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焦作矿区水文地质特征
答一、气象水文特征
1.气象
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701mm，年最小降水量412mm（1965年），年最大降水量为1195mm（1963年）。山前冲积平原区多年平均降水量为595mm，最小降水量为289.8mm（1981年），最大降水量922mm（1965年）。降水量在一年内分配非常不均。降水多集中在七、八月份，约占全年降水量的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积平原呈逐渐减少趋势。
2.水文
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1.7338m
3
/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。
上述几条河流大都流经石灰岩喀斯特发育分布区，河床漏失严重。山门河、西石河、纸坊沟实为干谷，只在个别年份洪水能流出山口，其余年份均无水流，河水在出山口近10km地段内全部漏失，补给地下水，均为焦作矿区喀斯特水的补给来源。
二、地形地貌特征
1.地形
焦作矿区北部为太行山区，南部为黄河、沁河冲洪积平原。北部山区地面标高200～1790m，地面起伏大。南部山前冲积平原地面标高80～200m。全区地形特征，西北部较高，东南部较低。
2.地貌
由于地质营力的长期作用和地层岩性的差异，形成了区别各异的地貌景观。根据区内地貌特征及成因，本区地貌可划分3个一级地貌单元和7个二级地貌单元（图3-1）。
（1）平原（Ⅲ）：主要有4种类型。
坡洪积裙（Ⅲ
1
）分布于焦作市区北部及方庄近山地带，呈不连续状分布。山坡堆积物呈倒石堆状或围绕坡麓堆积构成坡积裙。受采煤影响，地表出现了大面积塌陷区。
冲洪积扇（Ⅲ
2
）主要由丹河、西石河、山门河、纸坊沟、峪河冲洪积物组成。扇顶坡度一般为5°～10°，扇中下部为2°～5°，冲洪积扇组成物质为砂砾石、卵砾石及砂、粘土。洪积扇沿山前连成一片，构成山前倾斜平原。
扇前（间）洼地（Ⅲ
3
）焦作市区南部李万-修武一线，在冲洪积扇与冲积平原相接部位和冲洪积扇之间的地段，地形低洼，标高70～80m，形成扇前（间）冲洪积洼地。沉积物以亚砂土、亚粘土为主，夹有砂层。分布有采矿形成的塌陷坑。
冲积平原（Ⅲ
4
）分布于焦作市区南部，主要是由黄河、沁河冲积而成。地形平坦，微向东南倾斜。沉积物主要是砂，混有亚砂土、亚粘土。
（2）高原（Ⅱ）：分布于晋城、高平、陵川一带。地形坡度相对平缓，标高800～1200m。山体主要由中奥陶灰岩组成，石炭系—二叠系海陆交互相地层常覆盖在奥陶系之上，山顶平缓，高裤液差小。
（3）山地（Ⅰ）：有3种类型。
图3-1 焦作地区地貌图
构造侵蚀中山（Ⅰ
1
）分布于焦作市区北部柳树口—夺火一带，山地呈北东向分布，标高1000～1700m，地形陡峭，深切河谷发育。山体基岩裸露，多呈背斜山、向斜山与单面山。
构造溶蚀低山（Ⅰ
2
）分布于群英、马鞍石水库以南许河、田坪以北一带，标高500～1000m。地表岩性多为中奥陶系灰岩。河谷深切，多呈“V”型和“U”型，为干谷或半干谷。地面起伏较大，地面喀斯特发育，多见溶隙、溶沟、溶槽及溶洞等喀斯特地貌形态。
构造剥蚀丘陵（Ⅰ
3
）分布于焦作市区北部近山前地带，地面标高200～500m。山顶呈浑圆状，山坡平缓。
三、地层构胡培物造特征
1.地层
本地区出露的地层有太古宙，新元古界震旦系，下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭系—二叠系，中生界三叠系，新生界第三系及第四系。由老至新分述如下：
太古宙（Ar）：主要出露于峪中羡河口、薄壁一带，主要岩性为中等程度变质作用形成的片麻岩和混合岩类，出露厚度大于1000m。
震旦系（Z）：分布于峪河口及马鞍石水库一带，与下伏太古宇呈角度不整合接触。主要岩性为浅红色、紫红色石英状砂岩。出露厚度100～500m。
寒武系（
）：出露于丹河、峪河一带深切河谷之内，与下伏震旦系呈平行不整合接触，总厚300～590m。根据岩性及沉积韵律，分为下中上三统。下统（
）主要为泥灰岩、泥质灰岩及砖红色页岩、砂岩；中统（
）下部为紫红色页岩、砂岩；中上部是深灰色亮晶灰岩、白云岩；上统（
）主要是中厚层状结晶白云岩。
奥陶系（O）：广泛裸露于北部山区及隐伏于山前倾斜平原之下，分中、下两统，与下伏上寒武统整合接触，总厚500m左右。下统（O
1
）主要出露在深切河谷两岸，地貌上常呈陡壁，岩性为青灰色细晶白云岩及硅质条带或硅质团块白云岩，厚150m左右。中统（O
2
）广泛分布于北部山区，山前则埋藏于石炭系之下，局部埋藏于新生界之下，是一套碳酸盐建造，厚360m左右，可划分两组六段，主要由黑色、灰色厚层状灰岩、白云质灰岩及泥灰岩组成。
石炭系（C）：零星出露于北部山丘顶部，山前则隐伏于第三系或第四系之下，为一套海陆交互相沉积，主要岩性为砂岩、砂质页岩、铝土质页岩，夹九层灰岩，含煤数层，厚70～90m，与下伏奥陶系呈平行不整合接触。
二叠系（P）：隐伏于山前倾斜平原之下，岩性主要为砂岩、泥岩及页岩互层，含可采煤层，厚70～120m。
三叠系（T）：未出露，据钻孔资料，其岩性主要为砂岩、页岩夹可采煤层。下第三系（E）仅在个别钻孔中见到，岩性为砾岩、砂岩、泥炭岩互层。上第三系（N）地面未见出露，仅在个别钻孔见到，主要由砾岩、砂岩、泥岩、泥灰岩及砂质粘土、砂砾石层组成。
第四系（Q）：主要分布于山前冲洪积平原及冲积平原区，岩性为砂砾石、砂、亚砂土及亚粘土。
2.构造
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型构造反射弧前缘相交接地带。本区断裂构造发育（图3-2）。主要有：
图3-2 焦作地区断裂构造纲要图
（1）九里山断层：西起东于村，与朱村断层相交，至小墙北被凤凰岭断层截断。断层走向北东，倾向北西。断层南东盘上升，北西盘下降，断距300～1000m。致使断层北东段九里山附近奥陶系灰岩裸露地表，沿断层走向，形成残丘。
（2）朱村断层：该断层由邻区西北沿山前地带经柏山向东没入第四系。断层呈东西走向，倾向南，倾角70°左右。据钻孔资料，在朱村一带，断距达1000m。使断层北侧灰岩与南侧的煤系地层及新生界地层相接，从而成为本地区喀斯特水的南部边界。
（3）赵庄断层：西南端在南岭口与凤凰岭断层相接，经六堆宇交于黑龙王庙断层之上，全长35km，走向北东，倾向南东，倾角65°～68°。
（4）凤凰岭断层：西起逍遥河口，沿焦作北部山前延伸，构成山区与平原的自然分界，翁涧河以东隐伏于新生界之下。断层走向近东西、倾向南、倾角80°左右。断层落差200～300m，局部地带可见断层破碎带。
