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［摘要］礦井水害的存在對煤礦的安全生產存在嚴重威脅，我國華北地區煤礦多受奧陶系灰巖水突水威脅，因此在煤田的勘查工作中應重視并做好水文地質工作。本文通過野外調查和鉆探等工作手段，完成了焦作方莊煤田普查階段的水文地質調查，查明了煤層頂底板的水文地質情況，指出了未來礦井充水的來源，確定了煤田主采煤層水文地質勘查類型為底板進水為主的水文地質條件中等的巖溶充水礦床，并為礦山建設和生產提供了供水水源方面的建議。

［關鍵詞］焦作方莊煤田；水文地質；調查研究；普查

礦井水害的存在對煤礦的安全生產存在嚴重威脅［１，２］。我國華北地區煤礦，包括河北、河南、山西、山東等很多煤礦，都受奧陶系灰巖水突水威脅［３］。因此在煤田的勘查階段，包括預普查階段，就應該重視并做好煤礦的水文地質工作［２，４］，進行礦井水文地質類型劃分，對礦井防治水工作提出合理建議，為礦井安全生產提供技術保障，有利于礦山的可持續發展［５－７］?！昂幽鲜〗棺髅禾锓角f井田深部煤普查”項目是２００９年度省地質勘查基金（周轉金）續作項目，主要勘查對象是本區的可采煤層———二１煤，同時兼顧其它可采煤層和有益礦產。依據《煤、泥炭地質勘查規范》（ＤＺ／Ｔ０２１５－２００２），對普查區煤炭資源的經濟意義和開發建設的可能性做出評價，為煤礦建設遠景規劃提供依據。本次普查工作的主要水文地質和工程地質調查研究工作任務為：調查普查區自然地理條件、第四紀地質和地貌特征；大致了解普查區水文地質條件，調查環境地質現狀；大致了解普查區開發建設的工程地質條件和煤的開采技術條件。

１研究區概況

研究區位于河南省修武縣北部太行山山前緩傾斜區域，行政區劃隸屬河南省修武縣方莊鎮、輝縣市吳村鎮管轄。西距修武縣方莊鎮２．５ｋｍ，修武－云臺山旅游公路從普查區西側通過，焦作市－輝縣市公路從研究區內西北一帶通過。周邊公路鐵路縱橫成網，交通十分便利（見圖１）。研究區２００５年列入河南省兩權價款勘查項目，探礦權歸屬河南省國土資源研究院。其范圍北起山前斷裂，南到九里山斷層，西自方莊井田邊界，東至新安屯村，東西長為７．７５ｋｍ，南北寬６ｋｍ，面積２５．２１ｋｍ２。

１．１自然地理

普查區位于太行山南麓山前地帶，地勢北高南低，為一北陡南緩的山前緩傾斜平原區，地形坡度小于１０°，地面標高９６～１５０ｍ，相對最大高差５４ｍ，區內地表幾乎全部為第四系黃土層覆蓋，基巖只在普查區內的古漢山山包和區外西北部山前一帶出露。本區屬大陸性氣候，嚴冬酷冷，盛夏炎熱。年平均氣溫１４．９℃，最高月均氣溫２７．８℃，最低月均氣溫０．３℃，極端日高溫４３．３℃，極端日低溫－１６．９℃；年平均降水量６０７．９ｍｍ，年最大降水量９０８．７ｍｍ，月降水量最大１５８．７ｍｍ，最?。担福恚恚荒昶骄舭l總量２０４８．８ｍｍ，月蒸發量最大３４１．４ｍｍ，最?。福埃担恚?；冬春季多西北風，夏秋季多東北風，平均風速２．６ｍ／ｓ，瞬時極大風速３０ｍ／ｓ；每年１１月至次年３月為霜凍期，最大凍結深度１９０ｍｍ，降雪也多在此期間，最大積雪厚度２９０ｍｍ。本區水系屬海河流域衛河水系。普查內無常年性流水的河流，僅有紙坊河從普查區內通過。該河為季節性河流，平時無水，雨季因地表水集中形成短暫洪水，一般３～５ｄ即干。

