì)勘查項(xiàng)目疊合Fig.1 Land requisition scope of the proposed project overlaps with the financial geological survey project of the proposed overriding province

2 壓覆范圍的確定

2.1 壓覆邊界參數(shù)的確定

本壓覆區(qū)基巖以中硬砂巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，與新安煤田基本相似，本區(qū)基巖段壓覆移動角指標(biāo)確定，選用新安煤田巖層移動角參數(shù)：δ=70°，γ=70°，β=70°-0.60α，φ=45°(h∶H0≥0.5)或φ=50°(h∶H0<0.5)。δ為巖層的走向移動角；γ為巖層的上山移動角；β為巖層的下山移動角；α為煤層傾角；φ為松散層移動角；h為松散層厚度；H0為平均采深。

(1)河南省孟津縣城西南部煤預(yù)查。松散層厚度為0～70 m，平均厚度35 m。壓覆區(qū)移動角指標(biāo)選定為：走向移動角δ=70°；上山移動角γ=70°；下山移動角β=68.2°；煤層傾角α=3°。

(2)河南省孟津縣王良(擴(kuò)區(qū))煤普查。松散層厚度為0～80 m，平均厚度40 m。壓覆區(qū)移動角指標(biāo)選定為：走向移動角δ=70°；上山移動角γ=70°；下山移動角β=67.6°；煤層傾角α=4°。

(3)河南省孟津縣—偃師大石橋礦區(qū)煤礦普查。松散層厚度為14.70～49.30 m，平均厚度32 m。壓覆區(qū)移動角指標(biāo)選定為：走向移動角δ=70°；上山移動角γ=70°；下山移動角β=65.2°；煤層傾角α=8°。

(4)河南省偃龍煤田邙嶺煤預(yù)查。松散層厚度為0～54.44 m，平均厚度27.22 m。壓覆區(qū)移動角指標(biāo)選定為：走向移動角δ=70°；上山移動角γ=70°；下山移動角β=63.4°；煤層傾角α=11°。

(5)河南省偃龍煤田鞏義煤普查。松散層厚度為0～100.21 m，平均厚度50.11 m。壓覆區(qū)移動角指標(biāo)選定為：走向移動角δ=70°；上山移動角γ=70°；下山移動角β=66.4°；煤層傾角α=6°。

2.2 建(構(gòu))筑物保護(hù)等級及圍護(hù)帶寬度的確定

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》的第三章第一節(jié)構(gòu)筑物保護(hù)礦柱的留設(shè)第33條內(nèi)容[6-11]：按構(gòu)筑物的重要性、用途以及受開采影響引起的不同后果，將礦區(qū)范圍內(nèi)的構(gòu)筑物保護(hù)等級分為五級(表1)：構(gòu)筑物受護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)包括受護(hù)對象及其圍護(hù)帶，圍護(hù)帶寬度必須根據(jù)受護(hù)對象的保護(hù)等級確定，可以按表2規(guī)定的數(shù)值選用；因此該項(xiàng)目保護(hù)等級應(yīng)為Ⅱ級，擬建項(xiàng)目的圍護(hù)帶寬度為15 m。

表1 礦區(qū)構(gòu)筑物保護(hù)等級劃分Tab.1 Classification of protection grades of structures in mining areas

表2 構(gòu)筑物各保護(hù)等級的圍護(hù)帶寬度Tab.2 Width of the protective belt of each protection level of the structure

2.3 壓覆邊界的確定

2.3.1 垂線法計算擬壓覆邊界

根據(jù)《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》，有關(guān)規(guī)定以及擬建設(shè)項(xiàng)目擬征地范圍編號MG-93、MG-94、MG-95、YS-45、MJ-13、YS-22、MJ-03、實(shí)際情況，采用垂線法確定擬壓覆區(qū)范圍。

方法步驟：①在平面圖上，先將建(構(gòu))筑物建設(shè)場地邊界之外，圈出寬15 m的圍護(hù)帶邊界；②從圍護(hù)帶邊界的各角點(diǎn)向外作垂線，垂線長由各區(qū)松散層平均厚乘以余切45°所得，連接各垂線端點(diǎn)，即得到建(構(gòu))筑物在地表松散層與基巖接觸面上的保護(hù)邊界；③從得到的建(構(gòu))筑物在地表松散層與基巖接觸面上的保護(hù)邊界的各角點(diǎn)向外作垂線，河南省孟津縣城西南部煤預(yù)查二1煤層MG-94、MG-95結(jié)果為例，見表3；④在各垂線上，按比例尺截取各線段的計算長度，用直線分別連接垂線各端點(diǎn)相交于一點(diǎn)，最后將相交的點(diǎn)連接，分別得到邊界拐點(diǎn)；⑤分別用各拐點(diǎn)連線圈定建(構(gòu))筑物建設(shè)用地擬壓覆礦產(chǎn)的范圍。

表3 垂線法計算擬壓覆河南省孟津縣城西南部煤預(yù)查二1煤層MG-94、MG-95結(jié)果Tab.3 Perpendicular method to calculate the results of pre-inspection MG-94 and MG-95 of coal seams in the southwestern part of Mengjin County，Henan Province

這時應(yīng)注意區(qū)分，從本邊界的角點(diǎn)所作的垂線是向上山方向還是下山方向，若為上山方向作垂線，其長度q用式(1)計算：

q=(H-h)ctanβ′/(1+ctanβ′cosβ′tanα)

(1)

若為向下山方向作垂線，其長度l用式(2)計算：

l=(H-h)·ctanγ′/(1-ctanγ′·cosθ·

tanα)