另外本地区还有董村断层、39号井断层、方庄断层、黑龙王庙断层、耿黄断层等断裂构造。
四、水文地质特征
焦作矿区北为太行山区，海拔标高+200～+1700m，为构造剥蚀的中低山地貌，广泛出露奥陶系—寒武系巨厚（800～1000m）的碳酸盐岩，地形陡峭，深山峡谷，喀斯特裂隙发育。大气降水后由地表短暂径流转入地下径流，汇水面积2000km
2
左右。地下水由高向低，自北和西北方向向矿区内径流，在矿区南部受到武陟隆起（前震旦系地层）和断距千米断层的阻挡，使地下水在矿区内排泄。20世纪60年代以前以天然泉水的形式排泄地下水，如九里山前泉群总流量达1.6m
3
/s。60年代以后，以矿井排水和工农业用水的形式排泄地下水（Q=9.9m
3
/s）。
矿区内分布的地层由于岩性不同，构成不同的含水介质，含有不同类型的地下水。山前冲洪积平原上的冲积、洪积物中，储存有较丰富的孔隙水。石炭系—二叠系砂岩及数层灰岩，裂隙喀斯特较发育，构成裂隙含水层、喀斯特裂隙含水层。在区内广泛分布的寒武系、奥陶系碳酸盐岩，喀斯特发育，具有较强的导水储水性能，在地下水径流排泄区，形成很富水的喀斯特含水层。
焦作矿区煤层底板突水频繁，涌水量大，淹井次数多。从客观上讲，主要受矿区水文地质条件制约。具体表现区域地下水补给量大；含水层层数多，厚度大，隔水层薄；断裂构造发育，使各含水层之间水力联系密切。
矿区内断裂构造皆为正断层，3组断裂构造（EW、NE和NW向）纵横交错，互相切割，形成许多条条块块，但没有破坏中奥陶统灰岩的连续性，使各块段中奥陶统灰岩水力联系密切，形成统一水位。朱村断层断距大，断层北侧奥陶系灰岩含水层与南侧石炭系—二叠系砂页岩隔水层相接，一方面，沿断层喀斯特发育，地下水沿断层北侧向东运动，形成喀斯特水强径流带；另一方面，使喀斯特水运动受阻，而成为本区喀斯特水的南部边界。凤凰岭断层北侧，岩石破碎喀斯特发育，导富水性强，沿断层形成喀斯特水强径流带，赵庄断层两侧，由于含水介质的差异，北西侧水位高，水位变幅大；而南东侧水位低，水位变幅小，断层两侧形成几十米的水位落差。断裂构造不仅控制了本地区地下水的径流与富集，而且在矿区常常成为煤层底板突水通道，造成淹井的事故。因此，地质构造对本地区地下水的赋存及运动起着明显的控制作用。
地下水流场特征
答1.矿井水文地质边界
（1）南北边界
矿井西北部的煤层露头被砂砾层覆盖，走向与九里山断层近似平行。奥陶系灰岩与石炭系灰岩在这一带与冲积层直接接触，并相互发生水力联系，水位趋于一致。矿井排水后，水位保持直线状高水头补给，涌水量不断增加，L
8
灰岩水位降压漏斗逐渐扩展，形成东南部缓平，为疏干边界；西北陡，为直线强补给边界。北西部虽经20 多年的排水，仍保持高水头，说明平行九里山断层有一充足的稳定的补给水源，即O
2
灰岩水。此西北边界亦可视为二水平的上部边界，而下部边界即东南边界，南部为凤凰岭断层，东南部为马坊泉断层。
（2）东西边界
L
8
灰岩等水位线，南北不对称，东西亦不对称。西部与韩王矿虽有一定水力联系，但不是主要来水方向，这可从“西二进水口”的存在得以证实。1966年9月东大巷转入煤底时，水位降深36m，L
8
灰岩水仅1m
3
/min，而西部当水量1m
3
/min时，水位仅降低0.5m，说明主要水源在西部。1971年在韩王矿东端进行了水文地质勘探，施工水文地质孔并做了各种连通试验，查明从韩王矿方向来水仅13m
3
/min，这就是说，该矿井的水源，虽然在西部，但不在西部边界，而在矿井内部的“西二进水口”，因而可以认为西部为弱补给边界。
矿井内F
102
断层以东的一九采区，N131孔水位+60m，和九里山西部同属一个水文地质单元。从矿井开采现状看，东部的补给量较小，但1987年3月21日东四半底板岩巷突水，九里山井田L
8
灰岩观测孔水位下降1～13m，证明有水力联系，预测矿井深部开采排水时，将会相互干扰，因此东部亦是弱补给边界。
综上所述，结合矿井历次突水的资料，该矿井应属于半封闭式的水文地质模式。
2.流场特征
（1）各岩溶裂隙地下水的动态变化
在底板未大量突水和矿井排水前，各类岩溶裂隙地下水的水位标高相差无几。O
2
、L
2
、L
8
灰岩地下水位动态类型、升降时间、年变余空幅三者与降水量变化大体上一致。突水和矿井排水后，从L
8
灰岩水位反映出了明显的变化，情况有以下几种。
构成主要来水方向的特点 水位动态必须是高灵敏度，较高变幅、高水位，并具有一定的水力坡度。当底板突水和矿井排水后，此方向水位迅速下降，但很快又回升。如“三高”方向是芹岩一个水力坡度，则补给水源在北部“谷型”边界末端，就是补给水源边界；如“三高”方向不是一个水力坡度，但是连续的，则补给水源在水位等高线的变缓处。
构不成主要来水方向的特点 水位动态灵敏度小，水位高度大，水力坡度大，是岩石导水性差，同时又有些补给来源，但补给量不大。当井下底板突水和排水后，此方向水位下降缓慢，变幅减小。水位动态灵敏度高，水位低平，水力坡度小，此方向是岩石导水性强，而补给量小之表现。当井下底板突水和排水后，此方向水位迅速下降，并稍有回升。
地下水主要是直线补给边界 当L
8
灰岩水位降低幅度不大，净贮量开始消耗时，漏斗是不规则的多边形。当水位大幅降低，净贮量得到消耗时，漏斗不断向外扩展，并显示出直线补给轮廓，直线补给展现在时间上直线的终点，即地下水动水位的边界点，展现在空间中的直线，正是突水断裂破碎带的存在。
岩溶裂隙地下水呈带状分布 降压漏斗向外扩展的，反映出不同方向的岩石渗透性能与含水性大小，漏斗形状反映出地下水的产状。已揭示的情况说明，地下水主要呈带状分布，特别是沿断裂破碎带呈似带状富集。
（2）各类岩溶裂隙地下水的降幅、富水性和岩溶裂隙发育程度的变化规律
当底板大量突水和矿井排水后，形成了以各类突水点为中心的降压漏斗。随后，各岩溶地下水位之间的差异越来越大，目前L
8
灰岩水形成了东、西两个降压漏斗。西部漏斗中心标高-69m，东部-61m，局部已疏干。两个漏斗分水岭标高+11m。L
2
灰岩水在矿井西部显示降压漏斗。O
2
灰岩水贮量大，补给条件好，水位下降比较小。
反映出水位的下降幅度是：L
8
灰岩水＞L
2
灰竖首瞎岩水＞O
2
灰岩水。经过近30年的开采，截止目前L
8
灰岩水位下降不一，由+102 m降至+60m～-10m不等，L
2
灰岩水位下降30m左右，O
2
灰岩水下降20m左右。5-1-A孔等O
2
灰岩观测孔水位，经过1964年9月及1977年8月两次特大突水后，水位下降幅度并不大（表3-2）。
表3-2 突水后5-1-A孔O
2
灰岩水位观测资料表
各岩溶裂隙地下水资源的丰富程度、补给强度和岩溶裂隙的发育程度是：O
2
灰岩水＞L
2
灰岩水＞L
8
灰岩水，三者关系基本一致。
生产实践证明，该矿井内O
2
灰岩水资源大于220m
3
/min，L
2
灰岩水小于180m
3
/min，L