１．２經濟狀況

研究區地處豫北，電力資源、煤炭資源、建筑材料充足，水資源豐富，礦山機械制造業發達，勞動力成本相對低廉，公路及鐵路縱橫，交通十分便利，普查區內及周邊農業人口分布集中，農作物主要為玉米、小麥等，經濟狀況較好。

２煤田水文地質條件

本次普查工作完成研究區水工環調查３０ｋｍ２。初步了解了研究區開發建設的水文地質、工程地質、瓦斯、地溫等煤的開采技術條件，達到了預期地質目的，總體達到了普查工作程度，為后期的詳查工作提供了可靠的地質依據。

２．１區域水文地質概況

焦作煤田位于太行山南麓的山前洪積扇裙帶下，煤田北靠太行斷隆，南鄰開封拗陷，東為湯陰斷陷，面積１３５０ｋｍ２。煤田北部山區碳酸鹽巖廣泛出露，地表裂隙巖溶發育，大氣降水多沿裂隙和斷裂構造下滲補給地下水，地下水由北西向南東徑流，在丹河與峪河之間構成一個長４０ｋｍ、寬１０ｋｍ的地下水暗流區。在焦作煤田未開發之前，地下水多沿洪積扇邊沿和九里山斷層帶呈上升泉水排泄，在煤田大面積開發之后，大部分地下水由礦井排出，匯入衛河，使地表泉水干枯。焦作煤田構造復雜，多以高角度正斷層為主，其中北東向壓扭性斷層最為發育，次為近東西向和北西向張扭性斷層，三組斷層相互切割，使整個煤田構成大小不等的斷塊，既破壞了各含水層自身的完整性，又使不同的含水層相互接觸發生水力聯系，造成該區復雜的水文地質條件。焦作煤田煤層埋深幾十米至千余米。目前開發深度已達３００～７００ｍ，煤層底板水頭壓力高達２０～６０ＭＰａ，常造成礦井底板突水。底板Ｌ８灰巖巖溶突水是焦作煤田開采的主要威脅之一。綜上所述，焦作煤田之所以水大，一是地下水接受大氣降水補給的區域廣闊；二是煤田北部巨厚層的可溶性碳酸鹽巖為地下水提供了良好的儲水空間；三是煤田內發育的張性斷裂構造帶是地下水向煤田補給的良好通道。

