河南省主要煤矿区岩溶地下水系统划分

谭菊萍，杨松林

(1.河南省地质调查院，河南 郑州 450001;2.河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南 郑州450045)

河南省煤矿处于华北石炭、二叠纪煤田，均属岩溶水文地质型煤田，水文地质条件复杂，在煤田开采中受到底板岩溶水的严重危害，仅北方受底板岩溶水威胁的煤炭资源就约200×108t[1]。岩溶水是北方30多个地市级以上城市和100多个县级城市饮用水、数十个大中型火电厂冷却用水、70%以上大型煤矿生活、生产用水和上千万亩农田灌溉用水水源[2]。运用系统论的原理与方法研究地下水问题，是当代水文地质学的一个重要发展趋势[3]，地下水的赋存、运动和演化具有系统性[4]，合理的岩溶地下水系统划分是岩溶地下水资源评价、开发利用与保护的基础，对有效提高岩溶水开发利用和煤矿水害防治具有重要的现实意义。

本文基于煤田防治水及岩溶水水资源综合利用的指导思想，综合考虑地质构造、地形地貌、地层结构与埋藏特征及补径排条件等因素，试图对河南省岩溶地下水系统进行初步划分，并总结不同系统类型的主要特点，以期为该省岩溶地下水的合理开发利用和保护，特别是煤矿的水害防治提供依据。

1 地质概况

1.1 地层概况

河南省主要煤矿区属华北地层区[5]，所属范围为栾川—确山—固始深断裂以北的广大地区(图1)。地层发育比较齐全，从太古界至新生界，仅缺失奥陶系上统、志留系、泥盆系和石炭系下统。岩溶地下含水层为寒武—奥陶纪大厚度的碳酸盐岩，地层厚度630～830 m，其中，中统张夏组主要为厚层、巨厚层状鲕状灰岩，岩溶裂隙发育，常见有大型溶洞，上统以白云岩为主，溶孔、溶蚀裂隙较发育;奥陶系主要为一套浅海相碳酸盐岩沉积，下统岩性以中、厚层白云岩为主，厚度60～150 m，溶孔、溶蚀裂隙较发育，中统岩性以中厚层、厚层灰岩、白云质灰岩和薄层、中厚层泥灰岩、灰质白云岩为主，厚度一般50～380 m，由北向南变薄，三门峡—禹州市一线以南缺失，中统灰岩是溶洞、岩溶裂隙的主要发育层位;中、上石炭统为海陆交替相铁铝质岩、碳酸盐岩及含煤碎屑岩组合。

1.2 构造分区

河南省主要煤矿区处于华北陆块南缘，根据主要构造形态与特征，可分为三个构造区，即太行构造区、嵩箕构造区、崤熊构造区(见图1)，各构造区特征见表1。

Ⅰ太行构造区:Ⅰ1狂口断隆;Ⅰ2太行断隆;Ⅰ3汤阴断陷;Ⅰ4内黄隆起;Ⅰ5东濮断陷;Ⅰ6菏泽断陷。

Ⅱ嵩箕构造区:Ⅱ1开封坳陷;Ⅱ2洛阳凹陷;Ⅱ3嵩箕断隆;Ⅱ4太康隆起;Ⅱ5颜集断陷;Ⅱ6永城断隆;Ⅱ7周口坳陷。

Ⅲ崤熊构造区:Ⅲ1崤熊断隆;Ⅲ2平顶山断陷;Ⅲ3舞阳断陷;Ⅲ4平舆隆起;Ⅲ5汝南断陷。

表1 构造分区特征表

图1 构造分区图

2 岩溶地下水系统划分

2.1 划分依据

(1)地下水系统必须具有独立而相对完整的补给、径流、排泄条件，且系统边界条件清楚，内部水力联系密切。

(2)岩溶含水层系统的埋藏、分布主要受区域性地质构造的控制，地下水运移主要受地形地貌、含水层结构及其系统之间的接触关系、人为开采等因素的控制，且水化学组份、同位素含量可判断岩溶水的补给、循环交替及排泄条件[6]。所以，在地下水系统的划分时，重点依据地下分水岭、区域地质构造线展布与含水层的埋藏条件、地下水补径排特征、水化学特征等因素进行划分。

(3)岩溶地下水系统的范围主要依据岩溶地下水循环所控制的范围圈定。

2.2 系统划分结果

区内岩溶地下水系统边界条件主要有4种类型:断层隔水边界、地层隔水边界、地下分水岭边界和深埋弱透水边界。断层隔水边界多由高角度正断层组成;地层隔水边界主要为透水性差的前寒武纪变质岩和碎屑岩或侵入岩;地下分水岭边界多与地表分水岭位置一致，有的则分布于径流排泄区相邻岩溶水系统之间;深埋弱透水边界为岩溶地下水积极循环带下限，梁永平等[7]对鄂尔多斯盆地周边岩溶地下水研究认为，现代岩溶地下水主要在碳酸盐岩埋深1 000 m以上进行循环，深部处于滞流状态。考虑到河南省部分煤田开采深度达1 000 m以下，故以1 500 m埋深界线划定岩溶地下水系统深埋弱透水边界。研究区各岩溶水系统边界组成特征见表2，按照上述划分方法，将河南省岩溶充水矿区岩溶地下水划分为22个系统(见图2)。