8
灰岩水小于100m
3
/min。
与采煤相关的岩溶水环境问题
答一、矿井生产及排水情况
目前，焦作矿区有生产矿井12个，以市区为界分焦东矿区和焦西矿区。焦西矿区有朱村矿一个矿井，焦东矿区有韩王矿、白庄矿、方庄矿、赵固一矿、演马庄矿、凯马矿（原小马村矿）、冯营矿、中马村矿、九里山矿、古汉山矿（包括位村矿）和张屯矿。已经关闭的矿井有：焦西矿1999年10月关闭、王封矿1996年3月关闭、焦东矿1996年5月关闭。焦作市是全国著名的大水矿区，历史上高峰时矿区总排水量超过9.2m
3
/s。近年来，一些矿井因资源枯竭而关闭以及注浆加固堵水技术的普遍应用，各矿排水量减少，总排水量降至5～6m
3
/s，各矿排水情况见表10-3。
表10-3 焦煤集团矿井2005年生产及排水情况统计表
续表
二、矿山环境地质问题综述
焦作采煤所伴生的环境地质问题可归纳为三类：资源毁损、地质灾害和环境污染。
1.资源毁损
资源毁损主要是土地资源损失和水资源浪费。土地资源损失主要表现为煤矸石占压土地和开采沉陷毁坏土地。矿区自建矿以来产生煤矸石直接堆放于地表，已形成17座较大矸石山，历年堆存量已达1180.77万t，占地面积41.81万m
2
。矿区现有采空沉陷面积达到70km
2
。有些塌陷区常年积水，严重损坏耕地。矿山地貌受到严重破坏，水土流失面积不断扩大。近山前地带的孔隙水含水层因煤矿长期排水被疏干，岩溶水水位持续下降，并形成覆盖整个矿区的水位降落漏斗。
2.主要环境地质问题及地质灾害
主要环境地质问题及地质灾害有地面塌陷、地裂缝、瓦斯突出、矿坑突水、煤矸石白燃等。
（1）地面塌陷
焦作煤田经过几十年的开采，地下已形成数处大面积的采空区，在地表形成了总面积约70.2km
2
的采空塌陷区。在焦西矿区，采空塌陷形成6处大的移动盆地，分布在东王封—西冯封、李封—塔掌—上白作、北朱村、许家坟、嘉禾屯和焦西沙锅窑；在焦东矿区，面积较大的塌陷区有6处，分布于焦东矿、韩王矿—演马、方庄、冯营、前靳作、马村等地。除此之外，沿山前洪积扇的上部还散布着一些小煤窑采煤造成的塌陷坑。因焦西矿、九里山矿、方庄矿、中马矿、冯营矿、谨枣枣演马矿还有15～45年的开采时间，因此，塌陷区的面积今后每年还要以1.2～1.5km
2
幅度增加。统计资料显示，28个村庄受采空塌陷影响，30处厂矿、学校和村庄公共设施受损，12个村庄的建筑物受到强烈变形破坏。
（2）地裂缝
采空区地裂缝十分发育，主要分布在采空区的边缘地带，区内发现规模最大的地裂缝为修武县西村乡洼村地裂缝，由洼村一煤矿、二矿和西村乡煤矿采煤所致。裂缝走向近东西，长约3km，宽0.1～0.3m，局部可达2m，深0.5～1m，局部大于5m，沿疙料返断层断续出现，危及农田、道路及村庄，直接威胁居民的安全。九里山采空塌陷区裂缝多达数十条，形成宽60m的裂缝发育带，裂缝宽0.1～0.5m，沿塌陷区形成半环形，农业生产受到严重影响。
（3）瓦斯突出
焦作煤田瓦斯含量较高，约有45%的煤炭资源在开采过程中受瓦斯突出的严重威胁。焦作矿区煤矿多次发生瓦斯突出事故。例如，1996年12月10日，马村前岳村矿发生瓦斯爆炸造成2人死亡，8人受伤；2011年10月27日凌晨0点36分，焦作煤业集团有限责任公司九里山矿发生煤与瓦斯突出事故，造成18人死亡，5人受伤，直接经济损失1151.89万元。
（4）矿坑突水
焦作煤田水文地质条件复杂，奥陶系和石炭系碳酸盐岩岩溶发育，煤矿在建井或采煤过程中，遇到导水、充水断层及岩溶裂隙，引起地下水突然涌入矿井岩唤，造成矿井淹没事故。据焦作市矿务局统计资料，曾发生底板岩溶突水的矿井有：中马村矿、韩庄矿、王封矿、冯营矿、演马庄矿等。自新中国成立以来曾发生过上千次突水，突水造成17次淹井。
（5）矸石山自燃
现有的矸石山中有5座发生过不同程度的自燃，矸石自燃时，将排放大量有毒有害气体及烟尘，污染大气环境，粉尘降落于地面也会对土壤产生污染。
（6）环境污染
除在采煤过程中，煤层、煤矸石自燃排放的有毒有害气体对大气环境产生污染外，煤矸石堆积过程中，经降水的冲刷和淋溶，有毒祥拆有害成分随水渗入土壤中，造成土壤污染，矿井排水和洗煤厂废水都会污染地表水和地下水。
三、主要水文地质环境问题
1.矿井排水消耗了大量地下水资源
焦作矿区煤矿主要开采二叠系二
1
煤，矿井主要充水含水层有五个：煤层顶板有第四系砂砾石含水层和二叠系砂岩裂隙含水层，煤层底板有石炭系薄层灰岩岩溶裂隙含水层（包括八灰和二灰）、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。其中，二叠系砂岩裂隙含水层是煤层顶板直接充水含水层，八灰是煤层底板直接充水含水层，其余属间接充水含水层。从矿井充水与煤层相对位置关系来看，第四系孔隙水和砂岩裂隙水属于煤层顶板水，在采动影响下，通过顶板砂岩原生裂隙和采动裂隙，以滴水淋水及流水的方式进入矿井。而石炭系八灰、二灰及奥灰岩溶水位于煤层底板，通过导水断层、构造裂隙或采动破坏裂隙、封闭不良钻孔或巷道、钻孔直接揭露等通道进入矿井，属于底板水。根据统计，底板岩溶水占矿井排水量的75%左右。当矿井开采深度较浅时，第四系孔隙水和煤层顶板砂岩裂隙水（包括风化带裂隙水）是矿井主要充水水源；当矿井开采深度较大时，底板岩溶水是矿井主要充水水源。矿区断层构造发育，煤层底板石炭系薄层灰岩岩溶水和奥灰岩溶水水力联系密切。焦作矿区地表塌陷和地表裂缝较为发育，一部分矿井排水还会通过塌陷坑塘再次进入矿井中，从而形成矿井的重复排水，重复排水量占总排水量的20%。
焦作矿区矿井排水量呈阶段性的变化，1965～1978年为直线增长期，矿井排水量从3m
3
/s增加至9.2m
3
/s，1978～1986年为峰值期，矿井排水量在8.2～9.2m
3
/s区间波动。1986～2003年为下降期，从峰值逐渐降低至4.5m
3
/s。2003年以来，随着煤炭产量的增加，涌水量略有增加。2008年焦作矿区12座生产矿井总排水量5.97m
3
/s，排水强度较大的矿井有6座，演马矿年均排水量1.27m
3
/s、中马矿年均排水量1.04m
3
/s、九里山矿年均排水量0.83m
3
/s、朱村矿年均排水量0.68m
3
/s、方庄矿年均排水量0.67m
3
/s、古汉山矿年均排水量0.60m
3
/s，6座矿井排水量占全矿区排水总量的85%。从吨煤排水量数据来看（图10-9），矿井开采初期，1960年前吨煤排水量小于10m
3
/t，1960年后阶梯状上升，至1984年达到73.65m
3
/t，此后逐步下降，2008年达到30.58m
3
/t。吨煤排水量的减少与煤矿普遍应用注浆堵水技术有关，致使矿井涌水量大幅度减少，突水危险降低，已连续20多年没有发生大的突水事故。
图10-9 焦作矿区吨煤排水量开采量变化曲线
焦作地区地下水天然资源总量为10.76m
3
/s，其中岩溶水为8.09m
3
/s，孔隙水为2.668m
