奧灰水水文觀測設備
㈠ 十層煤底板突水水文地質條件分析
根據突水原因、條件和規律的分析，突水水文地質條件要研究的問題主要有:
1)含水層的岩性、厚度，岩溶裂隙的發育情況。地下水的補給、徑流條件及具體塊段的富水性。
2)隔水層和相對隔水層厚度、岩性及其剖面上的組合關系，隔水層的阻水性，即隔水層裂隙在原始狀態下的阻水減壓能力和采動條件下的變化。
3)斷層構造的分布及其傾角、斷距的大小，位移後斷層帶兩側含水層、隔水層相互關系，它對含水層的富水性、隔水層的阻水性所起的控製作用。
淄博是開采歷史較久的礦區。揭露煤層底板有關隔水層、含水層的井上、井下鑽孔也比較多，而且絕大多數是取芯鑽進，岩性、厚度資料比較確切，這為分析煤層底板突水地質條件積累了豐富的資料。
綜合分析這些資料，可以看出淄博煤田十層煤底突水水文地質條件在礦井之間，同一井田的不同區段之間變化是很大的，分區塊段性很明顯。
3.3.1.1含水層
淄博礦區十層煤底板有4個含水層，即:徐上砂岩、徐灰岩、徐下砂岩、奧灰岩。
(1)徐上砂岩
因其位於十層煤底板，徐灰之上而定名。這一砂岩礦區普遍發育，硅質膠結，堅硬性脆，但厚度、分層變化很大。當只有一層厚僅3～4m，或分為2～3層單層厚度僅2～3m時，這一砂岩組含水性較弱，便成了相對隔水層。當單層厚度加大到10m以上時，可成為底板突水的直接含水層之一，富含裂隙水，鑽孔遇裂隙曾出現鑽具自動下落0.2m的現象。在石谷礦區這一砂岩的單位涌水量0.013～0.42L/s·m，平均0.18L/s·m;滲透系數為0.1～2.18m/d，平均0.75m/d，單點最大突水量2.126m3/min，采區(600m×600m)最大突水量8.43m3/min，水壓10.15kg/cm2時，井下單孔(直徑89mm)最大自流量2.5m3/min。
現有資料初步判明，全礦區有4個塊段，該層砂岩厚度較大，可能成為突水的直接含水層，這四個塊段是:石谷及龍泉北翼區，砂岩展布面積約8km2，厚7～26m，平均15.33m;昆侖區，展布面積13km2，厚6.5～18.68m，平均11.9m;夏庄一井－200m水平區，展布面積4km2，厚1.14～13.82m，平均7m;嶺子寶山區，展布面積3km2，厚4.38～16.6m，平均9.4m。
(2)徐庄組灰岩
位於十層煤與奧灰之間的中下部，上距十層煤25m左右，下距奧灰20m左右，是淄博引起煤層底板突水次數最多的含水層。當它的岩溶裂隙發育並與奧灰發生較強的水力聯系時，可成為奧灰水量、水壓的中轉層，這時奧灰水對煤層底板的作用不是從奧灰頂面開始，而是從徐灰頂面開始，使煤層與奧灰間的隔水層幾乎減少一半。當其岩溶裂隙不發育與奧灰水力聯系不強時，可相對成為奧灰的隔水層。因此，正確認識這一含水層的富水特徵，對防治煤層底板的突水有重要作用。通過綜合分析鑽孔和突水點資料，這一含水層有以下4個特點:
1)它的厚度與分層變化十分明顯並有一定規律性。
在礦區內有的塊段徐灰只有一層，有的塊段分為二、三層，局部塊段達四至五層，分層累加總厚度薄處只有0.14m，趨於尖滅，厚處可達18.29m。分層的基本變化規律是:在淄博向斜盆地寨里北大井以南基本上是兩個分層，只有夏庄一、二井，黑山一井局部變化為一層。北大井沈馬庄以北區基本上是3個分層，從河東到灃水一帶是四至五個分層，面積約13km2。嶺子明水斜地和埠村向斜盆地基本是兩個分層。但不論分幾層，厚而穩定的只有一層而且是最底部的一層，其他都是較薄的小分層。最厚的這一層徐灰，在淄博向斜盆地由南而北厚度亦呈厚薄相間狀態，愈往北愈厚的變化規律。具體是雙山區7.67m，夏庄區3.5m，奎山昆侖區7.62m，龍泉石谷7.06m，北大井北斜井5.28m，雙溝區8.43m，南定區6.81m，湖田區10.4m。由於徐灰的這種厚度和分層的變化，改變了突水水文地質條件，徐灰的尖滅變薄區和分層增多區，裂隙岩溶發育受到限制，富水性減弱，往往可以成為奧灰的相對隔水層，至少可以降低突水時中轉奧灰水量、水壓的作用。
2)徐灰岩溶的發育有隨著埋深的加大而減弱的趨勢。
從雙山區看，岩溶發育的變化趨勢如下:地表+250m左右，可見直徑0.5～1m的溶洞。地質24號孔，孔口標高+179.94m，+29m水平見徐灰有溶洞，水噴出孔口，單位涌水量0.15L/s·m，滲透系數1.34m/d。地面水文2號孔，孔口標高+263.7m，於－62m水平見徐灰岩心有輕微溶蝕現象。井下水文1、2、3號孔，孔口標高+1.74～－0.76m，於－103～－106m見徐灰岩溶現象更微弱，用岩心面積法統計其裂隙岩溶率為0.28%～0.55%，單位涌水量0.01～0.24L/s·m，滲透系數0.09～0.2m/d。堵水3號孔，孔口標高+190.04m，於－155m見徐灰，岩心裂隙節理面清楚可辨，岩溶現象已不明顯，水量很小，單位涌水量0.015L/s·m，滲透系數0.1m/d。上述資料表明本區岩溶發育最大深度在－160m水平，埋深約為350m。
夏庄礦一井區岩溶發育的變化趨勢如下:井下水文觀測1號孔，孔口標高+36.4m，於+11.4m見徐灰，鑽進0.85m見溶洞突然噴水，涌水量1600L/min，單位涌水量0.184L/s·m，滲透系數3.72m/d。第一疏干水平共打徐灰孔17個，孔口標高－78～－80m，於－94.15～－136.5m見徐灰，大部分有岩溶現象，單孔自流量400～2340L/min，單位涌水量0.059～0.25L/s·m，滲透系數1.31～6.64m/d。其中疏1號孔在－133.67m見徐灰，鑽進1.14m遇溶洞突然噴水，涌水量1550L/min。萬山地質7號孔，孔口標高+181.745m，於－172.03m見徐灰，岩溶現象不明顯，單位涌水量0.012L/s·m，滲透系數0.17m/d。第二疏干水平共打6個孔，孔口標高－219～－244m，於－238.84～－266.15m見徐灰，單孔自流量為80～400L/min，單位涌水量0.02～0.03L/s·m，滲透系數0.3～0.76m/d。資料表明本區岩溶發育最大深度在－170m水平，埋深亦為350m左右。
其他井田的資料證明亦有如上規律。
徐灰的這一特徵，對突水水文地質條件的變化有重要的影響。愈到深部愈以構造裂隙水為主，富水性逐漸減弱，只要查明構造破碎帶，徐灰便可能轉化成為奧灰的相對隔水層。
3)徐灰的富水性有明顯的分區塊段性。現有資料證明夏庄二井、龍泉南翼、奎山井田西北部、石谷940采區以北、寨里二井，由於斷層及火成岩牆的切割隔離，徐灰沒有露頭接受降水補給，或由於厚度較薄，岩溶減弱，甚至不含水。而雙山白虎山逆斷層兩側區、夏庄一井棗園至安上區、石谷的2號與3號岩牆之間區、洪山礦的邢家至河東區富水性就比較強，煤層底板突水水量可達5～8m3/min，疏干穩定水量可達4～5m3/min，影響半徑可達1000～2000m。
4)徐灰的富水區，往往與奧灰有較強的水力聯系，實質上就是奧灰的富水區。徐灰露頭展布條帶狀，面積較小，除處於河溝沖擊層覆蓋的少數塊段能得到降水較強補給外，大部分地區降水補給量不大。如果水量較大，又長期不能疏干，則主要是通過斷層、節理裂隙與奧灰發生了較強的水力聯系得到奧灰的補給所至。現在已經有許多實例證明這一點。
夏庄一井－80m水平徐灰疏干區，疏干5號孔，孔口標高－80.55m，於孔深36.86m見斷距13m的斷層和斷層帶附近的徐灰0.45m，噴出水量2.88m3/min，水壓23.3kg/cm2，噴出長軸14cm的豹皮灰岩碎塊，證明奧灰岩斷層帶直接補給了徐灰水。
夏庄一井190下山1903面東斷距7m的東頂山二號斷層下盤突水，水量5.74m3/min，升壓試驗證明是奧灰水補給徐灰水所致。
石谷礦利用99號奧灰觀測孔投放食鹽2000kg，對940-5號徐灰放水孔和930、940采區底板出水進行連通試驗，證實該區徐灰和徐上砂岩涌水之所以較大實際上是因為得到奧灰水的補給。