２．２研究區水文地質條件

２．２．１地形地貌及地表水。研究區位于太行山南麓山前沖洪積扇的前緣，屬沖洪積平原區，地表均被第四系及新近系覆蓋。區內地面標高一般在９６．１２～１４７．６１ｍ之間，呈北西高、南東低之勢，地形坡度１．８‰左右，地勢相對平坦。區內沖溝不發育，僅有紙坊河從普查區中部通過，該河流上游為季節性河流，一般干枯無水，夏秋季節匯集大氣降水，排泄山洪。下游由于中州鋁廠生產廢水的排放，河水常年不斷。據２００７年觀測資料，河水流量約２．５ｍ３／ｍｉｎ。２．２．２地下水。普查區內地下水分別賦存于第四系、新近系的砂礫石層及下伏基巖的砂巖、灰巖巖溶含水層中。根據區域水文地質資料，區內地下水總體由西北流向東南。本次普查區內３２口機民井水文地質調查資料統計，水位埋深７～８７ｍ，水位標高７０～１１０ｍ。其中：取自第四系上部礫石層潛水的１８口機民井單井涌水量一般在２０～５０ｍ３／ｈ；取自奧陶系馬家溝組的中州鋁廠水源地１３口巖溶水水井，單井涌水量達３００ｍ３／ｈ，一般每天開４～６口井的水泵可滿足中州鋁廠廠區的生產和生活用水。２．２．３含水層根據調查及鉆孔揭露，含水層自上而下依次為：第四系礫石孔隙潛水含水層、新近系礫石孔隙潛水含水層、山西組砂巖孔（裂）隙承壓水含水層、太原組上部Ｌ８灰巖巖溶裂隙承壓水含水層、太原組下部Ｌ２灰巖巖溶承壓水含水層、寒武、奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓水含水層。（１）第四系礫石孔隙潛水含水層第四系地層由松散的砂、礫石及厚度不等的粘土、砂質粘土組成，含水層與隔水層厚度均不穩定。含水層的礫石成分以灰巖為主，次為石英砂巖和長石石英砂巖，少量角閃片麻巖。礫石直徑大小不一，約１０～２００ｍｍ，分選性差－中等；礫石呈次圓狀和次棱角狀，磨圓度較差；礫石間砂質充填，多呈松散狀，局部為泥質、鈣質或硅質膠結。含水層厚度２９４．８８～４５７．６５ｍ。該含水層以大氣降水補給為主，紙坊河水的垂向或側向補給為輔。區內鉆孔ＺＫ０００１和ＺＫ０４０９在該含水層段施工時均出現沖洗液全漏現象，最大漏失量達１１２．８ｍ３／ｔ。根據鄰區方莊煤礦鉆孔抽水資料，該含水層段鉆孔單位涌水量（ｑ）為４．０２９～１３．３３Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數（Ｋ）為２１．６０～１３３．００ｍ／ｄ。屬強富水性含水層。水質分析結果，該含水層水化學類型為ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，礦化度為０．３０８ｇ／Ｌ。（２）新近系礫石孔隙潛水含水層新近系地層由厚度不等的粘土、砂質粘土及多層礫巖（礫石）組成，其中：礫巖為含水層，粘土及砂質粘土為相對隔水層。含水層礫巖成分以灰巖為主，次為石英砂巖，直徑１０～６０ｍｍ，分選性差－中等；磨圓度較差，呈棱角狀和次棱角狀；礫石間為砂泥質充填，多呈松散狀，局部鈣質和泥質膠結。根據鉆孔資料統計，該含水層厚度１３３．３２～３４０．４５ｍ。地下水補給來源于大氣降水及第四系礫石含水層。根據方莊煤礦鉆孔抽水資料，該含水層段鉆孔單位涌水量（ｑ）為０．３８～１．５７１Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數（Ｋ）為１．３３～１０．６９ｍ／ｄ，地下水水位埋深２．７１～１９．７９ｍ，地下水略具承壓性。屬富水性較弱的含水層。該含水層水化學類型為ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，礦化度為０．３１６ｇ／Ｌ左右。（３）山西組砂巖孔（裂）隙承壓水含水層（二１煤頂板的直接充水含水層）該含水層由二１煤層頂板到砂鍋窯砂巖底板之間的中、粗粒砂巖組成。主要成分以石英、長石為主，鈣質和硅質膠結。區內該含水層埋藏較深，厚度一般５．３７～１７．７５ｍ，平均厚度１０．０６ｍ。巖芯較完整，裂隙發育較差，區內鉆孔在該含水層段均無涌漏水情況。根據鄰區鉆孔抽水資料，該含水層鉆孔單位涌水量（ｑ）為０．０００９３～０．０６９１Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數（Ｋ）為０．００９１～０．１８７ｍ／ｄ。屬弱富水含水層。該含水層水位埋深０．０８～１８．２１ｍ，為本區二１煤頂板的直接充水含水層。