3
/s。1978～1986年矿井最大排水量为9.2m
3
/s，扣除22%重复排水量，在峰值期实际排水量最大为8m
3
/s左右，相当于焦作地区地下水天然资源总量的75%。如果按2008年矿井排水量5.97m
3
/s计算，扣除重复排水量后，实际排水量是5.25m
3
/s，相当于焦作地区地下水天然资源总量的50%。由此可见，矿井排水是焦作矿区地下水主要排泄方式。
矿井排水和人工开采是孔隙水和岩溶水的两种重要排泄方式，受煤矿长期排水的影响，冲洪积平原上部孔隙含水层被疏干，疏干区分布在西冯封—岗庄—百间房—安阳城—古汉山一线以北，面积达到100km
2
，水位埋深30～60m。与此同时，岩溶水位呈阶梯状下降，九里山岩溶泉水断流，处在冲洪积平原前缘的小张庄孔隙水自流井、灵泉碑孔隙水泉等均断流。
岩溶水水位动态主要受山区大气降水和人工开采（包括矿井排水）双重因素的影响，随开采量增加和降水减少呈阶梯状下降（图10-10）。
20世纪60年代，岩溶水水位标高在110m上下波动，最高水位达到125m，岩溶水补给与排泄处在天然动态均衡状态，以泉群形式排泄。随着矿井排水量的逐步增加，岩溶水位逐步下降，至20世纪80年代，矿井排水量达到峰值。与此同时，随着岗庄水源地的建设，城市大规模开采深层岩溶水，矿井排水和城市开采量超过10m
3
/s，至20世纪80年代末，水位最低降至75m。在30年的时间里，岩溶水位整体下降幅度达到35～50m，年均下降幅度1.2～1.5m。
图10-10 焦作矿区岩溶水历年水位和矿井排水量开采量相关曲线
自1994年开始，随着王封矿、焦西矿和焦东矿相继关闭，矿井排水量逐年下降。但是，随着城市发展和人口增加，岩溶水开采量逐年上升，由此抵消了消减的矿井排水量，岩溶水开采总量仍然保持在较高的水平，在8.5～9.5m
3
/s之间，岩溶水水位在75～90m之间波动。
根据前人研究，赵庄断层是一条主要起阻水作用的断层，断层以北的奥陶系灰岩含水层被抬升至区域地下水位，中寒武统灰岩是岩溶水赋存和运移场所，岩溶发育程度较差，裂隙率低，连通性不好，致使岩溶水径流条件差；而赵庄断层以南，奥陶系灰岩地下水位以下，岩溶发育，裂隙率高，导水性强，岩溶水径流条件好。以赵庄断层为界形成了水位差达70～150m的地下水位陡坎，断层北为高水位区，断层南为低水位。焦作矿区奥灰含水层岩溶裂隙发育，断层发育，岩溶连通性好，岩溶水有统一的水位，并有相似的水位动态特征。低水位区岩溶水位在矿井排水、城市开采及降水共同影响下，常表现为整体性的水位升降。在矿区岩溶水水位等值线图上，矿区岩溶水沿山前形成了椭圆状不对称的水位下降漏斗，水位最低点出现在开采量大的水源地（如岗庄水源地）或排水量大的矿井（如演马矿和九里山矿）。
岩溶水位年内动态主要受到大气降水的影响。雨后岩溶高水位区水位迅速上升，低水位区水位上升较缓慢，一般到10月底达到全年最高。低水位区岩溶水位年内动态分三个阶段：1月下旬至3月底，此间几乎无降水，岩溶水位急剧下降，至5月底或6月中上旬水位降至全年最低；6月后降水急剧增加，岩溶水获得补给水位开始回升，至10月底达到全年最高；10月至次年2月底，降水量减少，在开采的影响下，水位缓慢下降。岩溶水位动态特征反映了岩溶水集中补给、缓慢消耗的特点（图10-11、图10-12）。
2.矿区水环境污染
矿井排水是一种混合水，由岩溶水、孔隙水、砂岩裂隙水构成。一般情况下，矿井水水化学特征与矿井所在区域内的岩溶水或孔隙水一致。反过来讲，浅层孔隙水又接受矿井水的补给，孔隙水的水化学特征与矿井排水相似。因此，在焦作矿区孔隙水、岩溶水、矿井排水的水文地球化学特征，有许多相识之处。
图10-11 焦作矿区2000～2008年岩溶水位和降水量相关曲线
图10-12 焦作矿区2000～2008年岩溶水位和矿井排水量相关曲线
在水文地球化学特征上，焦作矿区东部和西部矿井排水水化学成分和水质类型有明显差异（表10-4）。西部各矿矿井水化学类型为·-Ca
2+
·Mg
2+
型，水的总硬度一般为350～450mg/L，溶解性总固体一般为500～600mg/L，含量一般为100～130mg/L。而东部矿井水化学类型是-Ca
2+
·Mg
2+
型，总硬度一般为270～280mg/L，TDS一般为320～350mg/L，水中含量明显低于西部，一般为40～55mg/L，水中其他离子含量如Na
+
、K
+
、Ca
2+
、Mg
2+
、、Cl
-
等也较西部矿井水低。造成东西部矿井水水化学特征不同的原因是东部与西部地质环境不同，表现在：①西部矿区煤系地层中含量高于东部矿区；②东部与西部地下水水化学特征存在较大差异，矿井水与矿井所在区域地下水一致。
表10-4 焦作矿区东部和西部矿井水水化学成分对比表 单位：mg/L
矿井水来源于岩溶地下水和孔隙地下水，其水质应该同区内岩溶水、孔隙水相同或相似。但是，矿井水从矿井深处向外排放过程中，受开采条件、人为活动等因素影响，矿井水中往往会混入大量的煤尘和其他杂物，而且还会遭受井下废弃的石油类等物质的污染，从而使矿井水水质趋于恶化。焦作矿区矿井水感官性状较差，浊度、悬浮物、细菌总数和大肠杆菌数普遍超标，但一般化学指标符合现行饮用水水质要求，基本上不含有毒有害成分，含有少量的油类有机污染物（表10-5、表10-6）。
表10-5 焦作矿区各煤矿矿井水水质分析汇总表
续表
表10-6 演马矿和鑫珠春矿矿井水水质分析及评价结果
续表
矿井水排出地表后，除少部分被利用外，大部分被排入沟渠或坑塘，最终流出区外。自20世纪60年代起，为利用矿井排水灌溉农田，在焦作西部和东部兴建了引排矿井水的渠道，形成了以矿井水为水源的焦西灌区和焦东灌区。焦西灌区灌溉耕地面积1.14万亩，最多时达到2.4万亩，包括王封、上白作、朱村和王褚四个乡镇的27个村庄，焦东灌区灌溉耕地面积为1.6万亩，包括待王、百间房、安阳城和九里山四个乡镇。自20世纪90年代开始焦作西部煤矿李封矿、王封矿、焦西矿等相继闭坑，矿井排水量减少，农业失去了灌溉水源。焦西灌区因地表塌陷，灌溉渠道受到不同程度的破坏，可灌溉面积减小。农业利用矿井排水灌溉过程中，有20%～30%的灌溉水通过灌溉回渗进入浅层孔隙地下水，矿井排水进入沟渠坑塘后，也可通过塌陷及地裂缝进入孔隙水甚至进入矿井。矿井排水是浅层孔隙地下水补给源，也是重要的污染源，不仅将大量煤粉和岩粉带入土壤中，造成了土壤污染和土质的降低，也导致孔隙水水质受到不同程度的污染。由于矿井排水以漫灌自流状态进入农田及田间沟渠，通过灌溉回渗和渠道渗漏补给孔隙地下水，构成孔隙地下水的污染源。
根据焦作节水办历年来水质监测结果，焦作西部和东部冲洪积平原中上部的浅层孔隙水，其水化学类型有两种，·-Ca
2+
·Mg
2+
型或-Ca
2+
·Mg
2+