930出水區，水量1.778m3/min，投NaCl前，水的Cl－含量17.73mg/L，218h後升為23.04mg/L，持續2h後又恢復到背景值17.73mg/L。
940-5號徐灰孔，放水量1.16m3/min，投NaCl前，水的Cl－含量也為17.73mg/L，452h後升為19.5mg/L，持續22h後又恢復到背景值17.73mg/L。
940采區南翼出水點，水量0.42m3/min，投NaCl前，水的Cl－含量17.75mg/L，投放後452h升為19.5mg/L，持續1h後又恢復到背景值17.75g/L。
投放NaCl的奧灰孔位於出水點與徐灰孔的傾斜下方，通過NaCl溶液的自然擴散，最後能造成出水點與徐灰孔Cl－含量持續較長時間的異常，表明奧灰水的補給還是比較強烈的。
根據徐灰的這一特徵，通過加強對徐灰的探查和疏水降壓，可起兩方面作用:①當補給不太強時，可把奧灰越層補給的水量和對煤層底板作用的水壓威脅解除掉。②當補給很強時，徐灰水壓、水量長期不能降下來，表明與奧灰水力聯系很強，有奧灰突水的危險，要採取其他預防措施，這樣對徐灰探查疏水實質上就起了判別奧灰突水危險程度的作用。
(3)徐下砂岩組
因其位於徐灰岩之下而定名。有時它直接覆蓋在奧灰頂面，為一鈣質或硅質膠結的含礫砂岩，岩相變化比較大，大部分地區被砂質泥岩或頁岩所代替。目前有資料證明其存在的塊段有四個。
夏庄二井區，從露頭向北西方向展布，厚11.66～19.35m，平均13.7m，面積約3.5km2。夏庄地質1號孔打到這一層位，出現孔口自流，水文12號孔也有同樣情況發生，單位涌水量0.15L/s·m。
奎山昆侖區，從北萬山、小店到昆侖，分布面積約17km2，砂岩厚4.28～12.9m，平均8.19m。
北大井中部區，由十五中、洪山鋁土礦到精神病院一帶，分布面積約4km2，厚2.6～21.4m，平均6.56m。
寨里一井淺部區，從峨庄到寨里、鄒家莊一帶，面積約4km2，厚8.38～23.4m，平均15.6m。
這一砂岩的存在，對防止奧灰突水，既有有利的一面，也有不利的一面。有利的是砂岩岩性堅硬，抗壓、抗張和抗沖刷能力較大，使奧灰水的突水要受到本砂岩裂隙的制約，不容易發生裂隙擴大型突水。不利的是砂岩裂隙發育又得到奧灰補給時，可成為煤層底板突水含水層，像徐庄組灰岩一樣，對奧灰水壓、水量起中轉作用，縮短了煤層與奧灰之間的隔水間距。
(4)奧陶系灰岩
根據野外實測剖面，淄博礦區這一含水層總厚達821m。綜合分析區域水文地質條件和有關鑽孔、礦山開采資料，淄博的奧灰具有以下4個特點:
1)露頭廣闊，補給條件好，動、靜儲量大。中下奧陶統厚821m，與其連續沉積的上寒武風山、長山組主要為中厚層板狀灰岩，厚約250m，通過構造其岩溶裂隙往往與奧陶系下段溝通，所接受的補給水量可以成為奧灰的一部分，從這一角度看，淄博向斜盆地這一碳酸鹽類岩層的實際補給面積為1320km2。嶺子明水斜地為450km2。埠村向斜盆地為270km2。特別是淄博向斜盆地，碳酸鹽岩地層露頭區有斷距100～300m的神頭西河斷層、岳陰斷層、石馬斷層、福山源泉弧形斷層，炒米店漫泗河弧形斷層，淄河斷裂帶等錯綜切割，台階式斷落，既擴大了露頭面積，又因構造裂隙的發育增大了降水的入滲系數，補給更為充沛。礦井一次最大突水量曾達443m3/min，36h湧出總水量達6022423m3。證明這一含水層的補給量和給水度確實很大。
2)平面和剖面上水力聯系雖然比較廣泛，但由於構造、火成岩牆的分割也有局部的分層分區的隔離性。北大井－81m水平透水，相距12km的灃水泉群迅速乾涸;雙山礦－145m水平突水，相距2.4km的良庄、秋谷等泉群迅速乾涸，表明平面上的水力聯系是相當強的。1976年10月17日北大井西大巷奧灰六段頂面突水9.9m3/min時，局機關奧灰觀測孔主要為中奧陶第四段水，水位明顯下降5.07m，表明四段與六段聯系很好，可見剖面上水力聯系也非常密切。這種廣泛聯系的發生與構造垂直切割了各層段並沿走向延伸較遠和岩溶的水平循環帶發育有關。但一定塊段內也有分區分層的隔離性。如雙山－145m水平突水，孝婦泉群雖然距出水點較近，但沒有影響。黑山新博醫院供水孔奧灰六段水質不好，第四段水質好，總硬度前者德國度為34.75度，後者為15.68度。經隔離六段，長期取用四段水，水質沒有受到干擾。西河躍進井區5、6號供水孔均為六段奧灰水，相距僅12m，但抽水時互不幹擾，水質水溫也不相同，5號孔水溫19℃，總硬度28.84度，而6號孔水溫21.5℃，總硬度則為33.04度。黑旺鐵礦實際開采證實淄河斷裂帶兩側水溫、水量、水位也有明顯差別。兩側水溫差1.5℃，同期水位東側高出西側1～10m，1976年雨季礦坑涌水量西側3.9萬m3/d。東側則為10萬m3/d。表明平面上和剖面上也有水力聯系強弱之分。但在一定范圍內基本上是一個統一的含水體，有統一的區域地下水位和相應的動態變化。
3)淄博的奧灰即使為煤系地層所覆蓋，隨著地層的傾伏，到了深部仍然普遍比較富水。造成此種現象的原因，分析認為與淄博向斜沿傾向發育一組斷層構造有關。
4)奧灰頂面下10～20m富水性不強，有相對隔水的作用。但遇構造奧灰深部水仍可升出頂面。
3.3.1.2隔水層條件
淄博礦區煤層底板突水的主要威脅是奧灰，其次是徐灰，個別區段還有徐上砂岩和徐下砂岩。因此研究淄博礦區隔水層條件，主要研究對象是十層煤與徐灰、奧灰之間的間距變化規律。其次就是研究隔水層或相對隔水層的阻水性，它具體表現為井下鑽孔向含水層鑽進過程中即使在隔水層段內也往往有水，其水壓、水量有逐漸遞增的規律。
通過鑽孔資料綜合分析，淄博礦區煤層底板的隔水層條件，由於徐灰分層的增多，徐上砂岩，徐下砂岩的變厚或尖滅等原因，隔水或相對隔水層的厚度變化是很大的。現先從10－2煤到徐灰，10－2煤到奧灰頂，徐灰底至奧灰頂3個方面敘述:
1)10－2煤到徐灰頂的間距最小為18.92m，最大可達40m，由東向西則是逐漸加厚的趨勢。若以徐灰厚層為防突水的對象，則10－2煤到厚層徐灰間距為27～49m。
2)10－2煤到奧灰的間距由於古風化殼的起伏不平，不僅不同礦井有較大變化，即使同一井田變化也很顯著。如南定區，有的塊段平均厚只有55.19m，較厚的塊段則為71.84m，大部分塊段為60.46m。從全礦區看最薄的塊段47.5m，最厚的塊段可達83.72m。
3)徐灰底到奧灰頂的間距從埠村礦區的5.54m到洪山東北部28.94m，一般18m左右。
隔水層的阻水性是煤層底板突水條件應予以分析的重要方面之一。根據近幾年的實踐，我們發現隔水層的阻水性還可以通過井下鑽進實際探查確定。
由於煤層底板存在承壓水，在水壓的作用下鑽進水文孔常常出現這樣一種現象:即使在隔水層的頁岩和砂質頁岩中，也往往有涌水，並顯示一定的壓力，隨著鑽孔愈向下鑽進，水量、水壓逐漸增加。很明顯不同深度的水壓差值就是這一段岩層裂隙消耗的水頭，因此隔水層的阻水性實際上就能從這種「阻水減壓」能力上直接地表現出來。如，石谷井下940-1號孔，俯角27.5°，鑽進過程中出現了下述現象:斜深50.15m在砂頁岩互層內即開始涌水，但水量很小;斜深58.5m，在砂頁岩互層內，水量0.1m3/min，水壓7.5kg/cm2;斜深68.25m，在砂頁岩互層內，水量0.1m3/min，水壓8kg/cm2;斜深77.1m，在石英砂岩內，水量0.15m3/min，水壓12kg/cm2;斜深116.7m，在頁岩內，水量很小，水壓22kg/cm2;斜深133.25m，在徐灰內，水量0.2m3/min，水壓26.5kg/cm2。
通過連通試驗，本區奧灰有向徐灰和徐上砂岩垂直滲透補給的關系，按奧灰實測水位標高+113.12m計，實際水壓42.9kg/cm2，表明徐灰與奧灰之間的隔水層在滲流過程中消減水壓16.4kg/cm2，徐灰與徐上砂岩之間隔水層消減水壓14.5kg/cm2，徐上砂岩頂板消減水壓4.5kg/cm2。
