牛 磊，陳 立，江勝國，賈 超

(1.天津華北地質勘查局地質研究所，天津300170;2.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所，河北石家莊050061)

1 自然地理概況

1.1 地形地貌

焦作礦區(qū)北部為太行山脈，南部為黃河、沁河沖洪積平原。北部山區(qū)地面標高200～1 790m，地面起伏大。南部山前沖洪積平原地面標高80～200m。全區(qū)地形特征是，西北部較高，東南部較低。由于地質營力的長期作用和底層巖性的差異，形成了形態(tài)各異的地貌景觀。根據(jù)區(qū)內地貌特征及成因，本區(qū)地貌可劃分為3個一級地貌單元(Ⅰ山地、Ⅱ高原、Ⅲ平原)和7個二級地貌單元(圖1)。

1.2 氣象水文條件

焦作礦區(qū)屬溫帶大陸性季風型氣候。北部山區(qū)多年平均降水量為701 mm，年最小降水量412 mm(1965年)，年最大降水量為1195 mm(1963年)。山前沖積平原區(qū)多年平均降水量為595 mm，最小降水量為289.8 mm(1981年)，最大降水量922 mm(1965年)。降水量在一年內的分配非常不均勻:多集中在七、八月份，約占全年降雨量的48%左右;其次為六、九月份，約占全年降水量的22%左右。主要受地形的影響，降水量自北部山區(qū)到山前沖洪積平原呈逐漸減少趨勢。

圖1 焦作礦區(qū)地貌簡圖

焦作礦區(qū)外圍主要河流有丹河、山門河、峪河、西石河和紙坊溝。丹河屬黃河水系，為常年性河流，河床漏失嚴重，后寨至后陳莊一帶，是河水的強烈滲漏地段。1994年實測年平均滲漏量是1.733 8m3/s，丹河滲漏補給是焦作礦區(qū)喀斯特水的補給來源之一。其余河流屬海河水系。除丹河外，峪河也為常年性河流;山門河、西石河、紙坊溝為季節(jié)性河流。

2 地質條件

本地區(qū)出露的地層有太古宇、遠古宇震旦系，下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭—二疊系，中生界三疊系，新生界第三系及第四系。焦作礦區(qū)位于東秦嶺緯向構造帶北緣和新華夏系太行山隆起的南段與晉東南山字形構造反射弧前緣相交接地帶。本區(qū)斷裂構造發(fā)育(圖2)。主要有:九里山斷層，朱村斷層，趙莊斷層，鳳凰嶺斷層，另外，本地區(qū)還有董村斷層、三十九號井斷層、，方莊斷層、黑龍王廟斷層、耿秋斷層等斷裂構造。

圖2 焦作地區(qū)斷裂構造綱要圖

3 水文地質特征

焦作煤田礦床水文地質特點是:補給區(qū)寬廣，水源豐富，斷裂發(fā)育，水力聯(lián)系密切。煤層底頂水受水壓高，突水頻繁，一般各礦井涌水量為5～120m3/min，全局總涌水量400～500m3/min，含水系數(shù)48m3/t，排水費每噸煤5元，約占原煤成本的20%，因此，礦區(qū)地下水運動規(guī)律及防治方法的研究是本區(qū)極為重要和迫切的任務。

圖3 焦作地區(qū)水文地質圖

太行山東南段地下水的運動與賦存條件，主要受區(qū)內巨厚的巖溶灰?guī)r、區(qū)域隔水層、火成巖侵入體、地質構造、地貌因素的控制，其中構造是主導因素，他控制著地貌的格局，含水層埋藏，徑流帶的展布、區(qū)域隔水層的起伏與分布，形成一個含水與隔水、導水與阻水復合的地質體。本區(qū)按水文地質特征可劃分為2個水文地質單元:太行山巖溶水補給區(qū)和山麓平原孔隙潛水與層巖溶水徑流排泄區(qū)(圖3)。

4 采煤對地下水的影響

4.1 采煤對地下水位的影響

大量礦坑水的排出，以及這些礦坑水如何被利用或排泄決定了當?shù)氐叵滤坏淖兓?。因此，當?shù)氐叵滤膭討B(tài)除與氣象有關外，與礦坑排水息息相關。作為當前地下水排泄一種主要方式，坑礦排水約占到當?shù)氐叵滤判箍偭康?0.31%，其決定著當?shù)氐叵滤粍討B(tài)特征。礦坑排水主要為巖溶水和孔隙水的混合水，尤其以巖溶水為多。