型，在水质监测的27个常规化验项目中，总硬度、TDS、硫酸盐、氟化物、氯化物和硝酸盐有超标水样，污染程度属于轻度至中度污染。需要指出的是，浅层孔隙水因埋藏浅，补给途径和补给来源多样化，除接受矿井排水补给外，大气降水和地表水（主要是污水）均是补给水源。造成浅层孔隙水污染的途径和污染源也较复杂，农业喷洒农药和大量使用化肥均会造成浅层孔隙地下水的污染。但煤矿长期疏排地下水是导致水质污染的重要因素，采煤塌陷为污染物进入地下水中提供了良好的通道。
焦作矿区岩溶水埋藏于石炭-二叠煤系地层之下，煤系地层以及煤系地层之上的新生界地层构成岩溶水的天然保护盖层，可以起到避免岩溶水遭受人为污染和保护岩溶水质的作用。岩溶水补给区山高陡峭，人烟稀少，基本上没有大型污染源，包气带厚度大，是天然的卫生防护区。岩溶水受人为活动影响较小，水质良好，属于低硬度和低FDS的淡水。本区岩溶水中Cl
-
背景值含量为26.69mg/L，但自20世纪90年代开始，岩溶水氯化物含量逐年递增（表5-6）。焦煤水文队水井1999年Cl
-
含量为141mg/L，2002升至2135mg/L；54772部队2000年为680.7mg/L，2002年升至1447mg/L，两口水井皆因水质恶化而停用。一般情况下，水中氯化物多来源于生活污染和工业污染，岩溶水Cl
-
含量超出背景值，表明已遭受污染。主要原因是：原焦作化工三厂烧碱废液池直接建在渗透性很强的奥陶系灰岩地层上，池底及四周未作任何防渗处理，废水Cl
-
含量高达100g/L，通过岩溶裂隙渗入岩溶含水层。岩溶水自山区向山前运动，并在山前集中排泄，焦作几个大型岩溶水水源地均分布在近山前地带，距该废液池不足3km，岩溶水的运动和弥散作用，使山前岩溶水Cl
-
含量升高。
在九里山奥陶系灰岩残丘附近，奥陶系灰岩与第四系冲洪积层直接接触，形成“天窗”。排放于地表的矿井水入渗补给孔隙水，孔隙水水位高于岩溶水位，又以越流形式补给岩溶水。
丹河是焦作矿区西部唯一的常年性河流，流经奥陶系灰岩分布区，河水渗漏补给岩溶水，是焦作矿区岩溶水的主要补给来源之一，多年平均渗漏量占焦作矿区岩溶水多年补给量的20%左右。河水已受到污染，主要污染因子是化学需氧量和挥发性酚，对岩溶水水质有一定影响。
3.煤矸石及其污染
煤矸石是煤矿建井和生产过程中排出来的一种混杂岩体，包括井巷掘进时排出的岩石、煤层顶底板的砂岩、泥岩、煤等。煤矸石矿物成分主要有石英、长石、黏土矿物、白云岩及石灰石及黄铁矿等。煤矸石化学成分比较复杂，主要为一些金属元素和非金属元素的氧化物，也含有微量的重金属元素，其中SiO
2
和Al
2
0
3
占有相当高的比例。露天堆放的煤矸石不仅占用大量土地，还会造成周围环境的污染，矸石因氧化、风化和自燃，产生大量扬尘、SO
2
、CO、CO
2
、烟气等有害有毒气体，从而影响矿区周边生态环境。露天堆放的煤矸石受风吹、日晒和雨淋等作用，所含有毒重金属元素如铅、镉、汞、砷、铬等均有可能通过雨水淋溶进入地表水域或渗入土壤，并可渗入浅层地下水中，导致水土污染。煤矸石中黄铁矿结核经过风化和降水长期淋溶，会形成硫酸或酸性水，并离解出各种有毒有害元素如Cd、Hg等。此外，煤矸石自燃后会产生大量SO
2
气体，遇水形成H
2
SO
4
，会造成土壤酸化。
焦作矿区煤矸石产出量占原煤产量的20%，目前原煤开采量已达到800万t，每年外排煤矸石150万t。目前矿区尚有矸石山17座，占地面积约64万m
2
，历年堆存量已达2500万t。根据郭慧霞等人的研究，焦作矿区煤矸石主要化学成分中，SiO
2
相对含量为50.09%～58.21%，Al
2
O
3
相对含量为15.7%～28.11%、Fe
2
O
3
相对含量4.61%～5.49%，烧失量为12.32%～14.35%。煤矸石普遍含有影响环境的重金属元素，在所分析的Pb、Mn、Zn、Cu、Cr、Cd6种指标中，Cd的检出率为50%（Cd的最低检测限为0.05mg/kg），其他元素的检出率为100%，其中Zn的含量为123.89～291.11mg/kg，Mn含量为35.83～888mg/kg（表10-7）。
表10-7 焦作矿区煤矸石重金属元素含量分析结果 单位：mg/kg
焦作矿区煤矸石对土壤和地下水的影响主要表现为重金属污染，河南理工大学胡斌、李东艳等对演马矿、中马村矿、朱村矿矸石山周围土壤重金属污染问题进行过专题研究。在每座矸石山周围，沿主导风向和地形坡向上布置2～3条采样线，每条采样线上，由矸石山向外按5～50m的距离布置采样点，每个采样点采集深度10～15cm。土样分析结果见表10-8，研究表明：
表10-8 演马矿矸石山周围土壤重金属含量分析结果
1
单位：mg/kg
1）朱村矿矸石山周围土壤无Cr污染；Cd污染不明显；Cu污染程度较轻，但已经超出本地的自然背景值，Pb污染主要与矿区交通环境有关。Zn污染较重，其污染浓度与矸石堆距离呈非线性负相关关系，距离矸石堆越远污染程度降低。说明土壤某些重金属元素污染是由矸石风化、扬尘、雨水淋溶等作用使其迁移到周围土壤中造成的。
2）演马矿矸石山周围土壤Cd为轻污染，Cr和Zn为中等污染，其含量与矸石堆距离呈非线性负相关关系，距离矸石堆越远污染程度越轻，土壤开始出现Pb污染，但主要受交通影响，土壤受Cu污染不明显。
3）中马村矿区矸石山周围土壤中，5种重金属元素的平均含量由高到低分别为Mn＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu，其平均值为496.48mg/kg、242.78mg/kg、53.89mg/kg、37.27mg/kg、31.74mg/kg。土样Zn、Pb和Cu污染普遍，其平均值分别超过河南省土壤元素背景值的3.3倍、1.9倍、1.6倍，但Cu、Cr、Pb、Zn、Mn平均值均未超过《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级标准。
煤矸石山附近包气带和浅层地下水污染较为严重，矸石堆旁土壤水中K
+
、Na
+
、Ca
2+
、Mg
2+
、离子含量高，远离矸石堆离子含量普遍低，以离子表现得最为突出。
4.煤矿采空塌陷及其对水文地质条件的影响
当地下的煤层被采空后，便在地下形成采空区，采空区上的岩体失去原有的平衡状态，从而引起采空区上覆及周围岩体的移动、变形以至破坏。这种移动、变形和破坏在空间上是由采空区逐渐向周围扩展，当采空区范围扩大到一定程度时，岩层移动就发展到地表，在地表产生变形和破坏，即地表移动。地表移动和破坏形式与开采深度、开采厚度、采煤方法、顶板管理方式、岩性、煤层产状等因素有关，当采深与采厚的比值比较小时（深厚比H/m＜25～30，或覆盖层薄时），地表出现大的裂缝、塌陷坑。焦作煤田经过几十年的开采，地下已形成数处大面积的采空区，在地表形成了总面积约70km
2
的采空塌陷区（表10-9）。
表10-9 焦作各矿井采空区及塌陷面积统计表