這種消減水壓的能力在奧灰頂面弱透水的一段中也能表現出來，如西河奎山井北大巷井下供水孔:孔深28.98m，在砂質頁岩中涌水20L/min，水壓2.5kg/cm2;孔深33.61m，在砂質頁岩中涌水20L/min，水壓4kg/cm2;孔深74.9m，奧灰頂面以下14.59m涌水61L/min，水壓6kg/cm2;孔深111m，奧灰頂面以44.69m水量99L/min，水壓14.5kg/cm2;孔深135.5m，奧灰頂面以下75.0m水量851L/min，水壓17.5kg/cm2;孔深142.5m，終孔水壓18kg/cm2，水位+193m，才真正達到奧灰實際水壓，表明奧灰頂面岩層也有消減水壓的能力。
又如:西河礦9024防塵孔，孔口標高－127m，從九層煤底板開孔:孔深63.45m，涌水0.13m3/min，水壓5kg/cm2;孔深102.58m，奧灰頂面以下6.1m，水量0.102m3/min，水壓11kg/cm2;孔深114.68m，奧灰頂面以下18.2m水量0.508m3/min，水壓27.5kg/cm2。表明奧灰頂面12.1m實際消減水壓16.5kg/cm2，這一情況說明:加強井下實際探查，了解隔水層的阻水性，掌握下伏承壓含水層水沿裂隙上升高度和水頭消耗情況是防止突水的手段。同時說明井下鑽進時，在接近高壓含水層前往往有徵兆，只要加強觀測，對防止井噴，保證安全能起報警作用。
3.3.1.3構造作用
構造對地下水的賦存、運移起著決定性控製作用。是引起直接突水的關鍵因素，因此研究突水水文地質條件必須充分研究礦井、采區直到工作面的構造展布規律及其對地下水的控製作用。采區和工作面的構造條件要在生產開拓的過程中具體詳細觀測解決。礦井的構造條件則可依據已有的勘探和生產實際資料作出分析和判斷，這對分析采區和工作面的突水水文地質亦有一定的參考作用。
幾個重點礦井構造展布規律及其與突水的關系。
雙山區，存在兩組明顯的壓性結構面。一是以下河逆掩斷層為代表的東西向壓性結構面，與其有成生關系的是一組X形斷層，走向為NW17°～26°和NE36°。這一組形成較早，曾被南北向和北西向的斷層切割位移。二是以白虎山逆斷層為代表的近南北向的壓性結構面，與其有成生關系的是一組近南北的正斷層延伸較遠，與其配套的剪切斷裂走向為NW62°～78°，NE61°。這些構造在第三應力場中大部有過左旋扭動，傾向南或南西的正斷層，這時均為張扭。因此本區北西向和東西向而傾向南或南西的正斷層是導水斷層，南北向破裂帶經過扭動是地下水的集中徑流帶。
夏庄二井區，3個應力場均有反映。東西向壓性結構面以5m逆斷層為代表。南北向的壓性結構面為白虎山逆斷層，其縱張為五龍斷層和鷹山斷層，決定礦井構造面貌的是左旋應力場，它使五龍斷層、鷹山斷層發展為壓扭性的地塹。東西向的斷層被南北向斷層左行剪切位移，南北向斷層為北西向的斷層剪切位移。本區仍然是北西走向傾向南西和東西走向傾向南的斷層是導水斷層，南北向的破碎帶是地下水的徑流帶。
夏庄一井區，在109、110下山區也有近東西向和近南北向逆掩斷層，斷距不大。僅1～3m，但本井田發育了一組東西向的地壘和地塹，由東頂山二號斷距8～12m斷層與109頂盤斷距11～13m、150頂盤9m斷層組成，反映了第一次南北向壓應力場的作用，斷距22m的東頂山一號斷層則是當時的橫張。第三應力場在本區也主要表現了左旋扭動，因此本井田東西向傾向南，南北向傾向西和北西向傾向南西的三組正斷層均為張扭，傾向相反者則為壓扭，3組張扭斷層都是導水斷層。
奎山區，3個應力場的具體表現是:南北向壓應力產生了斷距12m東西向的逆斷層，48m斷距的辛庄壓性破碎帶呈舒緩波狀，後發展為正斷層。近東西向的壓應力產生了躍進井東萬山逆斷層。第三應力場的左旋造成了北西向節理張開而有火成岩脈呈雁行排列出現和東西向斷層被南北向和北西向斷層切割左行位移。構造的富水和導水性質與夏庄區相同。
龍泉區，南北向壓應力在本區表現為3條東西向的舒緩波狀的壓性破碎面，即南部斷距20～27m，中部30～55m，北部15～30m973石門斷層。東西向的壓應力產生了近南北向973地塹。北北東向的斷距22m逆斷層是第二次近東西的壓應力場的產物。左旋造成了南北向斷層為東西向斷層所錯開，並使東西向和南北向構造裂隙發育為良好的網格狀構造體系，其中東西向傾向南，北西向傾向南西的正斷層是導水斷層。
石谷區，第一應力場主要形成了井田中部走向NE80°斷距25～55m的擠壓破碎帶，破碎寬度達5m多。第二應力場形成了走向NE30°～33°的石谷背向斜和NE20°～30°的斷距8m和1.9m的兩條逆掩斷層。一、二應力場的剪切面形成了一系列復合的北西向斷層和岩牆，如910新上山10m正斷層、北八門口4～18m正斷層，490上山北翼7m正斷層和斷距0.8～11m北西向的6條岩牆。第三次的扭應力場使本區北西向傾向北東的正斷裂為壓扭性，傾向相反的為張扭性，並形成了NW30°的舒緩褶皺，如，920上山南翼、930北翼、940北翼沿地層走向的波谷狀變化。從井下多次發生底板突水的事實看，井田構造的控水特徵仍然是北北東向構造是富水帶，北西向構造是導水的。
北大井區，第一應力場在本區主要表現為強烈的橫張和縱張。橫張形成了走向近南北的王母山———獨坡山斷層，本井田區內斷距190～400m，縱張形成東西向正斷層，北西向的剪切面特別發育，形成了13條斷層岩牆。近東西向的壓應力在本區主要表現為車六井的急傾斜。第三次扭應力作用使本區的構造有的呈張扭，有的呈壓扭，其富水和導水情況與石谷區相同。從構造的上述展布特點，可以初步推斷王母山———獨坡山斷層具有劃分水文地質單元的意義，斷層兩盤的水文地質條件可能存在較大差異。東西向和北西向斷層是導水斷層，必須引起高度警惕。
㈡ 礦井水文地質補充勘探的原則
第15條 礦井水文地質補充勘探的原則是在原勘探資料的基礎上進行補充勘探，以查明采區或水平所在水文地質單元的補給邊界條件，主要含水層的富水性、水壓、斷裂構造等，進行水文地質復雜程度的分區、分帶，注意對L8至L2之間岩性及奧灰岩性進行了解。
1）礦井應按不同水文地質單元（或水平、地區）建立健全地下水動態觀測系統，觀測系統的對象以奧灰、二灰、八灰和沖積層等主要含水層為主，布置鑽孔應盡可能成組，即在同一地點對奧灰、二灰、八灰和沖積層同時都布置觀測鑽孔。
2）逐步做到落差大於50m的斷層的兩盤至少有兩個不同含水層的觀測孔，以了解兩盤含水層的補給關系。
3）開拓延深，開采新煤層，擴大井田范圍，專門防治水工程等需要查明水文地質條件。
4）井巷工程穿越斷層或富含水層時，應查明穿過地段的斷層的導水性和含水層的富水性。
第16條 礦井水文地質補充勘探設計的基本要求：
1）礦井水文地質補充勘探設計，應按規定報批。
2）設計要依據充分、目的明確、工程布置針對性強，要充分利用礦井有利條件，做到井上、井下結合，鑽孔施工前要與礦井取得聯系，做好鑽孔含水層封閉工作，防止發生鑽孔突水。
3）水文地質補充勘探完成後，必須在三個月以內提交成果報告或資料。
4）水文地質鑽孔和各種試驗的施工技術，除按本細則規定有關條文執行外，其他應參照煤炭地質勘探有關規程的規定執行。
㈢ 水文地質特徵
區內地表水體不甚發育。地下水受岩性、構造及地形地貌的控制，主要賦存於第四系底部、基岩裂隙和岩溶裂隙之中。可分為第四系鬆散層孔隙水；石炭－二疊系砂岩裂隙水；太原組石灰岩和奧陶系石灰岩岩溶裂隙水。陝西省煤炭地質局一三一隊認為，第四系鬆散層富水性弱；石炭－二疊系富水性弱—中等，但透水性差；奧灰岩富水性強，透水性強，但極不均一。煤系地層含水量不大。
1.4.1 主採煤層3＃、5＃、11＃頂板含水層富水特徵
（1）3＃煤層頂板砂岩含水層
3＃煤層頂板岩性主要為中粒砂岩、細粒砂岩和泥岩及砂質泥岩。中粒砂岩、細粒砂岩為煤層頂板裂隙承壓含水層，富水性弱，常由於砂岩和砂質泥岩互層而增強了隔水性，導致岩層透水性差，水位標高在402.05～481.41m之間。鑽孔單位涌水量0.00301～0.118L/（s·m），平均0.0452L/（s·m）。滲透系數為0.0042～0.487m/d，平均0.119m/d。泥岩和砂質泥岩中裂隙發育不好，形成隔水層。因此，頂板含水層基本屬無水力聯系的復合含水層。
