焦作方庄煤田水文地质条件普查浅议
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［摘要］矿井水害的存在对煤矿的安全生产存在严重威胁，我国华北地区煤矿多受奥陶系灰岩水突水威胁，因此在煤田的勘查工作中应重视并做好水文地质工作。本文通过野外调查和钻探等工作手段，完成了焦作方庄煤田普查阶段的水文地质调查，查明了煤层顶底板的水文地质情况，指出了未来矿井充水的来源，确定了煤田主采煤层水文地质勘查类型为底板进水为主的水文地质条件中等的岩溶充水矿床，并为矿山建设和生产提供了供水水源方面的建议。
［关键词］焦作方庄煤田；水文地质；调查研究；普查
矿井水害的存在对煤矿的安全生产存在严重威胁［１，２］。我国华北地区煤矿，包括河北、河南、山西、山东等很多煤矿，都受奥陶系灰岩水突水威胁［３］。因此在煤田的勘查阶段，包括预普查阶段，就应该重视并做好煤矿的水文地质工作［２，４］，进行矿井水文地质类型划分，对矿井防治水工作提出合理建议，为矿井安全生产提供技术保障，有利于矿山的可持续发展［５－７］。“河南省焦作煤田方庄井田深部煤普查”项目是２００９年度省地质勘查基金（周转金）续作项目，主要勘查对象是本区的可采煤层———二１煤，同时兼顾其它可采煤层和有益矿产。依据《煤、泥炭地质勘查规范》（ＤＺ／Ｔ０２１５－２００２），对普查区煤炭资源的经济意义和开发建设的可能性做出评价，为煤矿建设远景规划提供依据。本次普查工作的主要水文地质和工程地质调查研究工作任务为：调查普查区自然地理条件、第四纪地质和地貌特征；大致了解普查区水文地质条件，调查环境地质现状；大致了解普查区开发建设的工程地质条件和煤的开采技术条件。
１研究区概况
研究区位于河南省修武县北部太行山山前缓倾斜区域，行政区划隶属河南省修武县方庄镇、辉县市吴村镇管辖。西距修武县方庄镇２．５ｋｍ，修武－云台山旅游公路从普查区西侧通过，焦作市－辉县市公路从研究区内西北一带通过。周边公路铁路纵横成网，交通十分便利（见图１）。研究区２００５年列入河南省两权价款勘查项目，探矿权归属河南省国土资源研究院。其范围北起山前断裂，南到九里山断层，西自方庄井田边界，东至新安屯村，东西长为７．７５ｋｍ，南北宽６ｋｍ，面积２５．２１ｋｍ２。
１．１自然地理
普查区位于太行山南麓山前地带，地势北高南低，为一北陡南缓的山前缓倾斜平原区，地形坡度小于１０°，地面标高９６～１５０ｍ，相对最大高差５４ｍ，区内地表几乎全部为第四系黄土层覆盖，基岩只在普查区内的古汉山山包和区外西北部山前一带出露。本区属大陆性气候，严冬酷冷，盛夏炎热。年平均气温１４．９℃，最高月均气温２７．８℃，最低月均气温０．３℃，极端日高温４３．３℃，极端日低温－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，最小５．８ｍｍ；年平均蒸发总量２０４８．８ｍｍ，月蒸发量最大３４１．４ｍｍ，最小８０．５ｍｍ；冬春季多西北风，夏秋季多东北风，平均风速２．６ｍ／ｓ，瞬时极大风速３０ｍ／ｓ；每年１１月至次年３月为霜冻期，最大冻结深度１９０ｍｍ，降雪也多在此期间，最大积雪厚度２９０ｍｍ。本区水系属海河流域卫河水系。普查内无常年性流水的河流，仅有纸坊河从普查区内通过。该河为季节性河流，平时无水，雨季因地表水集中形成短暂洪水，一般３～５ｄ即干。
１．２经济状况
研究区地处豫北，电力资源、煤炭资源、建筑材料充足，水资源丰富，矿山机械制造业发达，劳动力成本相对低廉，公路及铁路纵横，交通十分便利，普查区内及周边农业人口分布集中，农作物主要为玉米、小麦等，经济状况较好。
２煤田水文地质条件
本次普查工作完成研究区水工环调查３０ｋｍ２。初步了解了研究区开发建设的水文地质、工程地质、瓦斯、地温等煤的开采技术条件，达到了预期地质目的，总体达到了普查工作程度，为后期的详查工作提供了可靠的地质依据。
２．１区域水文地质概况