（４）太原組上部Ｌ８灰巖巖溶裂隙承壓水含水層（二１煤底板直接充水含水層）Ｌ８灰巖由深灰色中厚層生物碎屑及燧石灰巖組成，厚度１．５５～８．２０ｍ，平均厚度５．８８ｍ。根據鉆孔資料統計，該含水層裂隙較發育，多被方解石脈充填，脈寬約１～５ｍｍ，裂隙率為３．５７％；巖溶不發育。區內鉆孔ＺＫ０００１在該含水層段施工時出現沖洗液全漏情況，表明該含水層的富水性不均勻。根據鄰區鉆孔抽水資料，該含水層鉆孔的單位涌水量（ｑ）為０．００７８～１．４９９Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數（Ｋ）為０．１９７～１４．００ｍ／ｄ，屬中等－強富水含水層。含水層水位埋深３．７７～５３８．６０ｍ，水位標高３４．３３～－４３７．６０ｍ。地下水流向大致由北西－東南。水化學類型為ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，礦化度為０．３ｇ／Ｌ左右。該含水層為本區二１煤底板的直接充水含水層。（５）太原組下部Ｌ２灰巖巖溶承壓水含水層Ｌ２灰巖呈深灰色，厚層狀，含燧石及生物碎屑，厚度６～１３．９９ｍ，平均厚１１．１７ｍ。根據巖心觀測，含水層巖溶、裂隙較發育，裂隙中多被次生方解石脈充填，脈寬約１～１０ｍｍ，裂隙面偶有氧化鐵質薄膜充填，具地下水活動跡象。根據鄰區鉆孔抽水資料，鉆孔的單位涌水量（ｑ）為０．００１４７～２．４３０Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數（Ｋ）為０．０１０５～１０．０８ｍ／ｄ，屬中等－強富水含水層。含水層水位埋深３．７１～１１５．８０ｍ，水位標高９０．９４～－１６．４ｍ，水化學類型為ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，礦化度為０．３０４ｇ／Ｌ。（６）寒武、奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓水含水層研究區內有３個鉆孔揭露奧陶系灰巖５．３４～６．４７ｍ。根據區域水文地質資料，寒武寒武系由白云巖、白云質灰巖和泥質灰巖組成；奧陶系由角礫狀灰巖、厚層狀石灰巖和白云質灰巖組成，巖層厚度約１０００ｍ，寒武和奧陶系灰巖含水層直接接觸，應視為一個含水層組。該含水層地表溶洞、裂隙比較發育。根據鄰區鉆孔資料，該含水層巖溶率達２４．４％。鉆孔單位涌水量（ｑ）為１．５６６～５．２４９Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數（Ｋ）為３．１７～３５．１７ｍ／ｄ，屬強富水性含水層。含水層水位埋深１８．１９～２１．３０ｍ。正常情況下，寒武、奧陶系灰巖含水層對二１煤開采影響不大。在大的斷裂構造附近，該含水層常與Ｌ２、Ｌ８灰巖巖溶含水層發生水力聯系。２．２．４隔水層主要由二１煤底板至太原組Ｌ８灰巖之間的泥巖、砂質泥巖等組成，厚度１５．７４～２９．２７ｍ。對隔絕下伏巖溶承壓含水層充入礦井起著重要作用。根據方莊煤礦３０－４孔巖石力學試驗結果，泥巖、砂質泥巖和細砂巖在自然狀態下抗壓強度變化范圍為３８．７５～１６１．３１ＭＰａ，平均７２．６８ＭＰａ。２．２．５斷層水文地質特征根據區域水文地質資料，普查區邊界的九里山斷層和薄壁斷層均系斷距較大的壓扭性正斷層，形成了普查區南北兩側的阻水邊界，阻止了南北兩側Ｏ２ｍ灰巖水對井田內Ｌ８灰巖水的補給。根據方莊煤礦鉆孔水文觀測資料，３０－１－１孔封孔前Ｏ２ｍ灰巖水水位標高為８１．５３ｍ，而３２－３、３１－５、３３－５孔的Ｌ８長觀孔水位標高為－３３．００～７１．２５ｍ，水位相差１０．２８～１１４．５２ｍ，說明井田邊界的壓性斷層阻止了Ｏ２ｍ與Ｌ８巖溶水的水力聯系。井田內的Ｌ８巖溶水僅從西北部露頭和方莊斷層得到補給，并向東南運移。研究區內的赤莊斷層走向為北西西向，傾向北北東，傾角７０°，為一高角度張性正斷層，斷距１２０～２８０ｍ；小莊斷層為一走向北東、傾向南東、傾角約６５°的張性正斷層，斷距１２０～３４０ｍ。根據方莊煤礦水文觀測資料，小莊斷層南側的Ｏ２ｍ水位標高與北側的Ｌ８水位標高非常相近。赤莊斷層和小莊斷層斷層的縱向導水性強，常沿斷裂帶形成富水導水帶，是未來礦井充水的重要水源。根據鄰近的方莊、吳村、古漢山礦井的突水資料，礦井突水事故的８０％與斷層關系密切。