（2）5＃煤層頂板砂岩含水層
煤層頂板岩性主要由厚層中粒砂岩、細粒砂岩、粉砂岩和中薄層泥岩組成。中細粒砂岩裂隙發育，透水性好，構成裂隙含水層，泥岩為相對隔水層。含水層厚度5～20m。鑽孔單位涌水量0.0028～0.000038L/（s·m），平均0.0014L/（s·m），滲透系數0.0023～0.000078m/d。平均0.00115m/d。上述參數均明顯低於3＃煤層頂板砂岩含水層。
（3）11＃煤層頂板石灰岩含水層
煤層頂板岩性主要由石灰岩和石英砂岩組成，間夾少量泥質岩石。主要含水層為石灰岩裂隙承壓含水層，厚度8～10m，富水性和透水性均較強，鑽孔靜水位高出地表2.53m。在構造破碎地段或岩溶發育地段可引起突水。
1.5.2 煤系基底奧陶系碳酸鹽岩岩溶裂隙含水層富水特徵
奧陶系地層是一個由石灰岩、白雲岩夾泥灰岩為主組成的復合含水體，在區內具有相對穩定統一的水位（＋380m）。地層總厚410～520m，地下水主要賦存和運移於裂隙岩溶之中，含水性不均一，水力聯系復雜，受構造控製作用比較明顯。
（1）層段劃分與分布特徵
區內奧陶系碳酸鹽岩由下至上可劃分為冶里亮甲山組、馬家溝組和峰峰組三組，還可進一步按岩性組合分為八個岩性段（表1.2）。
表1.2 奧陶系地層劃分及主要特徵表
冶里亮甲山組主要出露於禹門口到盤龍河口一帶。馬家溝組在全區普遍出露，但盤龍河以北以下馬家溝組為主，以南以上馬家溝組為主。峰峰組也在全區發育，但因古風化剝蝕程度的差異和構造斷失強度不一，在全區賦存程度差別較大，其中在西塬溝以北煤系直接底為峰峰組二段，西啄溝到象山一帶峰峰二段基本不復存在，峰峰組第一段也斷續存留在局部地段。在象山（特別是英山）以南，據鑽孔揭露資料，峰峰組一、二段又普遍發育。總之，奧陶系碳酸鹽岩在全區分布規律為：北區和南區居水河以南出露最高層位為峰峰組二段，其中在桑樹坪井田厚度＞20m，居水河以南該段厚度逐漸增大，到英山以南厚達近100m。居水河至西塬溝一線峰唯組呈片斷分布，厚度一般小於20m，這里由於受斷裂切割，煤系多處與上馬家溝組相接。
（2）含水層與相對隔水層劃分
據已有的水文地質資料分析，本區奧灰水的總體形態是以構造帶（斷層帶、裂隙密集帶）為基礎的網狀水體（井下突水點皆與構造破碎帶有關），故層狀徑流並不是主要形式。但就岩石的充水條件來看，宏觀上仍有層狀水的特點（仍受區域地層單位制約），其含水層和相對隔水層劃分如下：
1）相對強含水層：①峰峰組第二段。岩溶發育、裂隙率高達6.5%。據韓城礦務局記載的突水資料，1976年5月9日，桑樹坪礦原一號皮帶斜井突水，水量達1530m3/h，造成淹井事故，其突水點即位於峰峰組第二段厚層灰岩中；該礦其他各突水點，也大都位於距奧陶系灰岩頂面較近的部位，大致都相當於峰峰組第二段。②上馬家溝組第二段。岩溶發育，裂隙率平均為4.19%。本段地層由於塊狀和厚層狀白雲岩居多，在構造變動中極易發生破裂，故溶隙切穿的深度和張開程度都較大。它們可成為貫通和蓄積地下水的有利場所。據韓城礦務局的統計資料，馬溝渠礦90%以上的突水點都位於上馬家溝組第二段中，最嚴重的一次淹井事故是1976年8月6日於＋240m石門東掘進頭發生的一次突水，最大瞬時突水量達12000m3/h，平均涌水量為5956m3/h。象山礦白雲岩與灰岩的互層中，最大涌水量為414m3/h。該段地層中鑽孔單位涌水量為3～24L/（s·m），大者達100L/（s·m）。
2）相對較強含水層：下馬家溝組第二段。裂隙率為4%，岩溶也較發育，但主要都集中於底部。其餘部分雖然裂隙較多，但多細小，並有充填，故從其本身特點來看，較前述兩個地層單位充水條件稍差。而韓城象山礦溝外排矸斜井掘進時（1975年10月18日）在本地層中也有突水233m3/h的記錄，故本段地層可定為相對較強含水層。
3）相對較弱含水層：下奧陶統的冶里亮甲山組。含硅質較高，膠結緊密，而且所含燧石團塊或條帶均作似層狀分布，不利於溝通各層間的水力聯系。測得該組地層的裂隙率為0.15%，足可構成隔水岩段。但在盤龍河溝口可見其所夾的白雲岩層中也有長軸1～2m的溶洞。該段地層性脆易裂，尚可發育較大的裂隙密集帶，且不能完全排除充水的可能。但目前尚未見到該段地層涌水的可靠記錄，故只能分析推斷將其劃為相對較弱含水層。
4）相對隔水層：峰峰組第一段和上、下馬家溝組的第一段都是泥質含量較高的地層單位，就其岩性分析，皆有相對隔水的作用，特別是峰峰組第一段的隔水作用更有其現實意義。據統計，該段的裂隙率相對較小，只有1.2%，而韓城礦務局匯總的資料中也有如下描述：在馬溝渠礦＋240m石門突水前，在峰峰組一段中送巷道1672m，僅出現淋水和滴水現象，巷道總涌水量小於96m3/h，故有較強的隔水作用。
（3）破裂構造的導水性
區內破裂構造或構造帶主要集中於礦區淺部，大中型斷裂在中深部發育較少。雖然這些斷層以張扭性為主，野外所見斷層帶破碎開啟也較甚，但長期負責本區地質勘探工作的一三一勘探隊認為，大中型斷層的導水性差。節理裂隙的發育受層控性明顯，雖然局部呈帶分布，但垂向導水性不會太強。煤層斷裂一般規模較小，垂向貫通性小，據井下揭露資料所見，盡管許多斷層都見有淋滴水現象，但水量十分有限，不足以造成涌水或突水現象，對煤層甲烷溶解和逸散作用也不明顯。但對與煤系基底奧陶系岩層有連通作用的破裂構造必須引起注意，煤礦掘進至＋380m水平以下時，遇到與該含水層有連通作用的破裂構造時，導水甚至淹井現象多見（參見本節有關部分）。本區中深部煤層賦存標高多在＋380m以下，11＃煤層多位於＋300～＋200m以下，在各煤層特別是11＃煤層中鑽進卸壓後，如其底板壓力不足以抵抗水頭壓力或底板受破裂構造破壞較甚時，很可能造成淹井事故。煤層甲烷開采時的壓裂工藝也更會加劇底板的破壞和固有裂隙的開啟導通。這些都會給甲烷開采帶來困難。這些問題尚需進一步研究。
綜上所述，各煤層頂板及煤繫上覆地層的含水層水力聯系不密切，對煤層甲烷影響不顯著。但奧灰水對煤層甲烷的影響主要在煤礦開采或甲烷開采形成壓力釋放後可能有明顯作用。據構造研究結果看，礦區南部清水伸展性破裂帶和中部東澤村伸展性破裂帶不同程度切穿煤層，可能對奧灰水導通有一定作用。近東西向、北西向及北東向裂隙發育密集時也會在壓力釋放後導通奧灰水，因此應對這些構造或構造帶給予重視，甲烷開采工程應盡可能避開之。
㈣ 區域地質和水文地質背景
一、氣象水文
1.氣象
九里山泉域岩溶水系統地處中緯度地帶，屬大陸季風型溫暖帶半乾旱性氣候，四季分明。據焦作氣象站1952～2008年降水觀測資料（圖10-2），57年平均降水量為598.31mm，最大年降水量為1101.7mm（1955年），最小年降水量為243.3mm（1981年）。降水年內分配不均（表10-1，圖10-3），多集中在6月、7月、8月，占年降水量的75%左右，而12月、1月、2月降水總量僅佔全年降水量的5%。多年平均蒸發量為1774.2mm，是年降水量的三倍，其中以5月、6月、7月蒸發量最大，三個月蒸發量佔全年蒸發量的40%。多年平均氣溫為13.4℃，相對濕度為70%。最低氣溫出現在元月份，平均氣溫為-2.1℃，最高氣溫出現在6月份，月平均氣溫為27.0℃。
圖10-2 焦作市1952～2008年年降水量柱狀圖
表10-1 焦作市1952～2008年月均降水量統計表
圖10-3 焦作市多年月均降水量柱狀圖
2.水文
系統內河流有丹河、西石河、山門河、紙坊溝、峪河、新河、大沙河等（圖10-1），丹河屬黃河水系，其餘河流屬海河水系。丹河和峪河為常年性河流，其他河流均為季節性河流。