焦作煤田位于太行山南麓的山前洪积扇裙带下，煤田北靠太行断隆，南邻开封拗陷，东为汤阴断陷，面积１３５０ｋｍ２。煤田北部山区碳酸盐岩广泛出露，地表裂隙岩溶发育，大气降水多沿裂隙和断裂构造下渗补给地下水，地下水由北西向南东径流，在丹河与峪河之间构成一个长４０ｋｍ、宽１０ｋｍ的地下水暗流区。在焦作煤田未开发之前，地下水多沿洪积扇边沿和九里山断层带呈上升泉水排泄，在煤田大面积开发之后，大部分地下水由矿井排出，汇入卫河，使地表泉水干枯。焦作煤田构造复杂，多以高角度正断层为主，其中北东向压扭性断层最为发育，次为近东西向和北西向张扭性断层，三组断层相互切割，使整个煤田构成大小不等的断块，既破坏了各含水层自身的完整性，又使不同的含水层相互接触发生水力联系，造成该区复杂的水文地质条件。焦作煤田煤层埋深几十米至千余米。目前开发深度已达３００～７００ｍ，煤层底板水头压力高达２０～６０ＭＰａ，常造成矿井底板突水。底板Ｌ８灰岩岩溶突水是焦作煤田开采的主要威胁之一。综上所述，焦作煤田之所以水大，一是地下水接受大气降水补给的区域广阔；二是煤田北部巨厚层的可溶性碳酸盐岩为地下水提供了良好的储水空间；三是煤田内发育的张性断裂构造带是地下水向煤田补给的良好通道。
２．２研究区水文地质条件
２．２．１地形地貌及地表水。研究区位于太行山南麓山前冲洪积扇的前缘，属冲洪积平原区，地表均被第四系及新近系覆盖。区内地面标高一般在９６．１２～１４７．６１ｍ之间，呈北西高、南东低之势，地形坡度１．８‰左右，地势相对平坦。区内冲沟不发育，仅有纸坊河从普查区中部通过，该河流上游为季节性河流，一般干枯无水，夏秋季节汇集大气降水，排泄山洪。下游由于中州铝厂生产废水的排放，河水常年不断。据２００７年观测资料，河水流量约２．５ｍ３／ｍｉｎ。２．２．２地下水。普查区内地下水分别赋存于第四系、新近系的砂砾石层及下伏基岩的砂岩、灰岩岩溶含水层中。根据区域水文地质资料，区内地下水总体由西北流向东南。本次普查区内３２口机民井水文地质调查资料统计，水位埋深７～８７ｍ，水位标高７０～１１０ｍ。其中：取自第四系上部砾石层潜水的１８口机民井单井涌水量一般在２０～５０ｍ３／ｈ；取自奥陶系马家沟组的中州铝厂水源地１３口岩溶水水井，单井涌水量达３００ｍ３／ｈ，一般每天开４～６口井的水泵可满足中州铝厂厂区的生产和生活用水。２．２．３含水层根据调查及钻孔揭露，含水层自上而下依次为：第四系砾石孔隙潜水含水层、新近系砾石孔隙潜水含水层、山西组砂岩孔（裂）隙承压水含水层、太原组上部Ｌ８灰岩岩溶裂隙承压水含水层、太原组下部Ｌ２灰岩岩溶承压水含水层、寒武、奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水含水层。（１）第四系砾石孔隙潜水含水层第四系地层由松散的砂、砾石及厚度不等的粘土、砂质粘土组成，含水层与隔水层厚度均不稳定。含水层的砾石成分以灰岩为主，次为石英砂岩和长石石英砂岩，少量角闪片麻岩。砾石直径大小不一，约１０～２００ｍｍ，分选性差－中等；砾石呈次圆状和次棱角状，磨圆度较差；砾石间砂质充填，多呈松散状，局部为泥质、钙质或硅质胶结。含水层厚度２９４．８８～４５７．６５ｍ。该含水层以大气降水补给为主，纸坊河水的垂向或侧向补给为辅。区内钻孔ＺＫ０００１和ＺＫ０４０９在该含水层段施工时均出现冲洗液全漏现象，最大漏失量达１１２．８ｍ３／ｔ。根据邻区方庄煤矿钻孔抽水资料，该含水层段钻孔单位涌水量（ｑ）为４．０２９～１３．３３Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数（Ｋ）为２１．６０～１３３．００ｍ／ｄ。属强富水性含水层。水质分析结果，该含水层水化学类型为ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，矿化度为０．３０８ｇ／Ｌ。（２）新近系砾石孔隙潜水含水层新近系地层由厚度不等的粘土、砂质粘土及多层砾岩（砾石）组成，其中：砾岩为含水层，粘土及砂质粘土为相对隔水层。含水层砾岩成分以灰岩为主，次为石英砂岩，直径１０～６０ｍｍ，分选性差－中等；磨圆度较差，呈棱角状和次棱角状；砾石间为砂泥质充填，多呈松散状，局部钙质和泥质胶结。