采煤对地下含水层的影响研究:以河南焦作矿区为例

2014-09-18江胜国

地下水 2014年1期

牛磊，陈立，江胜国，贾超

(1.天津华北地质勘查局地质研究所，天津300170;2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄050061)

1 自然地理概况

1.1 地形地貌

焦作矿区北部为太行山脉，南部为黄河、沁河冲洪积平原。北部山区地面标高200～1 790m，地面起伏大。南部山前冲洪积平原地面标高80～200m。全区地形特征是，西北部较高，东南部较低。由于地质营力的长期作用和底层岩性的差异，形成了形态各异的地貌景观。根据区内地貌特征及成因，本区地貌可划分为3个一级地貌单元(Ⅰ山地、Ⅱ高原、Ⅲ平原)和7个二级地貌单元(图1)。

1.2 气象水文条件

焦作矿区属温带大陆性季风型气候。北部山区多年平均降水量为701 mm，年最小降水量412 mm(1965年)，年最大降水量为1195 mm(1963年)。山前冲积平原区多年平均降水量为595 mm，最小降水量为289.8 mm(1981年)，最大降水量922 mm(1965年)。降水量在一年内的分配非常不均匀:多集中在七、八月份，约占全年降雨量的48%左右;其次为六、九月份，约占全年降水量的22%左右。主要受地形的影响，降水量自北部山区到山前冲洪积平原呈逐渐减少趋势。

图1 焦作矿区地貌简图

焦作矿区外围主要河流有丹河、山门河、峪河、西石河和纸坊沟。丹河属黄河水系，为常年性河流，河床漏失严重，后寨至后陈庄一带，是河水的强烈渗漏地段。1994年实测年平均渗漏量是1.733 8m3/s，丹河渗漏补给是焦作矿区喀斯特水的补给来源之一。其余河流属海河水系。除丹河外，峪河也为常年性河流;山门河、西石河、纸坊沟为季节性河流。

2 地质条件

本地区出露的地层有太古宇、远古宇震旦系，下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭—二叠系，中生界三叠系，新生界第三系及第四系。焦作矿区位于东秦岭纬向构造带北缘和新华夏系太行山隆起的南段与晋东南山字形构造反射弧前缘相交接地带。本区断裂构造发育(图2)。主要有:九里山断层，朱村断层，赵庄断层，凤凰岭断层，另外，本地区还有董村断层、三十九号井断层、，方庄断层、黑龙王庙断层、耿秋断层等断裂构造。

图2 焦作地区断裂构造纲要图

3 水文地质特征

焦作煤田矿床水文地质特点是:补给区宽广，水源丰富，断裂发育，水力联系密切。煤层底顶水受水压高，突水频繁，一般各矿井涌水量为5～120m3/min，全局总涌水量400～500m3/min，含水系数48m3/t，排水费每吨煤5元，约占原煤成本的20%，因此，矿区地下水运动规律及防治方法的研究是本区极为重要和迫切的任务。

图3 焦作地区水文地质图

太行山东南段地下水的运动与赋存条件，主要受区内巨厚的岩溶灰岩、区域隔水层、火成岩侵入体、地质构造、地貌因素的控制，其中构造是主导因素，他控制着地貌的格局，含水层埋藏，径流带的展布、区域隔水层的起伏与分布，形成一个含水与隔水、导水与阻水复合的地质体。本区按水文地质特征可划分为2个水文地质单元:太行山岩溶水补给区和山麓平原孔隙潜水与层岩溶水径流排泄区(图3)。

4 采煤对地下水的影响

4.1 采煤对地下水位的影响

大量矿坑水的排出，以及这些矿坑水如何被利用或排泄决定了当地地下水水位的变化。因此，当地地下水的动态除与气象有关外，与矿坑排水息息相关。作为当前地下水排泄一种主要方式，坑矿排水约占到当地地下水排泄总量的50.31%，其决定着当地地下水水位动态特征。矿坑排水主要为岩溶水和孔隙水的混合水，尤其以岩溶水为多。

4.1.1 岩溶水动态特征

焦作矿区岩溶水动态明显受降水与开采双重因素的制约。从相关地下水监测资料分析，岩溶水开采总量从五十年代的1.5m3/s增加到2009年的7～8m3/s，开采量增加了5倍。由于大气降水从五十年代至今呈周期性减少，而岩溶水开采量逐年增大，在降水与开采双重因素影响下，矿区岩溶水位呈现下降的变化特征。

由于矿坑疏干排水，人工开采代替了天然状态下的泉水排泄，改变了岩溶裂隙水的天然流场，使岩溶裂隙水水位形成了多中心、多变形的浅平漏斗。在局部使水位低于原有浅层孔隙水位，造成孔隙水越流补给岩溶裂隙水的局面，并夺取了部分地表水的补给量，从而使岩溶裂隙水的流场由以水平运动为主转化为垂直运动为主。