丹河發源於山西省高平縣境內，幹流長為162km，流域面積為3150km2。在系統內流經寒武-奧陶系灰岩岩溶發育區（圖10-1），漏失嚴重，河水成為九里山泉域岩溶水系統的重要補給源之一。其中後寨至後陳庄段是河水強烈滲漏河段，滲漏量1.284～1.734m3/s。丹河山路平水文站46年（1955～2000年）年均徑流量為7.34m3/s，最大徑流量為22.00m3/s（1956年），多年趨勢變化總體上呈階段性下降（圖10-4）。西石河、山門河、紙坊溝流經灰岩分布區，河流漏失嚴重，除豐水年有洪水流出山口外，其餘時間均無水流，常表現為干谷，河水在距出山口5～10km地段全部漏失補給地下水。
二、地形地貌
焦作市區北部為太行山區，南部為黃河、沁河沖洪積平原。全區地形整體上為西北高、東南低。北部山區地面高程200～1790m，地形陡峭，地面起伏大，河谷深切，岩石裸露，發育地表岩溶景觀。市區及市區南部為山前傾斜平原區，地面標高80～200m，地形略向南、南東傾斜，總體由北向南逐漸降低（圖10-5）。
在長期內外地質營力的作用下，形成了山地和沖洪積平原兩個一級地貌單元。根據地貌成因和形態特徵，山地和沖洪積平原可劃分為七個二級地貌單元。分述如下：
圖10-4 丹河山路平水文站年均流量動態變化曲線圖
圖10-5 焦作附近地形地貌衛星影像圖
1.山地
（1）構造侵蝕中山
分布於市區北部山西境內的晉廟鋪、柳樹口、奪火一帶，山體呈北東向展布，標高為1000～1790m，地形陡峭，溝谷深切，似峰林地貌。山體出露地層主要是元古宇變質岩。
（2）構造溶蝕低山
分布於寨豁、趙庄、西村、黑龍王廟一線以北，地面標高為500～1000m。地形起伏較大，溝谷深切。山體岩層多為寒武-奧陶系灰岩和白雲岩，地表岩溶發育，有溶隙、溶溝、溶槽和大型溶洞。
（3）構造剝蝕丘陵
分布於近山前地帶，標高為200～500m，山頂呈渾圓狀，山坡平緩。地表多出露中奧陶統灰岩和石炭-二疊系砂岩、泥岩。
2.山前傾斜平原
分布於山前一帶，由河流沖洪物堆積而成。分坡洪積斜地、沖洪積扇、扇前和扇間窪地、交接窪地等二級地貌單元。
（1）坡洪積斜地
不連續地分布於市區東北部的方庄、薄壁等近山前地帶，由重力和坡面水流作用堆積而成，黏土、碎石、卵石等組成的坡積物呈倒石錐狀或圍繞坡麓堆積構成坡積裙，坡積裙相連組成坡積斜地。
（2）沖洪積扇
在丹河、西石河、山門河、子房溝、翁澗河等河流的出山口處，間歇性暫時洪流堆積作用形成了一系列沖洪積扇。不同時期、不同河流的洪積扇相互重疊或相連，呈帶狀沿太行山前連成一片。組成物質為粉質黏土、黏土、卵礫石等。
（3）扇前窪地
分布於焦枝鐵路線以南至新河間的朱村—於村—牆南—待王一帶，為西石河、翁澗河、山門河洪積扇的前緣地帶，地形低窪，地面標高95～85m，微向東南傾斜。組成物質以粉質黏土、粉土為主，局部夾有砂層。
（4）交接窪地
分布於新河—大沙河一帶，為黃河、沁河的沖積平原與太行山山前沖洪積平原之間的交接窪地，由粉質黏土、粉細砂土組成。地勢低窪，地面標高100～90m，微向東南傾斜。
在山前沖洪積平原中上部，分布有十幾座煤礦。採煤引起地表下沉變形，地表形成塌陷坑。據調查，焦作礦區有較大的塌陷坑17個，塌陷面積近70km2。
三、地層與構造
1.地層
區域出露的地層有太古宇變質岩、震旦系石英砂岩、寒武系和奧陶系碳酸鹽岩，石炭系和二疊系煤系地層、三疊系砂頁岩、新近系砂泥岩、第四系鬆散沖洪積物。由老至新分述如下：
太古宇（Ar）：出露於山區峪河口、薄壁一帶，主要岩性為變質程度中等的片麻岩和混合岩，厚度大於1000m。
震旦系（Z）：分布於山區馬鞍石水庫一帶，與下伏太古寧呈角度不整合接觸。主要岩性為淺紅、紫紅色石英砂岩，厚度為100～500m。
寒武系（）：出露於丹河、峪河等深切河谷中，與下伏震旦系地層平行不整合接觸。總厚度為300～500m，分下統、中統、上統。下統主要為泥灰岩、泥質灰岩、磚紅色頁岩和砂岩，中統下部為紫紅色頁岩、砂岩，中上部為深灰色亮晶灰岩、白雲岩，上統是中厚層狀白雲岩。
奧陶系（O）：山區廣泛出露於地表；山前傾斜平原區則隱伏於石炭-二疊系之下，與下伏寒武系呈整合接觸。總厚度約500m，分中統、下統。下統出露於深切河谷兩岸，岩性為青灰色細晶白雲岩和硅質條帶或硅質團塊白雲岩。中統廣泛分布於山區，山前傾斜平原區除局部埋藏於新生代地層之下外，大部分埋藏在石炭紀地層之下。是一套碳酸鹽岩地層，厚度約400m。岩性主要是黑色、灰色厚層狀灰岩、白雲質灰岩和泥灰岩。
石炭系（C）：山區零星出露，山前平原區則隱伏於新生代地層之下，是一套由灰岩、泥岩、頁岩組成的海陸交互相沉積，含煤數層。厚70～90m。
二疊系（P）：隱伏於山前平原之下。岩性為砂岩、頁岩互層，夾可採煤層。厚度為70～120m。
新近系及第四系（R+Q）：據鑽孔資料，新近系下部為礫岩、泥岩、砂岩、灰岩互層，上部是黏土、砂礫石互層。第四系（Q）分布於山前沖洪積平原區，由礫石、砂、粉土和粉質黏土組成，沉積物厚度從北向南由薄到厚，顆粒由粗變細。前沖洪積平原上部（近山前）沉積物一般為粉質黏土、礫石層或粗砂層，中部一般為粉質黏土夾粉土或中細砂層，沖洪積平原前緣多為粉質黏土夾粉土或砂透鏡體。第四系地層厚度在近山前地帶小於50m；老城區為75～150m，局部大於200m；焦枝鐵路線南至新河一帶，厚為175～200m；新河至大砂河一帶，厚度大於500m。
區內分布的地層由於岩性不同，構成不同的含水介質。廣泛分布的寒武系和奧陶系灰岩和白雲岩岩溶裂隙普遍發育，富水性和導水性強，並具有很好的補給條件，富含岩溶水。石炭系薄層灰岩，岩溶裂隙較為發育，也富含有岩溶水。分布於山前沖洪積平原第四系沖洪積物，厚度大，砂卵石及砂層孔隙中，富含孔隙水。
2.構造
本區基岩斷裂構造發育（圖10-6），多為高角度正斷層。受斷裂構造控制，區內地層形成自北向南呈階梯狀下降的單斜式構造形式，地層傾角為10°20°。現將對岩溶水賦存和運動有控制意義的斷層簡要描述如下：
圖10-6 焦作礦區基岩斷裂構造綱要圖
（1）鳳凰嶺斷層
西起石河附近，與盤古寺斷裂相交，向東經丹河、瓦窯溝，在焦作北部沿太行山山前展布，地貌上構成山區與平原的分界線。過焦作後隱伏於新生界地層之下，向東經過王母泉、葛庄，至獅子營一帶尖滅，全長約70km。斷層呈東西向走向，傾向南，傾角70°～80°，為一正斷層，落差200～300m。該斷層帶岩石破碎，溶蝕裂隙、溶孔、溶洞發育，多個鑽孔揭露過直徑大於1m的溶洞，導水性和富水性強，是岩溶地下水的強徑流帶和富集帶，大型集中水源地（崗庄、閻河等）和大型岩溶水充水礦井（演馬礦）均處在該斷層帶上，各水源地取水量很大，但水位降深和影響范圍有限。
（2）朱村斷層
朱村斷層是盤古寺-新鄉斷裂的一部分，盤古寺-新鄉斷裂西起濟源克井盆地以西山區，向東經盤古寺、河口、柏山、焦作，直至新鄉市南部的郎公廟，全長約160km。呈東西走向，傾向南，傾角為60°～70°，北盤上升，南盤下降，落差700～1000m。斷層北盤的奧陶系灰岩岩溶含水層與南盤的石炭-二疊煤系地層及新生界相對阻水的地層對接，使岩溶水不能越過斷層向南運動，從而構成岩溶水的南部邊界。斷層帶岩石破碎，岩溶發育，斷層北側構造發育，斷層北側的岩溶水沿王封斷層、39號井斷層等北東向導水斷層滲流。
（3）九里山斷層
斷層走向北東，傾向北西，傾角70°。南東盤上升，北西盤下降，落差300～1000m。南東盤局部地段中奧陶統灰岩出露地表，形成北東向展布的殘丘，殘丘附近中奧陶統灰岩與第四系接觸，形成「天窗」。天然狀態下，殘丘附近曾是區域岩溶地下水的排泄中心，岩溶水以泉群形式集中排泄，20世紀50年代泉流量達12m3/s。該斷層也是岩溶水強徑流帶，演馬庄礦特大型突水後，岩溶水降落漏斗也沿斷層擴展。九里山斷層西南端與朱村斷層交會，中間被鳳凰嶺斷層截斷，東北端與方庄斷層交會，起到溝通各大斷層的作用。
（4）趙庄斷層
西南端與鳳凰嶺斷層斜接，向北東方向延伸，全長35km，傾向南東，傾角65°～85°。趙庄斷層和朱嶺斷層組成地壘構造，對焦作地區岩溶水滲流和分布有一定控製作用。斷層兩側岩溶水水位及動態明顯不同，北側為高水位區，斷層南側為低水位區，斷層兩側水位相差70～240m。