根据钻孔资料统计，该含水层厚度１３３．３２～３４０．４５ｍ。地下水补给来源于大气降水及第四系砾石含水层。根据方庄煤矿钻孔抽水资料，该含水层段钻孔单位涌水量（ｑ）为０．３８～１．５７１Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数（Ｋ）为１．３３～１０．６９ｍ／ｄ，地下水水位埋深２．７１～１９．７９ｍ，地下水略具承压性。属富水性较弱的含水层。该含水层水化学类型为ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，矿化度为０．３１６ｇ／Ｌ左右。（３）山西组砂岩孔（裂）隙承压水含水层（二１煤顶板的直接充水含水层）该含水层由二１煤层顶板到砂锅窑砂岩底板之间的中、粗粒砂岩组成。主要成分以石英、长石为主，钙质和硅质胶结。区内该含水层埋藏较深，厚度一般５．３７～１７．７５ｍ，平均厚度１０．０６ｍ。岩芯较完整，裂隙发育较差，区内钻孔在该含水层段均无涌漏水情况。根据邻区钻孔抽水资料，该含水层钻孔单位涌水量（ｑ）为０．０００９３～０．０６９１Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数（Ｋ）为０．００９１～０．１８７ｍ／ｄ。属弱富水含水层。该含水层水位埋深０．０８～１８．２１ｍ，为本区二１煤顶板的直接充水含水层。（４）太原组上部Ｌ８灰岩岩溶裂隙承压水含水层（二１煤底板直接充水含水层）Ｌ８灰岩由深灰色中厚层生物碎屑及燧石灰岩组成，厚度１．５５～８．２０ｍ，平均厚度５．８８ｍ。根据钻孔资料统计，该含水层裂隙较发育，多被方解石脉充填，脉宽约１～５ｍｍ，裂隙率为３．５７％；岩溶不发育。区内钻孔ＺＫ０００１在该含水层段施工时出现冲洗液全漏情况，表明该含水层的富水性不均匀。根据邻区钻孔抽水资料，该含水层钻孔的单位涌水量（ｑ）为０．００７８～１．４９９Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数（Ｋ）为０．１９７～１４．００ｍ／ｄ，属中等－强富水含水层。含水层水位埋深３．７７～５３８．６０ｍ，水位标高３４．３３～－４３７．６０ｍ。地下水流向大致由北西－东南。水化学类型为ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，矿化度为０．３ｇ／Ｌ左右。该含水层为本区二１煤底板的直接充水含水层。（５）太原组下部Ｌ２灰岩岩溶承压水含水层Ｌ２灰岩呈深灰色，厚层状，含燧石及生物碎屑，厚度６～１３．９９ｍ，平均厚１１．１７ｍ。根据岩心观测，含水层岩溶、裂隙较发育，裂隙中多被次生方解石脉充填，脉宽约１～１０ｍｍ，裂隙面偶有氧化铁质薄膜充填，具地下水活动迹象。根据邻区钻孔抽水资料，钻孔的单位涌水量（ｑ）为０．００１４７～２．４３０Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数（Ｋ）为０．０１０５～１０．０８ｍ／ｄ，属中等－强富水含水层。含水层水位埋深３．７１～１１５．８０ｍ，水位标高９０．９４～－１６．４ｍ，水化学类型为ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，矿化度为０．３０４ｇ／Ｌ。（６）寒武、奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水含水层研究区内有３个钻孔揭露奥陶系灰岩５．３４～６．４７ｍ。根据区域水文地质资料，寒武寒武系由白云岩、白云质灰岩和泥质灰岩组成；奥陶系由角砾状灰岩、厚层状石灰岩和白云质灰岩组成，岩层厚度约１０００ｍ，寒武和奥陶系灰岩含水层直接接触，应视为一个含水层组。该含水层地表溶洞、裂隙比较发育。根据邻区钻孔资料，该含水层岩溶率达２４．４％。钻孔单位涌水量（ｑ）为１．５６６～５．２４９Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数（Ｋ）为３．