根据2008年焦作市国土资源局《焦作市区地质灾害调查与区划》调查结果，市区因采空引发地面塌陷灾害共19处，除1处为开采赤铁矿引发的地面塌陷外，其余18处均为采煤引起（表10-10）。19处地面塌陷中，大型塌陷5处，中型塌陷13处，小型塌陷1处。采空塌陷在解放区、山阳区、中站区、马村区均有分布，涉及12个办事处。主要塌陷区有：小庄村塌陷、田涧村苗圃塌陷、嘉禾屯村塌陷、中马村西塌陷、桶张河村东塌陷、岗庄村西焦东矿塌陷、冯营塌陷、中马矿罗庄塌陷、九里山矿区塌陷、演马庄矿塌陷、韩王矿塌陷、王庄李封矿塌陷、红砂岭赤铁矿塌陷、朱村矿部塌陷、朱村四矿塌陷、中站区煤矿塌陷、西冯封村塌陷等。塌陷坑平面呈不规则圆形或椭圆形，直径一般500～2000m，个别大于2000m。从地面塌陷稳定性来看，12处稳定性差，7处稳定性较差。
表10-10 焦作市地面塌陷区分布位置及特征一览表
除此之外，沿山前洪积扇的上部还散布着一些小煤窑采煤造成的塌陷坑。因焦西矿区的焦西矿、焦东矿区的九里山矿、方庄矿、中马矿、冯营矿、演马矿、古汉山矿还有15～45年的开采时间，因此，塌陷区面积每年还在以1.2～1.5km
2
幅度增加。
焦作矿区地表移动的范围比采空区面积要大得多，其位置与形状取决于采空区的形状及煤层倾角的大小。矿区煤层大体上为一向东南倾斜的单斜构造，煤层倾角一般为8°～12°，煤厚5～6m，属于缓倾斜煤层。因此，充分采动条件下的地表移动盆地多位于采空区上方，移动盆地的形状与采空区形状有关，盆地中心略向地势倾斜方向偏移。地下采煤对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形（下沉、倾斜、扭曲、曲率）与水平方向的移动和变形（水平移动、拉伸和压缩变形），这些移动和变形都会对地面建筑物产生各种形式的破坏。衡量移动盆地变形程度的指标有下沉量W、倾斜率I、曲率K、水平位移量U和水平变形值E，下沉系数η、水平移动系数b、影响角正切值tanβ是确定这5个指标的参数，其值见表10-11。
表10-11 焦作矿区地表移动实测参数表
焦作矿区地表最大下沉值一般为采高的70%～80%，最大水平移动量差别较大，最小只有230mm（焦西矿109工作面），最大则为3794mm（焦西矿106工作面），其余各矿水平移动一般介于500～1500mm之间。地表下沉一般在放顶后十天内开始，下沉期一般为5个月，最长可达8个月。地表下沉过程可分为起始阶段、活跃阶段和衰退阶段三个阶段。起始阶段一般为30d左右；活跃阶段持续时间60d左右，日均下沉量最大100mm；衰退阶段持续时间60d左右；一般来说，工作面停采1年后地面变形基本停止，3年后地表变形达到稳定。从实际调查来看，焦作马村、田门、冯营、九里山和方庄矿塌陷区最大下沉量在5～6m，与理论公式计算结果大致相同。
地面塌陷造成的危害主要表现为毁坏耕地、公路和村庄，有的塌陷坑内长期积聚矿井水及雨水，农田丧失耕种价值。地面塌陷对矿区浅层孔隙水和深层岩溶水水文地质条件也有一定影响，表现在以下几个方面：
1）地表塌陷及地裂缝成为矿井充水和突水的通道。地表塌陷使地表高低起伏不平，矿井排水和雨水等在一些较大的塌陷坑内汇集，由于塌陷坑或地表裂缝与井下巷道或采空区存在通道，塌陷坑内积水便可再次进入矿井，造成矿井重复排水。根据焦煤集团统计，重复排水量占到矿井排水总量的20%左右。
2）采空塌陷及地裂缝还为污染物进入地下水和矿坑提供了最直接的通道。汇集于地表塌陷坑内的地表水、雨水及矿井排水，可以通过渗漏形式补给第四系孔隙地下水，由于其水质较差，容易造成浅层孔隙水的污染。
煤矿水文地质模拟的重要意义
答据有关数据表明，自2002年起到2008年，一次性能源消费连续增长，其增幅超过2.4%。而国际石油价格也在一路攀升，许多国家不得不调整能源使用结构，逐渐降低石油消毕悔费比例，转而提高煤炭比重。
煤炭行业是我国国民经济的支柱产业，是关系国计民生的基础性行业，在国民经济中具有重要的战略地位。煤炭作为中国工业化进程的主要能源基础，对整个国家的经济发展起着举足轻重的作用。进入“十一五”规划期，中国的“富煤贫油少气”的能源储备特征和进入“重化工业主导型”经济发展阶段的特点，决定了在较长时期内，煤炭是我国一次能源消费结构中占主导地位的格局将长期保持不变。结合中国经济发展的实际情况和国际形势，国家发改委在《能源发展“十一五”规划》中进一步决定和明确了“坚持节约优先、立足国内、煤为基础、多元发展”的能源方针，提出“2010年中国煤炭消费量占一次能源消费总量的66%”。
据国家统计局的数据，2008年煤炭一次消费增长5.8%，占全球增长的2/3。为此我国不断加大投入，增加煤炭产量，到2008年原煤产量达到了27.93亿吨，同比增长10.6%。
图1 我国煤炭生橡型产与消费情况
如此巨大的需求，就需要不断加大煤炭资源勘探和开发。我国各省、市、自治区，除上海和香梁数猜港、澳门特别行政区外，都有煤炭产出，但分布不均。特点是西多东少、北富南贫，相对集中。煤炭资源总量中，分布在大兴安岭太行山雪峰山一线以西的12个省(市、自治区)占有总资源的89%，保有储量的87%;而该线以东的20个省(市，自治区)，仅占总资源量的11%，总保有储量的13%。按各省(市，自治区)统计，资源量最多的前十名依次是新疆(16210亿t)、内蒙古(12053亿t)、山西(6830亿t)、陕西(2922亿t)、宁夏(1991亿t)、甘肃(1905亿t)、贵州(1866亿t)，共计47108亿t，占总资源量的93.11%。依保有探明储量排序，前十名依次为山西(2578亿t)、内蒙古(2247亿t)、陕西(1619亿t)、新疆(952亿t)、贵州(524亿t)、宁夏(309亿t)、安徽(245亿t)、云南(242亿t)、河南(227亿t)和山东(227亿t)，共计9558亿t，占保有储量的95.34%。
我国煤的种类齐全，从褐煤到无烟煤，各个煤化阶段的煤都有赋存，能为各工业部门提供冶金、化工、气化和动力等各种用途的煤源。其中炼焦用煤占25.4%，无烟煤和贫煤占17.2%，褐煤占13%。低变质的烟煤(长焰煤，不黏煤，弱黏煤等)占42.5%，低变质烟煤不仅数量大，且煤质好，是煤炭资源中的一大优势煤类。其中大同的弱黏煤，神府和东胜的不黏煤，灰分、硫分很小，被誉为天然精煤。
在开采实践中，我国煤矿生产中事故频发，百万吨死亡率是美国的近200倍，是南非的30倍，是印度的12倍。煤矿突水是矿井五大灾害之一，严重影响生产安全并造成重大的经济损失。例如1984年6月2日，范各庄矿2171综采工作面，揭露隐伏导水陷落柱，奥陶系岩溶强含水层的高压水经陷落柱溃入矿井，高峰期突水量达2053m
3
/min，造成范各庄、吕家坨二矿淹没，林西停产，唐家庄、赵各庄矿减产，直接经济损失数亿元。据国家煤矿安全监察局的资料统计显示，受当时煤炭市场低迷影响，1995～2000年全国煤矿水害事故总体上呈逐年下降的趋势;而2000～2005年，水害事故总体上呈现逐年上升的趋势(如表1)。突水仅次于瓦斯事故，已成为名副其实的煤矿第二杀手。并且，突水造成的直接经济损失一直列在各类煤矿灾害之首;过去20年间，有250多对矿井被水淹没，直接经济损失高达350多亿元。