２．３礦床充水因素分析

（１）大氣降水是本區地下水的主要補給來源，也是礦床充水的總水源。根據相鄰礦井資料，礦井的涌水量與大氣降水關系密切。（２）本區地表水不發育，僅有紙坊河由北而南從普查區中部穿過，最大流量１５０ｍ３／ｈ左右。由于地表水距二１煤層較遠，且其間有多層良好的粘土和砂質粘土隔水，故正常情況下紙坊河水對本區二１煤的開采無影響。（３）第四系及新近系孔隙水含水層距二１煤層２３２．３３～６５９．６４ｍ，且其間發育有隔水性良好的泥巖和砂質泥巖阻隔。正常情況下，第四系及新近系孔隙水對本區二１煤的開采影響不大。（４）二１煤層頂板砂巖孔隙裂隙承壓水含水層是煤層頂板直接充水含水層。該含水層裂隙不發育，含水性弱。同時，該含水層距第四系及新近系孔隙水含水層較遠（大于２００ｍ），地下水的補給、逕流條件差，一般不會引起未來礦井突水。（５）Ｌ８灰巖巖溶裂隙承壓水含水層是二１煤層底板直接充水含水層，與煤層之間的距離為１５．７４～２９．２７ｍ。巖性為隔水性良好的泥巖、砂質泥巖和砂巖。根據焦作煤田正常塊段２ｍ厚的巖層可以抵抗０．１ＭＰａ／ｍ２的水壓計算，此距內的巖層遠不能抵御其下部水壓的沖擊，這將意味著在正常開采條件下，由于地壓與水壓的共同作用，普查區內隨時隨地都有Ｌ８灰巖突水的可能。根據方莊煤礦發生的３２次突水事故統計，其中有３０次與Ｌ８灰巖巖溶裂隙水有關。因此，Ｌ８灰巖巖溶裂隙承壓水含水層是造成未來礦井突水的主要含水層。（６）根據周圍礦井開采資料，吳村煤礦８０％的突水點與斷層有關，古漢山煤礦８０％的突水點與斷層有關。本區Ｌ８灰巖水壓比上述礦井水壓大，在斷層的影響下，本區的Ｌ８灰巖具有更大可能的突水性。因此，斷裂構造是造成未來礦井突水的重要因素之一。