１７～３５．１７ｍ／ｄ，属强富水性含水层。含水层水位埋深１８．１９～２１．３０ｍ。正常情况下，寒武、奥陶系灰岩含水层对二１煤开采影响不大。在大的断裂构造附近，该含水层常与Ｌ２、Ｌ８灰岩岩溶含水层发生水力联系。２．２．４隔水层主要由二１煤底板至太原组Ｌ８灰岩之间的泥岩、砂质泥岩等组成，厚度１５．７４～２９．２７ｍ。对隔绝下伏岩溶承压含水层充入矿井起着重要作用。根据方庄煤矿３０－４孔岩石力学试验结果，泥岩、砂质泥岩和细砂岩在自然状态下抗压强度变化范围为３８．７５～１６１．３１ＭＰａ，平均７２．６８ＭＰａ。２．２．５断层水文地质特征根据区域水文地质资料，普查区边界的九里山断层和薄壁断层均系断距较大的压扭性正断层，形成了普查区南北两侧的阻水边界，阻止了南北两侧Ｏ２ｍ灰岩水对井田内Ｌ８灰岩水的补给。根据方庄煤矿钻孔水文观测资料，３０－１－１孔封孔前Ｏ２ｍ灰岩水水位标高为８１．５３ｍ，而３２－３、３１－５、３３－５孔的Ｌ８长观孔水位标高为－３３．００～７１．２５ｍ，水位相差１０．２８～１１４．５２ｍ，说明井田边界的压性断层阻止了Ｏ２ｍ与Ｌ８岩溶水的水力联系。井田内的Ｌ８岩溶水仅从西北部露头和方庄断层得到补给，并向东南运移。研究区内的赤庄断层走向为北西西向，倾向北北东，倾角７０°，为一高角度张性正断层，断距１２０～２８０ｍ；小庄断层为一走向北东、倾向南东、倾角约６５°的张性正断层，断距１２０～３４０ｍ。根据方庄煤矿水文观测资料，小庄断层南侧的Ｏ２ｍ水位标高与北侧的Ｌ８水位标高非常相近。赤庄断层和小庄断层断层的纵向导水性强，常沿断裂带形成富水导水带，是未来矿井充水的重要水源。根据邻近的方庄、吴村、古汉山矿井的突水资料，矿井突水事故的８０％与断层关系密切。
２．３矿床充水因素分析
（１）大气降水是本区地下水的主要补给来源，也是矿床充水的总水源。根据相邻矿井资料，矿井的涌水量与大气降水关系密切。（２）本区地表水不发育，仅有纸坊河由北而南从普查区中部穿过，最大流量１５０ｍ３／ｈ左右。由于地表水距二１煤层较远，且其间有多层良好的粘土和砂质粘土隔水，故正常情况下纸坊河水对本区二１煤的开采无影响。（３）第四系及新近系孔隙水含水层距二１煤层２３２．３３～６５９．６４ｍ，且其间发育有隔水性良好的泥岩和砂质泥岩阻隔。正常情况下，第四系及新近系孔隙水对本区二１煤的开采影响不大。（４）二１煤层顶板砂岩孔隙裂隙承压水含水层是煤层顶板直接充水含水层。该含水层裂隙不发育，含水性弱。同时，该含水层距第四系及新近系孔隙水含水层较远（大于２００ｍ），地下水的补给、迳流条件差，一般不会引起未来矿井突水。（５）Ｌ８灰岩岩溶裂隙承压水含水层是二１煤层底板直接充水含水层，与煤层之间的距离为１５．７４～２９．２７ｍ。岩性为隔水性良好的泥岩、砂质泥岩和砂岩。根据焦作煤田正常块段２ｍ厚的岩层可以抵抗０．１ＭＰａ／ｍ２的水压计算，此距内的岩层远不能抵御其下部水压的冲击，这将意味着在正常开采条件下，由于地压与水压的共同作用，普查区内随时随地都有Ｌ８灰岩突水的可能。根据方庄煤矿发生的３２次突水事故统计，其中有３０次与Ｌ８灰岩岩溶裂隙水有关。因此，Ｌ８灰岩岩溶裂隙承压水含水层是造成未来矿井突水的主要含水层。（６）根据周围矿井开采资料，吴村煤矿８０％的突水点与断层有关，古汉山煤矿８０％的突水点与断层有关。本区Ｌ８灰岩水压比上述矿井水压大，在断层的影响下，本区的Ｌ８灰岩具有更大可能的突水性。因此，断裂构造是造成未来矿井突水的重要因素之一。
２．４矿床水文地质勘查类型
