奥灰水水文观测设备
㈠ 十层煤底板突水水文地质条件分析
根据突水原因、条件和规律的分析，突水水文地质条件要研究的问题主要有:
1)含水层的岩性、厚度，岩溶裂隙的发育情况。地下水的补给、径流条件及具体块段的富水性。
2)隔水层和相对隔水层厚度、岩性及其剖面上的组合关系，隔水层的阻水性，即隔水层裂隙在原始状态下的阻水减压能力和采动条件下的变化。
3)断层构造的分布及其倾角、断距的大小，位移后断层带两侧含水层、隔水层相互关系，它对含水层的富水性、隔水层的阻水性所起的控制作用。
淄博是开采历史较久的矿区。揭露煤层底板有关隔水层、含水层的井上、井下钻孔也比较多，而且绝大多数是取芯钻进，岩性、厚度资料比较确切，这为分析煤层底板突水地质条件积累了丰富的资料。
综合分析这些资料，可以看出淄博煤田十层煤底突水水文地质条件在矿井之间，同一井田的不同区段之间变化是很大的，分区块段性很明显。
3.3.1.1含水层
淄博矿区十层煤底板有4个含水层，即:徐上砂岩、徐灰岩、徐下砂岩、奥灰岩。
(1)徐上砂岩
因其位于十层煤底板，徐灰之上而定名。这一砂岩矿区普遍发育，硅质胶结，坚硬性脆，但厚度、分层变化很大。当只有一层厚仅3～4m，或分为2～3层单层厚度仅2～3m时，这一砂岩组含水性较弱，便成了相对隔水层。当单层厚度加大到10m以上时，可成为底板突水的直接含水层之一，富含裂隙水，钻孔遇裂隙曾出现钻具自动下落0.2m的现象。在石谷矿区这一砂岩的单位涌水量0.013～0.42L/s·m，平均0.18L/s·m;渗透系数为0.1～2.18m/d，平均0.75m/d，单点最大突水量2.126m3/min，采区(600m×600m)最大突水量8.43m3/min，水压10.15kg/cm2时，井下单孔(直径89mm)最大自流量2.5m3/min。
现有资料初步判明，全矿区有4个块段，该层砂岩厚度较大，可能成为突水的直接含水层，这四个块段是:石谷及龙泉北翼区，砂岩展布面积约8km2，厚7～26m，平均15.33m;昆仑区，展布面积13km2，厚6.5～18.68m，平均11.9m;夏庄一井－200m水平区，展布面积4km2，厚1.14～13.82m，平均7m;岭子宝山区，展布面积3km2，厚4.38～16.6m，平均9.4m。
(2)徐庄组灰岩
位于十层煤与奥灰之间的中下部，上距十层煤25m左右，下距奥灰20m左右，是淄博引起煤层底板突水次数最多的含水层。当它的岩溶裂隙发育并与奥灰发生较强的水力联系时，可成为奥灰水量、水压的中转层，这时奥灰水对煤层底板的作用不是从奥灰顶面开始，而是从徐灰顶面开始，使煤层与奥灰间的隔水层几乎减少一半。当其岩溶裂隙不发育与奥灰水力联系不强时，可相对成为奥灰的隔水层。因此，正确认识这一含水层的富水特征，对防治煤层底板的突水有重要作用。通过综合分析钻孔和突水点资料，这一含水层有以下4个特点:
1)它的厚度与分层变化十分明显并有一定规律性。
在矿区内有的块段徐灰只有一层，有的块段分为二、三层，局部块段达四至五层，分层累加总厚度薄处只有0.14m，趋于尖灭，厚处可达18.29m。分层的基本变化规律是:在淄博向斜盆地寨里北大井以南基本上是两个分层，只有夏庄一、二井，黑山一井局部变化为一层。北大井沈马庄以北区基本上是3个分层，从河东到沣水一带是四至五个分层，面积约13km2。岭子明水斜地和埠村向斜盆地基本是两个分层。但不论分几层，厚而稳定的只有一层而且是最底部的一层，其他都是较薄的小分层。最厚的这一层徐灰，在淄博向斜盆地由南而北厚度亦呈厚薄相间状态，愈往北愈厚的变化规律。具体是双山区7.67m，夏庄区3.5m，奎山昆仑区7.62m，龙泉石谷7.06m，北大井北斜井5.28m，双沟区8.43m，南定区6.81m，湖田区10.4m。由于徐灰的这种厚度和分层的变化，改变了突水水文地质条件，徐灰的尖灭变薄区和分层增多区，裂隙岩溶发育受到限制，富水性减弱，往往可以成为奥灰的相对隔水层，至少可以降低突水时中转奥灰水量、水压的作用。
2)徐灰岩溶的发育有随着埋深的加大而减弱的趋势。