4.1.1 巖溶水動態(tài)特征

焦作礦區(qū)巖溶水動態(tài)明顯受降水與開采雙重因素的制約。從相關地下水監(jiān)測資料分析，巖溶水開采總量從五十年代的1.5m3/s增加到2009年的7～8m3/s，開采量增加了5倍。由于大氣降水從五十年代至今呈周期性減少，而巖溶水開采量逐年增大，在降水與開采雙重因素影響下，礦區(qū)巖溶水位呈現(xiàn)下降的變化特征。

由于礦坑疏干排水，人工開采代替了天然狀態(tài)下的泉水排泄，改變了巖溶裂隙水的天然流場，使巖溶裂隙水水位形成了多中心、多變形的淺平漏斗。在局部使水位低于原有淺層孔隙水位，造成孔隙水越流補給巖溶裂隙水的局面，并奪取了部分地表水的補給量，從而使巖溶裂隙水的流場由以水平運動為主轉化為垂直運動為主。

4.1.2 孔隙水動態(tài)特征

天然條件下主要接受大氣降水及巖溶裂隙水的補給，以泉和側向徑流進行排泄，地下水的循環(huán)具有明顯的規(guī)律特征。在山區(qū)及沖洪積扇的中上部，水力坡度較大，成為孔隙水的強徑流區(qū);而在平原區(qū)，水力坡度變緩，含水層巖性以中細砂為主。根據(jù)現(xiàn)狀條件下孔隙水的徑流場變化，將其劃分為三個區(qū):疏干區(qū)、漏斗區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。

1)疏干區(qū)。分布于近山前西馮封—崗莊—方莊一帶，開采條件下，該區(qū)主要結接受大氣降水補給，而后自由下滲越流進入礦坑。地下水位埋深大于30m，基本被疏干。

2)漏斗區(qū)。分布于北朱村—許家墳一帶、演馬—九里山一帶，漏斗面積分別為10.17和83.7 km2。前者漏斗中心位于北朱村附近，為朱村斷層所經(jīng)地;后者漏斗中心位于貴城寨至大官莊一帶，為九里山斷層和方莊斷層交匯帶及大煤露頭所在區(qū)。據(jù)1984年3月份觀測資料，漏斗中心水位降幅分別為1.07和1.66m。

3)水位穩(wěn)定區(qū)。分布于上屯—恩村—西板橋一帶，面積191.74 km2。該區(qū)在開采條件下，主要接受礦坑排水滲漏補給，水位埋深小于4m，流向東南，水力坡度極為平緩，以蒸發(fā)、徑流及泉進行排泄。由于礦坑排水連續(xù)不斷大量補給，水位動態(tài)變化比較穩(wěn)定，年變幅最大為0.5m。

4.2 采煤對地下水水質的影響

由于礦區(qū)內孔隙水受到礦井的分布及其采礦進度、礦坑水的排泄量、降水量的豐沛等因素的影響，其化學成分隨時間變化的特征比較復雜。以東部演馬礦N25號孔1985到1996年觀測數(shù)據(jù)為例，該孔水中礦化度與離子含量在一定范圍內波動，年際變化有階段性的上升趨勢，主要是受到礦坑水的排泄影響，年內受到降雨量和采礦活動的綜合影響而變化。礦化度從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+、變化最為明顯。

總體來水，焦作地區(qū)巖溶水水質優(yōu)良，礦化度和總硬度低。由于該地區(qū)構造較發(fā)育，斷層密度大，基巖與松散地層交錯出露，所以地下水中巖溶水與砂巖裂隙水、孔隙水和礦坑水以及石炭紀巖溶水與奧灰水之間的補給錯綜復雜。地下水常量組分總體變化特征為:采煤集中區(qū)開采區(qū)地下水的常量組分含量高于無礦區(qū)，以含量變化最為顯著，最高達6～10倍，K+、Na+含量變化也較以前迅猛增加，Ca2+、Mg2+含量少有增加，略有降低。

5 結論

以河南焦作礦區(qū)為例，研究采煤條件下地下水水位和水質的演變特征，采礦區(qū)內人工開采代替了天然排泄，從而改變了地下水的天然流場，使含水層水位形成了多中心、多變形的淺平漏斗。礦坑排水作為地下水排泄一種主要方式，決定著當?shù)氐叵滤粍討B(tài)特征。建礦初期地下水化學類型主要以—Ca2+或—Ca2+·Mg2+為主，經(jīng)過多年的采礦活動的影響，地下水化學類型發(fā)生了較大的變化，水化學類型由單一趨向多元，逐漸復雜化。

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