表1 2000～2006年间煤矿重特大突水事故统计
注:引自“973计划”:煤矿突水机理与防治基础理论研究。
严重的水害和复杂的水文地质条件还使大量的煤炭储量无法开采。据统计，北方石炭系—二叠系是我国主要含煤岩系之一，其预测储量占全国预测储量的26%，保有储量4097亿t，占全国保有储量53.8%。但北方一些主要煤矿区，受岩溶水威胁的煤炭资源达160亿t，仅河北、河南、山东、江苏、安徽及渭北等地区，矿井保有储量384.5亿t中受水威胁的煤炭储量达149.71亿t，占37%(武强等，1995)。受水威胁的矿井中煤炭大多煤质好，在国民经济建设中具有重要的战略地位。因此对矿井水文地质规律、矿井地下水运动模拟的研究，对于解放我国东部受水威胁的煤炭资源，提高资源回收率具有重要的指导意义。
随着煤矿生产技术的发展，资源开采强度增强、矿井深度不断延伸，多数矿井面临更为复杂的水文地质条件，煤矿水害威胁日趋严重，产生了一系列的水环境问题，具体如下:
1.采矿对区域地下水位及流场的影响
对我国来讲，煤炭生产以深部开采占大多数。为了维持采矿的正常进行，采煤工作面的横向和纵向的发展以及工业城市生活用水的迅猛增加，必须大量开采地下水或将工作面周围的水、潜在的水排出，这导致矿井排水量逐年加大，排水费用也逐年增多，地下水位急剧下降。相应地，所形成的地下水降落漏斗范围和幅度越来越大，地下水的流场也发生了明显的变化。作为我国特殊现象的汲水井也因为地下水位的大幅度下降而基本消失。自1975～1995年间，河北省煤矿开采区的地下水位急剧下降，其中浅层地下水位由平均5.88m降至11.88m，而深层地下水位则由平均7.37m下降到30.25m，形成了十余个大小不等的降落漏斗。
在我国典型的大水矿区如焦作、峰峰和开滦等，这种情况尤其严重。例如在焦作矿区，1952年排水量仅1.501m
3
/s，地下水位为105m;1965年矿坑排水量为4.96m
3
/s，地下水位为93m，地下水位比1952年下降了12m;1978年矿坑排水量增加到5.55m
3
/s，地下水水位大约在85m左右;1982年矿坑排水量为8.463m
3
/s，地下水位为83m，并在电厂岗庄水源地大规模集中开采区形成多边形枕状漏斗;1993年矿坑排水量增加，使得地下水位急剧下降，平均地下水位为71m，最低水位位于岗庄水源地，为62.08m。在短短的40年时间里，地下水位下降幅度达43m左右，大大增加了取水的费用，也加速了生态环境的恶化。由于矿坑排水改变了孔隙水的补、径、排方式，目前孔隙水主要接受大气降水、城市排污及矿坑排水渗漏补给，而矿坑排水近山前地段孔隙水基本疏干，其埋深在60m以下，形成了空前的疏干区。作为焦作矿区的大矿之一，九里山矿附近形成了孔隙水降落漏斗，焦作市城区造纸厂、化工一厂及平原光学仪器厂等单位单井涌水量减少，化工一厂有多口井报废，其造纸厂用水量急剧下降，生产用水紧张。
2.采矿对周围河川径流的影响
由于煤层浅埋藏区煤矿采空范围扩大，采空区星罗棋布，其引发的裂缝(董兆祥，1997)，甚至地面塌陷范围也逐渐扩大，造成了周边河川径流量大量减小，在个别区域甚至出现河流断流的情况，农业灌溉和部分城市的生活用水受到严重影响。西山矿区的西山冶峪沟董茹站的流域，面积达18.9km
2
，在不同时段流域平均降水量与实测河川径流量的关系见图2所示。
图2 西山矿区流域不同时段流域平均降水量与实测河川径流量的关系
3.煤矿排渣对水源的污染
采矿的排渣主要是各种矸石。对煤矿来说，煤矸石是煤矿采掘和洗选加工过程中排出的废渣。它的排放量与煤的埋藏条件、开采方式等因素有关。煤矸石是由灰分高、发热量低的炭质煤岩和少量煤块组成，其主要成分为碳、氢、氧、硫、铁、铝、硅、钙等常量元素和镉、铬、砷、铅、汞、铜、锰、氟等痕量有毒元素(刘国昌，1998;张忆晋，1990;国家环保局监督理司，1992;程胜高，1999;中国环境科学学会，1984)。目前，由于利益的驱使，小煤窑这个顽疾屡禁不止，矿山千疮百孔，乌烟缭绕。在采掘和洗煤过程中排出的煤矸石都未经过处理，直接排放在水沟、山坡和平川。煤矸石长期露天堆放，经日晒雨淋、风化侵蚀，天长日久便发生自燃，释放出大量的有害气体，严重地影响了矿区及周围的大气质量，进而污染了大气降水。一部分有害元素经雨水或地表水的淋滤作用，给地下水造成严重污染。在我国大型露天煤田———神木的石圪台矿区，这种情况更为严重。在对该矿的环境调查过程中，发现在该矿周围分布着许多大小不一的小煤窑。这些煤窑只追求效益，对煤层不全采(留有大量不好采的煤)，大大浪费了煤炭资源，同时其分选更是浪费惊人，将其认为赚不了钱的许多可利用的煤块丢在道路两旁和河道里。经过长期的风吹日晒，淋滤的水直接排到河道和渗到地下含水层中，使地表水和地下水受到严重的污染。据群众反映，以前河里的水非常清澈，可以直接饮用，而现在却变成了黑乎乎的污水。
煤矸石自燃是一种普遍现象，这在神木的石圪台矿区也非常典型。青烟缕缕随处可见，对环境的污染相当严重，主要是硫、碳、氮、氧化物和烟尘对大气的污染。被污染的大气通过降水，间接地污染靠大气降水补给的地表水和地下水。
4.采矿对矿区外围水源的影响
随着煤矿开采深度的不断增大，排水量也在不断增加。疏干区形成相对低压带，破坏了原来的地下水系统循环和存储条件，在一定的水文地质条件下，地下水有可能穿透原有的相对隔水层而发生突水灾害。
资料表明，太原西山地区岩溶水在构造裂隙的综合作用下，形成统一的水动力系统，具有一致的补给径流和排泄条件。一旦发生突水，势必要影响整个系统的补、径、排条件，从而使原有的排泄点流量减少，矿区外水源受到严重威胁。根据晋祠水源保护办公室调查的结果，风峪沟内乡镇小煤窑采煤排水很大程度地影响着晋泉出水量。
在我国有着悠久采矿历史的唐山，其问题就更加明显。据有关资料，唐山市的大部分矿坑排水、生活污水以及工业废水没有经过处理或处理不达标就直接排放，对周围水质造成较为严重的污染。比较突出的是陡河市区段，其酚含量超过国家标准的173倍，氰化物含量超标6倍，而且还出现了镉和氟的污染区。
随着西部大开发政策的实施，在西部国民经济中占重要地位的神府煤田的煤炭生产对生态环境的影响也被逐渐重视起来。特别是在缺水的西部，如何保护好水源已成为最迫切的问题。经测定在沿乌兰木伦河上游和下游分布的补连、大柳塔和敏盖兔3个矿点中CODMn，NO
3
-N等成分的含量呈递增趋势。另外从各河、沟、川大量的水分析结果看，无论是枯水期和平水期，其水质几乎都超出地表水二级标准。经分析认为，产生后果的原因主要归结为乌兰木伦河两岸及沟岔分布有比较密集的煤矿点，矿坑排水、工业设施附属厂及生活排污对乌兰木伦河造成重复污染。尽管有些有害元素和离子未超标，却已经有超标的发展趋势。