图2 岩溶地下水系统划分与边界条件图

3 岩溶地下水系统特征

3.1 补给特征

研究区各岩溶水系统均有碳酸盐岩出露，而且除宜阳、幸福泉、平顶山、确山、芒砀山和浚县—濮阳6个岩溶水系统外，其余的岩溶水系统其碳酸盐岩出露面积和系统面积比均在20%以上，特别是沁河、庙口、漳河、九里山、小南海泉和克井盆地岩溶水系统，其出露的碳酸盐岩面积占系统面积都在50%以上。在碳酸盐岩裸露区，表现为大气降水面状入渗和沿沟谷线状渗漏，尤其是在断裂构造发育地段，补给强度大，高强度大气降水时岩溶水位快速升高(见图3)。

表2 岩溶地下水系统边界条件一览表

渑池岩溶水系统(X12)宜阳岩溶水系统(X13)偃龙岩溶水系统(X14)荥巩岩溶水系统(X15)石羊关泉岩溶水系统(X16)超化泉岩溶水系统(X17)幸福泉岩溶水系统(X18)西北界为黄河，东北界为地层隔水边界;东南为深埋弱透水边界;西南为断层或地层隔水边界。西界为地层隔水边界;北界西段为宜阳—龙门断裂隔水边界，北界东段和东界、南界均为分水岭边界。西南与宜阳岩溶水系统相邻，东南与石羊关泉岩溶水系统相邻，东与荥巩岩溶水系统相邻。南界为分水岭边界;西北、东北属断裂隔水边界。西南为断裂隔水边界;北界和东界为深埋弱透水边界;南界为分水岭边界。除东南为石羊关断裂隔水边界外，均为分水岭边界。西界、北界、南界均为分水岭边界;东界为深埋弱透水边界。北与石羊关泉岩溶水系统和超化泉岩溶水系统相邻;东界和西南界为深埋弱透水边界。平顶山岩溶水系统(X19)西北与宜阳岩溶水系统相邻，为分水岭边界;北与幸福泉岩溶水系统相邻，属深埋弱透水边界;东界为深埋弱透水边界;西南为地层隔水边界。确山岩溶水系统(X20)西界为地层隔水边界;西北、东南界为深埋弱透水边界;东北为断层隔水边界。芒砀山岩溶水系统(X21)西界为于贤集—桑固断裂隔水边界;其他边界属深埋弱透水边界。浚县—濮阳岩溶水系统(X22)西界属汤东断裂束构成的隔水边界;西北边界呈圆弧型，属地层隔水边界;东南为深埋弱透水边界。

图3 许家沟泉系统岩溶水动态曲线

3.2 径流特征

岩溶水分布极不均匀，但受构造、地形地貌、侵入岩体等因素的影响，可形成富水性、渗透性强的蓄水构造或强径流带。研究区主要有断裂、褶曲、侵入一接触、岩溶干谷等4种岩溶蓄水构造，其中断裂型蓄水构造或强径流带分布广、规模大。如位于九里山岩溶水系统的演马矿1979年3月9日二一轨道遇断层突水，突水量4 m3/s，其影响范围迅速波及整个焦作矿区，并沿凤凰岭断层形成一个下降幅度 ＞1 m的低水位槽(见图4)。

3.3 排泄特征

研究区岩溶水系统主要以岩溶大泉、泉群或在山前平原的碳酸盐岩“天窗”区潜流进入孔隙水等形式相对集中排泄，如小南海泉二十世纪70年代平均流量6.42 m3/s，百泉历史最大观测流量8.163 m3/s，九里山泉群出露于第四系砂卵石孔隙含水层中，为岩溶水在九里山一带灰岩“天窗”排泄形成，最大流量 9.2 m3/s。

图4 演马矿突水影响范围图

3.4 系统水化学特征

总体表现为:补给区水化学类型较简单，各种水化学因子含量较低，随着向排泄区的径流，水化学类型趋于复杂，各种化学因子含量增高。补给区(裸露区)岩溶水中阳离子中以 Ca2+、Mg2+为主，Na+、K+含量较低;阴离子中以 HCO-3为主，矿化度小于0.4 g/L，水化学类型为 HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型;排泄区(埋藏区)与补给区岩溶水相比，SO42-、Mg2+含量增加明显，矿化度 0.4 ～0.56 g/L，水化学类型为 HCO3·SO4-Ca·Mg和 HCO3-Ca·Mg型。

4 结语

基于地下水系统理论，将河南省岩溶地下水进划分为22个地下水系统，并分别针对不同系统的边界、补径排、水化学特征进行了全面分析，取得成果对进一步开展地下水资源评价，煤矿水害防治具有重要科学意义。

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