4.1.2 孔隙水动态特征

天然条件下主要接受大气降水及岩溶裂隙水的补给，以泉和侧向径流进行排泄，地下水的循环具有明显的规律特征。在山区及冲洪积扇的中上部，水力坡度较大，成为孔隙水的强径流区;而在平原区，水力坡度变缓，含水层岩性以中细砂为主。根据现状条件下孔隙水的径流场变化，将其划分为三个区:疏干区、漏斗区和稳定区。

1)疏干区。分布于近山前西冯封—岗庄—方庄一带，开采条件下，该区主要结接受大气降水补给，而后自由下渗越流进入矿坑。地下水位埋深大于30m，基本被疏干。

2)漏斗区。分布于北朱村—许家坟一带、演马—九里山一带，漏斗面积分别为10.17和83.7 km2。前者漏斗中心位于北朱村附近，为朱村断层所经地;后者漏斗中心位于贵城寨至大官庄一带，为九里山断层和方庄断层交汇带及大煤露头所在区。据1984年3月份观测资料，漏斗中心水位降幅分别为1.07和1.66m。

3)水位稳定区。分布于上屯—恩村—西板桥一带，面积191.74 km2。该区在开采条件下，主要接受矿坑排水渗漏补给，水位埋深小于4m，流向东南，水力坡度极为平缓，以蒸发、径流及泉进行排泄。由于矿坑排水连续不断大量补给，水位动态变化比较稳定，年变幅最大为0.5m。

4.2 采煤对地下水水质的影响

由于矿区内孔隙水受到矿井的分布及其采矿进度、矿坑水的排泄量、降水量的丰沛等因素的影响，其化学成分随时间变化的特征比较复杂。以东部演马矿N25号孔1985到1996年观测数据为例，该孔水中矿化度与离子含量在一定范围内波动，年际变化有阶段性的上升趋势，主要是受到矿坑水的排泄影响，年内受到降雨量和采矿活动的综合影响而变化。矿化度从85年0.28g/l上升到88年的0.34g/l，再下降到93年0.24g/l，94年又上升到0.32g/l，其中 Na+、变化最为明显。

总体来水，焦作地区岩溶水水质优良，矿化度和总硬度低。由于该地区构造较发育，断层密度大，基岩与松散地层交错出露，所以地下水中岩溶水与砂岩裂隙水、孔隙水和矿坑水以及石炭纪岩溶水与奥灰水之间的补给错综复杂。地下水常量组分总体变化特征为:采煤集中区开采区地下水的常量组分含量高于无矿区，以含量变化最为显著，最高达6～10倍，K+、Na+含量变化也较以前迅猛增加，Ca2+、Mg2+含量少有增加，略有降低。

5 结论

以河南焦作矿区为例，研究采煤条件下地下水水位和水质的演变特征，采矿区内人工开采代替了天然排泄，从而改变了地下水的天然流场，使含水层水位形成了多中心、多变形的浅平漏斗。矿坑排水作为地下水排泄一种主要方式，决定着当地地下水水位动态特征。建矿初期地下水化学类型主要以—Ca2+或—Ca2+·Mg2+为主，经过多年的采矿活动的影响，地下水化学类型发生了较大的变化，水化学类型由单一趋向多元，逐渐复杂化。

[1]叶伟鸿，沈军.开滦范各庄矿地下水氢氧同位素和水化学研究及其实际应用.地质科学，1989(2):201－208.

[2]翁金桃，蒋清姿，刘新号，付北峰.焦作地区碳酸盐岩成岩后生作用与孔隙演化.中国岩溶，1990，9(1):34 －41.

[3]李春生.焦作矿区岩溶水污染现状分析与评价.煤矿环境保护，1992，7(3):47－49.

[4]王明玉.多层含水层结构矿井突水灾害的水力学概念模型研究.中国地质灾害与防治学报，1995，6(1):36－40.

[5]张占全，高建中.焦作矿区演马庄井田突水地质条件分析.煤田地质与勘探，1995，25(1):37 －40.

[6]谭克龙.焦作矿区韩王演马庄井田L8会岩岩溶发育规律研究.山西矿业学院学报，199614(1):63－68.

[7]庄稼.环境同位素方法在判定矿井水源中的应用.中国煤田地质，1997，9(2):48 －49.

[8]王长文，慕松利，李仑，郭纯.焦作矿区突水特点及矿井综合防治.焦作工学院学报，1999，18(4):257 －261.

[9]刘魁景，李卫平.复合顶板冒顶原因及其控制.中州煤炭，1999，(4):12－14.

[10]李德海.巨厚松散层下条带开采地表移动规律分析.焦作工学院学报，2001，20(3):175 －179.

[11]陆勇敢，黄苹.焦作矿井水矿物质成分调查与利用途径探讨.中州煤炭，2001，(4):25 －27.

[12]俞宏庆，张永旺.演马庄煤矿突出煤层炮采放顶煤工作面防治煤与瓦斯突出的方法和措施.焦作工学院学报，2002，(21(3):165－167.