（5）方庄斷層
呈北西走向，落差200m，傾向南西，西盤上升，東盤下降。導水性強，該斷層西側的馮營礦多次突水，最大突水量85m3/min。該斷層與NE向展布的九里山斷層相交，來自北部山區的岩溶水沿方庄斷層帶和九里山斷層帶運動、富集。
此外，規模比較大的斷層還有39號井斷層、3號井斷層、天官區斷層、王封斷層、馮封斷層、黑龍王廟斷層、馬坊泉斷層等。
四、岩溶水系統邊界
九里山泉域岩溶水系統周邊均為隔水邊界，岩溶水有獨立的補給、徑流和排泄條件。
1.西北邊界
系統西北為丹河小山字形東南弧壓性斷層組成的隔水邊界，總體上北盤上升、南盤下降。在晉城孔庄白水河河谷地面可見主斷層帶內發育約80cm厚斷層糜棱岩，區域水文地質條件分析認為，水掌泉、三姑泉的出流與該斷層帶的相對阻水有關。
2.北部邊界
大致在丹河一帶，山字形構造前弧斷層壓性特徵減弱，在青天河水庫壩址北約2km可見斷層面，斷層帶內發育角礫岩（未見糜棱岩），南北兩側地層斷距約70m。經岩溶所水均衡計算，認為該段為潛流邊界，三姑泉域岩溶水系統內約有0.944m3/s潛流量補給九里山泉域岩溶水系統（崔光中，1993）。
3.東北邊界
東北邊界分別與三姑泉域岩溶水系統和太行山散流區岩溶水系統為地下分水嶺邊界。
4.東部、南部邊界
南部為朱村斷層，該斷層使中奧陶統含水層與南盤的石炭-二疊煤系地層及新生界相對阻水的地層對接，構成隔水邊界；東南部為碳酸鹽岩含水層埋深大致在1000m的滯流性隔水邊界。
5.西部邊界
西部邊界從山西晉城冶底—追山並沿逍遙河西側分水嶺構成與延河泉域岩溶水系統的地下水分水嶺或隔水邊界。
五、區域水文地質概況
1.含水岩組及富水性
依據含水介質特徵、儲水條件、地層時代和含水層富水性，區內含水層可以劃分為寒武-奧陶系灰岩岩溶含水層組、石炭系薄層灰岩岩溶含水層和第四系鬆散沉積物孔隙含水層組。
（1）寒武系—奧陶系灰岩岩溶含水層組
由寒武系中上統和奧陶系中統灰岩組成，總厚約900m，岩溶裂隙發育，富含裂隙岩溶水，是本區最富水的含水層。在北部山區呈裸露型，山前傾斜平原區掩埋於石炭-二疊系和新生界地層之下，呈埋藏型。岩溶發育程度和含水層富水性與岩性、構造、地形、地貌等條件有關。主幹斷層帶包括鳳凰嶺斷層帶、朱村斷層帶、九里山斷層帶和方庄斷層帶，是岩溶水地下強徑流帶和富集帶，岩石破碎，岩溶發育，裂隙密集，岩溶水沿這些主幹斷層富集、運動。鳳凰嶺斷層帶上分布著數個大型水源地，其中崗庄水源地，在0.05km2的面積上布有50個水源井，取水量超過2.5m3/s。鳳凰嶺斷層與朱村斷層之間的焦西礦區、鳳凰嶺斷層與九里山斷層相交構成的三角形區域即演馬、韓王、九里山、古漢山一帶，在東西向主幹構造控制下，北東向斷裂構造發育，造成岩石破碎，岩溶發育，並發育有溶洞，富水性強，是岩溶水極強富水區，單井出水量大於3000m3/d，最大可達16000m3/d。處於該區的演馬礦、九里山礦、王封礦等均是大型岩溶水充水煤礦，常發生大型岩溶水突水事故。方庄斷層和九里山斷層相會處附近即馮營、方庄一帶，奧陶系灰岩埋深小於500m，岩溶也比較發育，單井出水量1000～3000m3/d，是岩溶水強富水區。朱村斷層以南和焦東礦區的鳳凰嶺斷層以南，奧陶系灰岩岩溶含水層深埋於新生界和石炭-二疊系之下，岩溶發育微弱，富水性較差，是弱富水區。北部山區奧陶系灰岩出露於地表，岩溶水水位埋深大，岩溶發育程度和富水性具有不均勻性。
（2）石炭系薄層灰岩岩溶含水層
石炭系有5～11層薄層灰岩，其中第八層灰岩和第二層灰岩分布比較穩定，八灰厚為6～10m，二灰厚為4～21m，含裂隙岩溶水。八灰和二灰位於二煤（大煤）之下，距煤層分別是20m和70m，是煤層底板充水含水層。石炭系薄層灰岩地表露頭面積有限，直接接受大氣降水入滲補給量非常有限，僅在近山前及九里山、演馬礦一帶覆蓋在第四系鬆散沉積物地層之下，接受上部第四系孔隙水的越流補給。石炭系薄層灰岩雖然是煤層底板直接充水層，岩溶承壓水影響採掘生產，但沒有供水意義。
（3）第四系鬆散沉積物孔隙水含水層組
孔隙水主要分布於山前沖洪積平原區，含水層主要為砂礫石層或中細砂層，頂板埋深為20～40m。受地質、地貌和水文地質條件的影響，含水層富水性空間分布不均。丹河、西石河、山門河等河流的沖洪積扇上，含水層為砂礫石層，厚度20～50m，導水性和滲透性強，補給、徑流條件好，富水性最強。單井出水量扇體上部大於5000m3/d，扇體中下部為3000～5000m3/d。沖洪積平原的扇間區，含水層為砂、砂礫石，連續性差，常呈透鏡體狀，厚度為10～15m，導水性和滲透性較差，單井出水量為1000～3000m3/d。山前傾斜平原的前緣區，含水層為上更新統中細砂，單層厚度為5～10m，富水性差，單井出水量為500～1000m3/d。坡洪積裙區，含水層是坡洪積的碎石和礫石，連續性差，多呈透鏡狀，局部半膠結，富水性最差，單井出水量小於500m3/d。
2.岩溶水的補給、徑流和排泄
太行山區是岩溶水系統補給區，地表分布有大面積的寒武-奧陶系碳酸鹽岩，地表及地下岩溶發育，且山區大氣降水豐富，大氣降水入滲是焦作岩溶水重要補給來源之一。丹河常年有水，流經碳酸鹽岩分布區，河床滲漏嚴重，多年平均滲漏量為1.60m3/s。西石河、山門河和子房溝河流屬季節性河流，流經碳酸鹽岩分布區，河水在距出山口5～10km地段全部漏失補給地下水。地表水沿河滲漏也是焦作岩溶水的重要補給來源之一。
岩溶水在焦作北部、西部接受補給後，由北向南、東南以水平徑流方式向山前排泄區徑流匯集。趙庄斷層是一條弱導水斷層（圖10-6），岩溶水以趙庄斷層為界形成水位差達70～200m的地下水力陡坎。斷層北為高水位區，岩溶水水位與大氣降水同步變化，豐水期（9～10月）水位200～240m，枯水期（3～5月）水位130～160m，水位升降幅度與降水量大小成正比。斷層南是低水位區，岩溶水水位低，水位受大氣降水和人工開採的雙重影響，年水位變幅小，豐水期水位為80～85m，枯水期水位為70～80m，年水位變幅為10～12m。近山前地帶斷裂構造和岩溶發育，岩溶水循環徑流交替條件好，是岩溶水排泄-徑流區，也是岩溶水富集區。來自北部山區的岩溶水，沿鳳凰嶺斷層、九里山斷層、朱村斷層等強導水斷裂運動、富集，並形成岩溶水強徑流帶。區內分支斷裂及小構造也十分發育，相互連通，從而使山前地區的岩溶水具有統一流場和相似的水位動態。
天然條件下，岩溶水在九里山殘丘南側的奧灰「天窗」處以泉群形式集中排泄，在目前開采條件下，人工開采和礦井排水是岩溶水的主要排泄方式。
3.孔隙水的補給、徑流與排泄
孔隙水補給來源有大氣降水入滲、農田灌溉水回滲和地下水側向徑流補給等。山前沖洪積平原區地勢比較平坦，地表植被發育，包氣帶岩性多為礫石、砂及粉質黏土等，滲透性好，大氣降水容易下滲補給孔隙地下水。因此，大氣降水入滲是孔隙水的重要補給來源之一。市區西部和市區東部農業區多用礦井排水灌溉農田，焦作南部農業區多採用城市污水灌溉農田，礦井水和污水沿渠道滲漏、農田灌溉水回滲也是孔隙水的重要補給方式。人工開采、礦井排水和地下蒸發是孔隙水的主要排泄方式。此外，在靈泉碑和小張庄，孔隙水還以泉和自流井形式向外排泄。
天然條件下，孔隙水自沖洪積扇上部向扇前緣徑流，徑流方向與地形坡降方向基本一致。在目前開采條件下，受煤礦排水和人工開采影響，孔隙水徑流狀態發生了變化，孔隙水分布區出現了水位深埋、含水層疏干區，水位降落漏斗區和水位穩定區。近山前地帶，因煤礦長期排水和人工開采，水位大幅度下降，水位埋深為30～60m，含水層處於疏干—半疏干狀態。老城區南部因集中開采已形成孔隙水水位下降漏斗，漏斗附近孔隙水由漏斗邊緣向中心運動。豐收路以南孔隙水，補給與排泄處於平衡狀態，水位穩定，地下水自西北向東南運動。
4.孔隙水與岩溶水水力聯系