(2)

2.3.2 剖面法擬壓覆邊界

根據(jù)《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》，實(shí)際情況采用垂直剖面法確定擬壓覆區(qū)范圍。確定壓覆范圍的步驟：①首先將設(shè)計的線路工程坐標(biāo)投影到煤層儲量估算平面圖上，在工程外側(cè)圍護(hù)帶15 m，得受護(hù)邊界。②垂直線路作剖面，根據(jù)煤層底板等高線求出各剖面上受護(hù)面積邊界點(diǎn)下方煤層埋藏深度。③計算各剖面上得斜角剖面移動角β′、γ′。

(3)

式中，γ為上山方向巖層移動角；β為下山方向巖層移動角；δ為走向方向巖層移動角；θ為圍護(hù)帶邊界線與煤層傾向線所夾銳角。

根據(jù)以上原則，以河南省孟津縣—偃師大石橋礦區(qū)煤礦普查區(qū)為例，研究煤層為二2煤層，得出各礦層換算后的β′、γ′(表4)。

表4 擬壓覆各省財政地質(zhì)勘查項(xiàng)目煤層剖面特征Tab.4 Coal seam profile characteristics of the proposed overburden provincial financial geological survey projects

2.4 壓覆范圍拐點(diǎn)坐標(biāo)

本文以孟津縣城西南部煤預(yù)查為例，擬建項(xiàng)目擬壓覆“河南省孟津縣城西南部煤預(yù)查”范圍面積191.33萬m2。擬建項(xiàng)目擬壓覆坐標(biāo)直接在河南省遙感測繪院提供的“河南省孟津縣城西南部煤預(yù)查二1煤層底板等高線及資源量估算圖(2000坐標(biāo)系)”圖件上提取。依據(jù)《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》有關(guān)規(guī)定以及本區(qū)實(shí)際情況，采用垂直剖面法和垂線設(shè)計擬壓覆區(qū)范圍。經(jīng)核實(shí)，截至2020年9月16日，通過計算，本次擬建項(xiàng)目擬壓覆省財政地質(zhì)勘查項(xiàng)目范圍總面積2 704.24萬m2。

3 壓覆的資源儲量估算

3.1 估算方法

本次核實(shí)采用面積分割法估算壓覆資源量。擬建項(xiàng)目壓覆省財政地質(zhì)勘查項(xiàng)目資源量估算方法：

Q1=S1/S2×Q2

(4)

式中，Q1為壓覆資源儲量；Q2為原塊段資源儲量；S1為壓覆面積；S2為原塊段水平投影面積。

3.2 工業(yè)指標(biāo)及參數(shù)選擇

(1)工業(yè)指標(biāo)確定。根據(jù)《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0215—2002)，該報告中資源儲量估算工業(yè)指標(biāo)依據(jù)各地勘基金項(xiàng)目地質(zhì)報告中指標(biāo)數(shù)據(jù)，以孟津縣城西南部煤預(yù)查為例。本區(qū)煤層傾角小于15°；二1煤大部為無煙煤，局部為貧煤，為動力用煤和民用煤；依據(jù)《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》，本次資源儲量估算的工業(yè)指標(biāo)為：最低可采厚度0.80 m，最高灰分為40%，最高硫分為3%，貧煤最低發(fā)熱量為17.0 MJ/kg，無煙煤最低發(fā)熱量為22.1 MJ/kg。

(2)資源儲量估算主要參數(shù)確定。利用相關(guān)資料的數(shù)據(jù)，河南省孟津縣城西南部煤預(yù)查視密度值為1.45 t/m3。水平投影面積：利用MAPGIS制圖軟件，由計算機(jī)在資源量估算平面圖上直接讀取。

3.3 估算結(jié)果

以河南省孟津縣城西南部煤預(yù)查資源量估算結(jié)果為例。根據(jù)上述確定的壓覆邊界，劃分壓覆塊段，由計算機(jī)求出塊段平面積，進(jìn)而估算各塊段資源量(表5)。

表5 擬壓覆河南省孟津縣城西南部煤預(yù)查區(qū)資源量估算結(jié)果Tab.5 Estimated results of coal resources in the southwestern part of Mengjin County，Henan Province

擬壓覆孟津縣城西南部煤預(yù)查區(qū)二1煤，潛在礦產(chǎn)資源811.59萬t，埋深≥1 200 m。

經(jīng)核實(shí)，截至2020年9月16日，擬建項(xiàng)目擬壓覆煤炭推斷資源量為181.37萬t；潛在礦產(chǎn)資源量為4 938.42萬t。其中，擬壓覆埋深1 200 m以淺煤炭潛在礦產(chǎn)資源1 319.82萬t，擬壓覆埋深1 200 m以深煤炭潛在礦產(chǎn)資源3 618.60萬t。

4 結(jié)論

(1)依據(jù)《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》有關(guān)規(guī)定以及本區(qū)實(shí)際情況，采用垂直剖面法和垂線設(shè)計擬壓覆區(qū)范圍。經(jīng)計算核實(shí)，截至2020年9月16日，本次擬建項(xiàng)目擬壓覆省財政地質(zhì)勘查項(xiàng)目范圍總面積為2 704.24萬m2。

(2)截至2020年9月16日，擬建項(xiàng)目擬壓覆煤炭推斷資源量181.37萬t；潛在礦產(chǎn)資源4 938.42萬t。其中，擬壓覆埋深1 200 m以淺煤炭潛在礦產(chǎn)資源1 319.82萬t，擬壓覆埋深1 200 m以深煤炭潛在礦產(chǎn)資源3 618.60萬t。