多年来矿业工作者一直致力于地下水方面的研究工作，但由于我国煤矿地质条件(尤其是构造条件)非常复杂，开采方式各异，再加上生产技术、探测技术、监测技术水平的限制，矿井突水事故时有发生。因此，煤矿地下水模拟技术的研究是我国乃至世界的重大难题，对其研究将对我国受水威胁的煤矿安全开采和水环境的保护有着重要的意义。
九里山矿一采区的注浆治理
答九里山矿设计能力90万t，井田构造简单，煤层稳定，煤质优良，储量达1.34亿t，但水文地质条件极复杂，突水27起，涌水量70～103m
3
/min，累计排水4.23亿m
3
，而西翼L
8
水位仅下降20m左右，水位居高不降，一
2
采区面面突水，甚至一面多起突水。该采区为一背斜，裂隙发育，二
1
煤至L
8
灰岩间隔水层底部有砂岩，形成砂岩聚集区，导升高度5～7m，L
8
与L
2
之间出现L
7
、L
6
、L
5
三层灰岩，形成灰岩聚集区，这些特点，按煤-岩-水-气法分析是典型的垂向越导区。
其中，在试采12031工作面时，为减低矿压影响，将工作面斜长缩小到仅30m，且采区周围均有L
8
突水点降压，该面以在疏降影响范围之内，并无断层，但在1993年3月30日回采时，还是了发生L
5
越导突水，突水量为41m
3
/min，老突水点水量几乎不减，这时矿井总水量达103m
3
/min，一
2
采区涌水量85m
3
/min，占全井81%，矿井处在危险之中，在越导区，越导水量增大，由于水源丰富，又无明显疏水降压意义，反而使经济上无力承受。历年累计亏损达4.3亿元，吨煤排水费高达40～50元/t，约占原煤成本一半，封堵突水点已成当务之急。
一
2
采区主要突水点分别集中在以下3个地点：① 12021、12041 涌水量12m
3
/min；② 一
2
皮带突水量32m
3
/min；③ 12031试采区40m
3
/min。
3处水量总计84m
3
/min，占全井85%，在运用越导通道综合探测配套技术逐帆燃步找到越导通道的情况下，集中封堵，显然可获很好经济效益。
于是制定了“三堵一查”治水方案，即先封堵上述3个芦皮突水点并基本查明突水水源，用“陪轿差集点成线”的办法，实行在动水条件充砂为主的战术，在一
2
采区形成充填带，堵住来自越导通道的水源，通过1991～1994 四年治水，取得了良好的治水效果，堵水率在97%（表6-7），工程费总计549.38万元，而矿井总涌水量由103.8m
3
/min（1993年4月），减为39.12m
3
/min（1994年5月），净减少水量64.69m
3
/min。
表6-7 九里山矿一
2
采区堵水工程简表
年节省排水电费为1196.83万元，计算如下：
河南省焦作煤田矿井水防治研究
式中：A——年节约电费（万元）；
0.5——百米扬程吨水平均耗电度数；
H——扬程320m；
0.22——电价，0.22元/度；
T——年分钟，1440×365＝525600分；
Q——减少水量64.69m
3
/min。
由于堵水效果明显，使得一个连年亏损的矿井1994年首次盈利，年盈利额达211万元，实现了大水矿区扭亏为盈的突破（表6-8）。
表6-8 堵水效果分析表
泉域自然条件概况
答九里山泉域岩溶水系统位于河南省西北部、山西省东南部，北为山西三姑泉域岩溶水系统、西为延河泉域岩溶水系统、北东为太行山散流区岩溶水系统，行政区分属山西晋城市和河南焦作市（图10-1），为一跨省区的岩溶水系统，面积1462.66km
2
。
系统内焦作市曾是一个以开采煤炭为主的矿区，经过几十年来的建设，现已形成了以能源、机械、化工、冶金、建材工业为主体，食品、轻纺、医药等工业部门综合发展的新兴工业城市。焦作市电力装机总容量达到260万kW，居于河南省前列；化学工业产品达8大类100多个品种，是全国44个重点化工城市之一；氧化铝和电解铝生产能力分别达到85万t、25万t。
煤炭在我国一次能源生产和消费中占有统治地位，但大规模开发煤炭资源，不可避免地带来一系列环境问题，如水污染、煤矸石、噪声、大气污染、地表塌陷等。焦作市是以煤炭采掘业为主体发展起来的城市，至今有100多年的开采历史，2000年改制为焦作煤业（集团）有限责任公司（焦煤集团）。1949年焦作矿务局开始建矿采煤以来，累计生产原煤2亿多t。历经数十年的开采，焦作矿区煤炭资源已日渐枯竭，盯巧成为国家衰老矿区之一。采煤将大量的伴生资源排出地表而成为工业废弃物，矿区原生地质及生态环境也遭受破坏，突出的环境问题主要有：地面塌陷、矿井排水造成的水资源枯竭与水质污染、矿井突水、煤矸石污染土壤和地下水，矿坑中大量“老窑水”对未来的环境影响等。煤矿生产所引发的地质环境问题，已成为制约着焦作市社会经济持续发展的不利因素。在世界范围内普遍重视生态保护、环境保护、节能减排和控制地球暖化等问题的大背景下，焦作矿区作为全国典型的老煤矿区之一，面对煤炭资源逐渐枯竭的形势，对采煤造成的环境影响进行深入思考、剖析和反思是非常有必要的，对古老矿山修复遭受破坏的矿山环境、对新建矿山采掘生产过程中最大限度地保护原有地质环境，都有非常重要的意义。
九里山泉域岩溶水系统是我国北方岩溶区发育比较典型的系统之一。寒武-奥陶系碳酸盐岩厚达900m，岩溶裂隙发育，有利于岩溶水赋存。寒武-奥陶系灰岩地表及地下岩溶发育，大气降水和河水以入渗或渗漏方式补给岩溶水。奥陶系灰岩在山前的焦作矿区，埋藏于石炭-二叠煤系地层之下。矿区断裂构造非常发育，岩溶水分布和运动受构造的控制，一些规模较大的断裂如凤凰岭断层、朱村断层、九里山断层及方庄断层等是岩溶水的强径流带。山前地区是岩溶水集中排泄区，九里山泉群历史上最大流量达到12m
3
/s。焦作矿区岩溶水资源丰富，多年平均补给量为8.09m
3
/s。处在山前的焦作矿区，则因矿井水文地质条件复杂，枝物采煤生产深受岩溶承压水突水威胁，突水事故频发，矿井排水量大，是我国著名的岩溶大水矿区之一。矿区主采煤层是二叠系山西组二
1
煤，煤层底板下距石炭系八灰20m、二灰70～80m、奥灰100～120m，石炭系薄层灰岩和奥陶系岩溶水是矿井主要充水水源。焦作矿区自新中国成立以来曾发生过上千次突水，其中水量大于1.0m
3
/min的突水猛则液600余次，水量大于10m
3
/min的突水76次，水量大于50m
3
/min的突水15次，最大突水量320m
3
/min，突水造成淹井17次，造成了巨大的经济损失。焦作矿区煤矿涌水量大，所有矿井排水量最大达到9.2m
3
/s，目前生产矿井排水量仍有5～6m
3
/s。长期疏排地下水不仅造成水资源白白流失，对水文地质环境也产生一些不良影响，如地下水持续下降，冲洪积扇上部潜水含水层处于疏干—半疏干状态、岩溶水水位降落漏斗覆盖整个矿区及水质变差等。
图10-1 九里山泉域岩溶水系统水文地质略图
虽然我们无法避免生活中的问题和困难，但是我们可以用乐观的心态去面对这些难题，积极寻找这些问题的解决措施。蜗牛号希望焦作九里山煤矿__焦作九里山煤矿水文地质情况，能给你带来一些启示。