通过上述矿井充水因素分析，本区二１煤层作为未来矿井的主采煤层，其顶板直接充水含水层为二１煤层顶板砂岩孔隙裂隙承压水，单位涌水量０．０００９３～０．０６９１Ｌ／ｓ·ｍ，富水性弱；底板直接充水含水层为太原组上段Ｌ８石灰岩岩溶裂隙含水层，单位涌水量为０．００７８～１．４９９Ｌ／ｓ·ｍ，局部富水性强。二者相比较，煤层底板灰岩岩溶裂隙含水层是未来矿井重要的充水水源。依据ＤＺ／Ｔ０２１５－２００２《煤、泥炭地质勘查规范》附录Ｇ划分水文地质勘查类型的条件，本区二１煤层的水文地质勘查类型应为第三类第二亚类二型，即以底板进水为主的水文地质条件中等的岩溶充水矿床。２．５供水水源本区未作钻孔抽水试验，结合古汉山水源地资料，现将区内可作为未来矿山供水水源的几个含水层简介如下：（１）第四系及新近系砂、砾石孔隙潜水含水层：含水层厚度４５２．５２～６３５．３３ｍ，分布全区，水量充沛。钻孔单位涌水量为０．３８～１３．３３Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数为１．３３～１３３．００ｍ／ｄ，水位埋深７～１１０ｍ，由西北向东南逐渐变浅。该含水层富水性强，是当地农田灌溉、生活用水的主要来源。水质分析结果表明，含水层水化学类型为ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，矿化度为０．３０８～０．３１６ｇ／Ｌ，局部大肠杆菌达２５个／Ｌ，属极不卫生的水。（２）Ｌ８灰岩岩溶类型承压含水层：含水层厚１．５５～８．２０ｍ，分布全区，水量丰富。钻孔单位涌水量０．００７８～１．４９９Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数（Ｋ）为０．１９７～１４．００ｍ／ｄ，水位埋深３．７７～１２９．７４ｍ。含水层水化学类型为ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，矿化度为０．１７～０．４１４ｇ／Ｌ。含水层水头压力大，是良好的供水含水层。（３）Ｌ２灰岩岩溶裂隙承压含水层。含水层厚６～１３．９９ｍ，全区发育，含水丰富。钻孔单位涌水量０．００１４７～２．４３０Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数（Ｋ）为０．０１０５～１０．０８ｍ／ｄ，水位埋深３．７１～６．０９ｍ。水化学类型为ＨＣＯ３－Ｃａ型水，矿化度为０．３０３ｇ／Ｌ。含水层水头压力大，是未来矿山建设良好的供水含水层。（４）Ｏ２ｍ灰岩岩溶裂隙承压含水层：区域上，该含水层厚度大于３５０ｍ，岩石岩溶裂隙发育，富水性强，是焦作地区地下水的主要供水水源。古汉山矿区钻孔单位涌水量１．５６６～５．２４９Ｌ／ｓ·ｍ，渗透系数３．１７～３５．１７ｍ／ｄ，水位埋深１４．８４～１８．１９ｍ，水化学类型为ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，矿化度为０．２８８ｇ／Ｌ。含水层水头压力大，含水丰富，是未来矿山建设良好的供水含水层。上述四个含水层均可作为供水含水层，考虑到利用第四系及新近系上部流砂砾石之中潜水，水源部分污染，属极不卫生的水，故应放弃这一水源。其它三个灰岩岩溶裂隙承压含水层，均可作为未来矿山建设的供水水源。本着未来矿山排、供水结合的原则，建议采用Ｌ８灰岩岩溶裂隙水作为未来矿山建设的供水水源更加合理。
３结语
（１）焦作煤田矿井水主要来源于煤田北部巨厚层的可溶性碳酸盐岩形成的的储水空间，以及大气降水对地下水的补给；煤田内发育的张性断裂构造带是地下水向煤田补给的良好通道。山西组砂岩孔（裂）隙承压水含水层为本区二１煤顶板的直接充水含水层，太原组上部Ｌ８灰岩岩溶裂隙承压水含水层为二１煤底板直接充水含水层，其中后者是未来矿井重要的充水水源；由二１煤底板至太原组Ｌ８灰岩之间的泥岩、砂质泥岩等形成了隔水层，对隔绝下伏岩溶承压含水层充入矿井起着重要作用。赤庄断层和小庄断层断层的纵向导水性强，常沿断裂带形成富水导水带，是未来矿井充水的重要水源。（２）经研究，本区二１煤层的水文地质勘查类型应为第三类第二亚类二型，即以底板进水为主的水文地质条件中等的岩溶充水矿床。本着未来矿山排、供水结合的原则，建议采用Ｌ８灰岩岩溶裂隙水作为未来矿山建设的供水水源。
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作者:卢俞杰 卢玉荣 单位:河南省地矿局第二地质矿产调查院