孔隙水與岩溶水屬於兩個不相同的含水層系統，各自有相對獨立的補給、徑流和排泄條件。孔隙水主要分布於山前沖洪積平原的第四系沖洪積物中，含水空間是孔隙；岩溶水主要分布於奧陶系灰岩中，含水空間是裂隙岩溶。岩溶水補給區在北部山區，屬於遠源補給，大氣降水入滲和山區河流滲漏是岩溶水的補給來源。山前傾斜平原區是岩溶水集中排泄區，人工開采和礦井排水是岩溶水的主要排泄方式。孔隙水的補給來源包括大氣降水入滲、農田灌溉水回滲、河流和溝渠地表水沿河滲漏等，補給區范圍與其分布范圍一致，屬於近源補給。排泄方式為人工開采、蒸發、泉排泄及地下徑流等。在山前沖洪積平原上，第四系沖洪積物孔隙水含水層分布在淺部，奧灰岩溶水含水層埋藏於石炭-二疊煤系地層之下，奧灰含水層之上有350～400m厚的石炭-二疊系砂岩、泥岩隔水層，奧灰岩溶水與淺層孔隙水一般無直接水力聯系。
在九里山—演馬礦一帶，由於九里山斷層北西盤下降，南東盤上升，使石炭系、奧陶系灰岩覆蓋在第四系鬆散地層之下，局部區域中奧陶灰岩出露地表，形成「天窗」（圖10-7），使奧灰水、孔隙水和薄層灰岩岩溶水相互間發生水力聯系。20世紀60年代之前岩溶水水位高於孔隙水水位，岩溶水在此直接出露成泉。目前，孔隙水水位高於奧灰岩溶水水位，孔隙水補給岩溶水。石炭系薄層灰岩在鬆散沉積物分布區有條帶狀露頭，孔隙水水位高於薄層灰岩岩溶水水位，孔隙水越流太灰岩溶水，順地層傾向流入九里山礦和演馬礦井田，以礦井排水形式排出地表。礦井水主要來源於太灰和奧灰岩溶水，礦井長期排水不僅造成岩溶水水位下降，也使九里山、演馬礦附近的孔隙水水位下降，並形成水位降落漏斗。因此，在九里山—演馬礦一帶，岩溶水和孔隙水有一定水力聯系。
圖10-7 焦作九里山奧灰與第四系沖洪積層「天窗」式接觸剖面示意圖
六、岩溶水水位及動態
岩溶水水位動態主要受山區大氣降水和人工開采（包括礦井排水）雙重因素的影響，隨開采量增加和降水減少呈階梯狀下降，自1952年至1993年上半年，水位呈台階狀下降，大致可劃分5個階梯；1994～2008年的水位動態主要表現為動態性的波動（圖10-8）。
圖10-8 焦作礦區歷年岩溶水水位動態曲線
第一階梯：1952～1964年，年均降水量734.3mm，岩溶水開采量小於1.50m3/s，水位標高在100～110m間波動，最高達到119m，高出九里山泉群排泄極限標高（95m），岩溶水在九里山奧灰露頭周圍以泉群形式排泄。泉水最大流量達到12m3/s。
第二階梯：1965～1970年，年均降水量512.4mm，降水量減少，礦井排水和自備井開采量增大到4.42m3/s，岩溶水水位在100～102m之間波動，略高於九里山泉口標高，泉水流量減小。
第三階梯：1971～1976年，年均降水量602.4mm，岩溶水開采量和礦井排水量增加到6.58m3/s，水位標高在90～100m之間波動。此間，九里山泉群開始出現斷流，並開始形成水位下降漏斗。
第四階梯：1977～1985年，年均降水量546.9mm，岩溶水開采量增至10.1m3/s，其中礦井排水量為8.7m3/s，水位降至80～90m，低於九里山泉口標高，泉水完全斷流。1980年9月焦作電廠崗庄水源地建成使用，開采量達到0.7m3/s。焦作第四水廠於1982年投入使用，開采量0.3m3/s。因集中開采岩溶水，出現了以崗庄水源地為中心的水位降落漏斗。
第五階梯：1986～1993年，年均降水量561.0mm，開采量達到達到峰值10.3m3/s，水位在70～90m之間波動。
1994年以來，王封礦、焦西礦和焦東礦相繼被關閉，礦井排水量出現了逐年遞減的變化。近年來，工作面煤層底板含水層注漿改造技術在焦作煤礦得到普遍應用，礦井排水量減小，但城市供水開采岩溶水量逐步增加，由此抵消了消減的礦井排水量，岩溶水開采總量仍然保持在較高的水平，在8.5～9.5m3/s之間，岩溶水水位在70～90m之間波動。此間，1996年和2003年降水量較大，分別達到746.8mm和859.0mm，當年岩溶水水位最高回升至95m，接近岩溶泉水排泄標高。
七、岩溶水水化學特徵
本區岩溶水屬於大氣降水、地表水溶濾-入滲型，其化學成分是水-岩相互作用的結果。太行山山區分布有大面積的碳酸鹽岩地層，岩石化學成分主要是CaO和MgO，在水和水中CO2共同作用下，碳酸鹽岩中的碳酸鈣、碳酸鎂等被溶於水中，從而使岩溶水以、Ca2+、Mg2+等離子為主，水化學類型以-Ca2+·Mg2+型為主。
東部山區岩溶水水化學形成環境和西部山區略有不同。在西部山區，奧陶系碳酸鹽岩地層之上覆蓋有富含硫化物的石炭-二疊煤系地層，大氣降水的淋濾作用將煤系地層中的硫化物溶於水中，隨入滲水流進入到岩溶水中，致使岩溶水含量較高，水化學類型演變為·-Ca2+·Mg2+型。這種類型岩溶水分布於寨豁—西張庄—李封以南、焦作電廠以西，水中化學成分以、、Ca2+、Mg2+為主，固化物、總硬度和各種離子含量，特別是含量均明顯高於東部。東部山區，奧陶系—寒武系碳酸鹽岩地層上基本沒有煤系地層覆蓋，大氣降水、地表水通過岩溶裂隙補給岩溶水，水中含量不及西部地區，水化學成分主要是、Ca2+、Mg2+，水化學類型一般為-Ca2+·Mg2+型。
八、地下水資源概況及開采利用現狀
1.地下水資源概況
焦作的地下水資源由岩溶水和孔隙水組成，以岩溶水資源為主。據河南省第一水文地質工程地質大隊「河南省焦作市東小庄水源地水文地質勘查報告」（1989年），焦作地區地下水天然資源總量為10.758m3/s，其中岩溶水為8.09m3/s，相當於25512.6萬m3/a；孔隙水為2.668m3/s，相當於8413.80萬m3/a。
2.地下水資源開采利用現狀
焦作市開發利用地下水的形式有：供水總公司大型水源地集中開采、廠礦自備水源地（水源井）集中或分散開采、礦井排水和郊區農業分散開采四種（表10-2）。
表10-2 焦作市規劃區2008年地下水開采現狀統計表 單位：萬m3/a
焦作市供水公司現有水廠六座（第三水廠於2001年4月停產），以開采岩溶水為主，並利用少量群英水庫地表水，其中以第七水廠（東小庄水源地）和第二水廠（周庄水源地）開采規模較大。2008年供水公司開采岩溶水4348萬m3。
焦作城區共有廠礦自備水源井224眼，其中岩溶水開采井96眼，孔隙水開采井128眼。岩溶水的開采主要集中在焦作電廠（崗庄水源地46眼井）、愛依斯萬方電廠（待王水源地14眼井）、化工三廠（6眼井）、熱電廠（4眼井）、中州鋁廠（14眼井）和化工總廠等企業，孔隙水的開采主要集中在造紙廠、平光廠、中州機械廠、化工一廠、輪胎廠和化工二廠等企業。2008年自備井開采地下水4403萬m3，其中開采岩溶水3533萬m3，開采孔隙水870萬m3。
焦作礦區現有大型煤礦9座，主要分布在焦東礦區，2008年礦井排水總量為5.97m3/s，相當於18827萬m3/a，扣除20%的重復排水量，實際抽排地下水15062萬m3/a，其中岩溶水為12050萬m3/a，孔隙水3012萬m3/a。
近郊農村農民生活用水、農田灌溉用水和鄉鎮企業生產用水開采孔隙水約為4600萬m3/a。
岩溶水開采量為19931萬m3/a，低於岩溶水天然資源量；孔隙水開采量為8482萬m3/a，略高於孔隙水天然資源量。岩溶水尚有一定開發潛力，而孔隙水則處於超采狀態。
㈤ 水化學方法分析水文地質條件
2.4.4.1 奧陶系灰岩水
礦區奧灰地下水補給來源為大氣降水，其次為南洺河地表水，灰岩裸露補給區HCO3－、Ca2＋與Mg2＋質量濃度小，呈現地表水水質，如礦區西萬年以西、西南部南洺河灰岩裸露地段，且受季節性變化較明顯。本區奧灰水處於氧化的地化環境，故水中NH4＋質量濃度甚微；NO3－質量濃度較高，因環境及污染問題日益嚴重，近年來有上升的趨勢（8～30mg/L），而反映還原環境的NO－2基本不存在，全部小於0.01mg/L。奧灰受閃長岩侵蝕接觸帶生成鐵礦，FeS2在氧化環境下生成SO2－4，故本區奧灰水的SO2－4質量濃度較高。
圖2.24 各主要離子的形成框圖Fig.2.24 The formation map of the major ion