２．４礦床水文地質勘查類型

通過上述礦井充水因素分析，本區二１煤層作為未來礦井的主采煤層，其頂板直接充水含水層為二１煤層頂板砂巖孔隙裂隙承壓水，單位涌水量０．０００９３～０．０６９１Ｌ／ｓ·ｍ，富水性弱；底板直接充水含水層為太原組上段Ｌ８石灰巖巖溶裂隙含水層，單位涌水量為０．００７８～１．４９９Ｌ／ｓ·ｍ，局部富水性強。二者相比較，煤層底板灰巖巖溶裂隙含水層是未來礦井重要的充水水源。依據ＤＺ／Ｔ０２１５－２００２《煤、泥炭地質勘查規范》附錄Ｇ劃分水文地質勘查類型的條件，本區二１煤層的水文地質勘查類型應為第三類第二亞類二型，即以底板進水為主的水文地質條件中等的巖溶充水礦床。２．５供水水源本區未作鉆孔抽水試驗，結合古漢山水源地資料，現將區內可作為未來礦山供水水源的幾個含水層簡介如下：（１）第四系及新近系砂、礫石孔隙潛水含水層：含水層厚度４５２．５２～６３５．３３ｍ，分布全區，水量充沛。鉆孔單位涌水量為０．３８～１３．３３Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數為１．３３～１３３．００ｍ／ｄ，水位埋深７～１１０ｍ，由西北向東南逐漸變淺。該含水層富水性強，是當地農田灌溉、生活用水的主要來源。水質分析結果表明，含水層水化學類型為ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，礦化度為０．３０８～０．３１６ｇ／Ｌ，局部大腸桿菌達２５個／Ｌ，屬極不衛生的水。（２）Ｌ８灰巖巖溶類型承壓含水層：含水層厚１．５５～８．２０ｍ，分布全區，水量豐富。鉆孔單位涌水量０．００７８～１．４９９Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數（Ｋ）為０．１９７～１４．００ｍ／ｄ，水位埋深３．７７～１２９．７４ｍ。含水層水化學類型為ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，礦化度為０．１７～０．４１４ｇ／Ｌ。含水層水頭壓力大，是良好的供水含水層。（３）Ｌ２灰巖巖溶裂隙承壓含水層。含水層厚６～１３．９９ｍ，全區發育，含水豐富。鉆孔單位涌水量０．００１４７～２．４３０Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數（Ｋ）為０．０１０５～１０．０８ｍ／ｄ，水位埋深３．７１～６．０９ｍ。水化學類型為ＨＣＯ３－Ｃａ型水，礦化度為０．３０３ｇ／Ｌ。含水層水頭壓力大，是未來礦山建設良好的供水含水層。（４）Ｏ２ｍ灰巖巖溶裂隙承壓含水層：區域上，該含水層厚度大于３５０ｍ，巖石巖溶裂隙發育，富水性強，是焦作地區地下水的主要供水水源。古漢山礦區鉆孔單位涌水量１．５６６～５．２４９Ｌ／ｓ·ｍ，滲透系數３．１７～３５．１７ｍ／ｄ，水位埋深１４．８４～１８．１９ｍ，水化學類型為ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，礦化度為０．２８８ｇ／Ｌ。含水層水頭壓力大，含水豐富，是未來礦山建設良好的供水含水層。上述四個含水層均可作為供水含水層，考慮到利用第四系及新近系上部流砂礫石之中潛水，水源部分污染，屬極不衛生的水，故應放棄這一水源。其它三個灰巖巖溶裂隙承壓含水層，均可作為未來礦山建設的供水水源。本著未來礦山排、供水結合的原則，建議采用Ｌ８灰巖巖溶裂隙水作為未來礦山建設的供水水源更加合理。

３結語

（１）焦作煤田礦井水主要來源于煤田北部巨厚層的可溶性碳酸鹽巖形成的的儲水空間，以及大氣降水對地下水的補給；煤田內發育的張性斷裂構造帶是地下水向煤田補給的良好通道。山西組砂巖孔（裂）隙承壓水含水層為本區二１煤頂板的直接充水含水層，太原組上部Ｌ８灰巖巖溶裂隙承壓水含水層為二１煤底板直接充水含水層，其中后者是未來礦井重要的充水水源；由二１煤底板至太原組Ｌ８灰巖之間的泥巖、砂質泥巖等形成了隔水層，對隔絕下伏巖溶承壓含水層充入礦井起著重要作用。赤莊斷層和小莊斷層斷層的縱向導水性強，常沿斷裂帶形成富水導水帶，是未來礦井充水的重要水源。（２）經研究，本區二１煤層的水文地質勘查類型應為第三類第二亞類二型，即以底板進水為主的水文地質條件中等的巖溶充水礦床。本著未來礦山排、供水結合的原則，建議采用Ｌ８灰巖巖溶裂隙水作為未來礦山建設的供水水源。

參考文獻

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作者:盧俞杰 盧玉榮 單位:河南省地礦局第二地質礦產調查院