礦區奧灰水徑流條件較好，礦區奧陶系灰岩水總硬度一般為16～19德度，pH為7.4～8.1，奧陶系灰岩水的HCO－3、Ca2＋與Mg2＋分別為：HCO－3質量濃度范圍為204～283mg/mL；Ca2＋質量濃度范圍為83～99mg/mL，徑流條件較好的地方偏低，如礦區南部及中部，尤其是礦區西南部，多80～90mg/mL，呈現淺部地下水的性質，礦化度及硬度較低，無負硬度出現；徑流條件較差的地方偏高，如礦區北部，可達到100mg/mL以上，呈現深部地下水的性質；SO2－4質量濃度為76～116mg/mL，自西向東自南向北呈現逐漸上升的趨勢；Ca2＋與Mg2＋質量濃度比值為3.0～5.0，自西向東自從南向北亦有上升趨勢，均與該區地下水流向相符。由此可見，奧陶系石灰岩在井田西北部萬年村以西接受大氣降水和山區地表徑流的補給，滲入地下後沿地勢順地層傾向由西向東徑流，遇石炭紀—二疊紀地層阻擋後由南向北運動，於北部百泉泉域排泄。南洺河上游（磁山鐵道橋以南），河床砂礫石直接覆蓋在奧陶系石灰岩之上，雨季南洺河河水滲漏補給水，而後沿南洺河河谷向北運動。
天然條件下井田地下水通過南洺河河谷向北部百泉排泄。目前排泄方式主要為煤礦排水、周圍鐵礦疏排水、水源地供水和工農業開采等。
本區奧灰水耗氧量甚低，多在0.5mg/L以下，奧灰吃水孔因保持較好的排泄條件，耗氧量幾乎為0。由於奧灰地層中存在極少的岩鹽（NaCl），奧灰水中含有的Na＋、Cl－的含量很少，K＋＋Na＋質量濃度為10～25mg/L，Cl－質量濃度為17～35mg/L。本區奧灰水為HCO3SO4－CaMg型岩溶地下水。礦化度為364～446mg/L，水中陽離子以Ca2＋、Mg2＋為主，含量分別為62.87％～63.86％和25.87％～26.30％；陰離子以HCO－3為主，含量為250.0～255.6mg/L。其庫爾洛夫表達式為：
煤礦底板突水
式中：M為礦化度；T為水溫。
本區地下水已達飲用天然礦泉水國家標准，屬含Sr的低礦化度中性礦泉水。
2.4.4.2 石炭紀—二疊紀薄層灰岩水
根據水化學分析資料，可將本區大青灰岩水分為HCO3SO4－CaNa型和HCO3SO4－CaMg型兩種類型；前者是原始的大青水，後者是通過斷裂構造接受奧灰水大量補給後的大青水。
（1）HCO3SO4－CaNa型大青灰岩水：在未受奧灰水擾動時，本區大青灰岩地下水為HCO3SO4－CaNa型，其形成原因是：地下水循環條件較差，進入含水層的地下水難於得到充沛的補給，水中CO2極少或無CO2存在，難以構成碳酸鹽的侵蝕性酸性溶濾，當圍岩中含有Na2CO3、Na2SiO3等鹼性物質時，水中可能出現OH－，並使pH＞8，促使Ca2＋、Mg2＋等迅速沉澱，並使Na＋大量集聚，水型演變為HCO3SO4－CaNa型。
HCO3SO4－CaNa型大青水的主要特徵為：較高的pH（7.7～8.8），較高的Na＋（Na＋＋K＋可達50～283mg/L）和HCO－3（280～602mg/L），較高的礦化度（＞600mg/L），一般不含或含有極微量的NO－3。
（2）HCO3SO4－CaMg型大青灰岩水：本區在大青灰岩水與奧灰水有密切水力聯系的地段，當奧灰水經斷裂構造補給本含水層且經過長期水循環、交替更換之後，大青灰岩地下水的水化學組成將演變為奧灰水的水質類型，即奧灰水所具有的HCO3SO4－CaMg水型。視混合交替程度不同，這種大青灰岩水有時可保存HCO3SO4－CaNa型水的一些痕跡，如pH及NH＋4質量濃度微有上升，CO2、SiO2質量濃度有較大的變化，出現微弱負硬度，Na＋含量較奧灰水（10～25mg/L）偏高。NO－3出現並有較高的質量濃度，是大青灰岩水受奧灰水影響，從還原環境轉向氧化環境的重要標志。完全接受奧灰水補給以致混合交替程度很高的大青灰岩水，其水化學組成將完全等同於奧灰水。從水化學變化的概念上來講，這時「大青灰岩」水已不復存在，奧灰水已完全充儲大青灰岩地層，因此奧灰水對它的補給關系十分明確。
大青灰岩含水層主要補給來源為大氣降水及奧陶系灰岩水。大氣降水補給途徑為基岩裸露區直接入滲和南洺河的滲漏補給。奧灰水主要通過大的構造發育地帶補給大青灰岩含水層，奧陶系灰岩與大青灰岩含水層間距約30m，本區斷距大於30m的斷層有29條，在這些區域均有奧灰水補給大青灰岩水的可能，故大青灰岩水的水化學組分受構造控制明顯，水力聯系程度具有明顯的地區差異性。通過水化學組分背景值可見，大青灰岩含水層水樣，部分已受到煤系地層水污染，部分與奧灰水特徵值接近，如：D17大青觀測孔。大青灰岩水化學異常點的分布受構造控制較明顯，構造發育地帶已接受奧灰水補給；通過大青灰岩水化學組分構成變化可見，在構造發育地帶，兩含水層聯系密切，為礦井突水災害的主要水源，其主體水型具奧陶系灰岩水特徵明顯，可見本層已接受奧陶系灰岩水補給，如萬87及萬5孔處有F3、F5號斷層（斷距均大於30m）發育，此處大青灰岩含水層水化學主體水型為HCO3SO4－CaMg，且兩個含水層水位保持一致。
大青灰岩水的水化學組分受徑流條件控制明顯，水化學組分構成中SO2－4＋Cl－毫克當量百分含量呈有規律的增高，自西向東自南向北，SO2－4＋Cl－百分含量逐步增高，從52％到73％；12個大青水樣中，K＋＋Na＋含量有兩個水點超過其背景上限值，估計與煤系地層水污染有關；HCO－3僅一個水點略高於其背景上限值，為602.44mg/L，Ca2＋、Mg2＋含量較穩定，均無超過其背景上限值，大青灰岩水樣部分與奧灰水特徵值接近，如：D17大青觀測孔，此大青灰岩水位於構造發育地帶，大於30m斷層兩條，受構造控制較明顯；Cl－有一個水點超過其背景上限值，SO2－4有一個水點高於其背景上限值，均為礦區北部水點，受地下水徑流條件控制明顯。說明了該區地下水徑流方向是自西向東自南向北徑流。目前大青灰岩水排泄途徑主要為人為排泄。
伏青野青灰岩水具有與大青同樣的特徵，在原始水型的基礎上存在HCO3SO4—CaMg水型，且受斷裂構造或人為影響，其與奧灰水的聯系程度具有較大的地區差異性。石炭二疊系薄層灰岩水礦化度、硬度、Ca＋、NO－3質量濃度有一定的變化，與奧灰水差異有大有小，這說明受斷裂構造或人為影響，奧灰水與薄層灰岩水的水力聯系程度有較大的地區差異。
2.4.4.3 涌水水源、通道分析
根據萬年礦各含水層水化學組分的構成及水化學組分背景值，我們可以發現，各含水層水pH、總礦化度、7種主要離子（K＋＋Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、SO42－、HCO3－）的變化特徵具有較明顯的差別，這是由於各含水層水形成的地質環境和運、儲等過程的不同，導致不同含水層中的地下水形成了與眾不同的水化學特徵。我們在對涌水點的地質及水文地質半經驗型判別的基礎上，對水質進行分析，與前面得出的各含水層水化學組分構成及背景值進行對比，看符合哪個含水層水的特徵，可以相應的得到該涌水點的涌水水源。
本區構造發育，涌水通道最主要的為斷層，斷層是本區溝通上、下含水層及煤層涌水的主要通道，本區落差大於100m以上的斷層有11條，落差30m以上斷層有18條。落差100m以上斷層使石炭紀—二疊紀地層與奧陶系石灰岩接觸，落差30m以上斷層可使煤層與下部含水層靠近甚至接觸。根據萬年礦突水資料統計，斷層引起突水事故達12次（佔48％），斷層引起突水往往是使煤層工作面與單一或多個含水層溝通，涌水的水化學特徵就具有了單一含水層或混合水的特徵，斷層尤其是奧灰補給其他含水層的主要通道，若為奧灰補給則水化學類型則為HCO3SO4－CaMg型水。基岩風化裂隙帶其接受大氣降水補給，主要通過中上部地段導水和充水，通過大的構造裂隙向深部徑流，經風化圍岩裂隙溶濾，具有圍岩化學成分特徵，礦化度往往較高，遇裂隙導致突水3次（佔12％）。塌陷和扒裂可使得汛期河水通過卵石層沿扒縫可充入礦井，其水化學成分具有淺部潛水或地表水的水化學特徵。