从双山区看，岩溶发育的变化趋势如下:地表+250m左右，可见直径0.5～1m的溶洞。地质24号孔，孔口标高+179.94m，+29m水平见徐灰有溶洞，水喷出孔口，单位涌水量0.15L/s·m，渗透系数1.34m/d。地面水文2号孔，孔口标高+263.7m，于－62m水平见徐灰岩心有轻微溶蚀现象。井下水文1、2、3号孔，孔口标高+1.74～－0.76m，于－103～－106m见徐灰岩溶现象更微弱，用岩心面积法统计其裂隙岩溶率为0.28%～0.55%，单位涌水量0.01～0.24L/s·m，渗透系数0.09～0.2m/d。堵水3号孔，孔口标高+190.04m，于－155m见徐灰，岩心裂隙节理面清楚可辨，岩溶现象已不明显，水量很小，单位涌水量0.015L/s·m，渗透系数0.1m/d。上述资料表明本区岩溶发育最大深度在－160m水平，埋深约为350m。
夏庄矿一井区岩溶发育的变化趋势如下:井下水文观测1号孔，孔口标高+36.4m，于+11.4m见徐灰，钻进0.85m见溶洞突然喷水，涌水量1600L/min，单位涌水量0.184L/s·m，渗透系数3.72m/d。第一疏干水平共打徐灰孔17个，孔口标高－78～－80m，于－94.15～－136.5m见徐灰，大部分有岩溶现象，单孔自流量400～2340L/min，单位涌水量0.059～0.25L/s·m，渗透系数1.31～6.64m/d。其中疏1号孔在－133.67m见徐灰，钻进1.14m遇溶洞突然喷水，涌水量1550L/min。万山地质7号孔，孔口标高+181.745m，于－172.03m见徐灰，岩溶现象不明显，单位涌水量0.012L/s·m，渗透系数0.17m/d。第二疏干水平共打6个孔，孔口标高－219～－244m，于－238.84～－266.15m见徐灰，单孔自流量为80～400L/min，单位涌水量0.02～0.03L/s·m，渗透系数0.3～0.76m/d。资料表明本区岩溶发育最大深度在－170m水平，埋深亦为350m左右。
其他井田的资料证明亦有如上规律。
徐灰的这一特征，对突水水文地质条件的变化有重要的影响。愈到深部愈以构造裂隙水为主，富水性逐渐减弱，只要查明构造破碎带，徐灰便可能转化成为奥灰的相对隔水层。
3)徐灰的富水性有明显的分区块段性。现有资料证明夏庄二井、龙泉南翼、奎山井田西北部、石谷940采区以北、寨里二井，由于断层及火成岩墙的切割隔离，徐灰没有露头接受降水补给，或由于厚度较薄，岩溶减弱，甚至不含水。而双山白虎山逆断层两侧区、夏庄一井枣园至安上区、石谷的2号与3号岩墙之间区、洪山矿的邢家至河东区富水性就比较强，煤层底板突水水量可达5～8m3/min，疏干稳定水量可达4～5m3/min，影响半径可达1000～2000m。
4)徐灰的富水区，往往与奥灰有较强的水力联系，实质上就是奥灰的富水区。徐灰露头展布条带状，面积较小，除处于河沟冲击层覆盖的少数块段能得到降水较强补给外，大部分地区降水补给量不大。如果水量较大，又长期不能疏干，则主要是通过断层、节理裂隙与奥灰发生了较强的水力联系得到奥灰的补给所至。现在已经有许多实例证明这一点。
夏庄一井－80m水平徐灰疏干区，疏干5号孔，孔口标高－80.55m，于孔深36.86m见断距13m的断层和断层带附近的徐灰0.45m，喷出水量2.88m3/min，水压23.3kg/cm2，喷出长轴14cm的豹皮灰岩碎块，证明奥灰岩断层带直接补给了徐灰水。
夏庄一井190下山1903面东断距7m的东顶山二号断层下盘突水，水量5.74m3/min，升压试验证明是奥灰水补给徐灰水所致。
石谷矿利用99号奥灰观测孔投放食盐2000kg，对940-5号徐灰放水孔和930、940采区底板出水进行连通试验，证实该区徐灰和徐上砂岩涌水之所以较大实际上是因为得到奥灰水的补给。
930出水区，水量1.778m3/min，投NaCl前，水的Cl－含量17.73mg/L，218h后升为23.04mg/L，持续2h后又恢复到背景值17.73mg/L。
940-5号徐灰孔，放水量1.16m3/min，投NaCl前，水的Cl－含量也为17.73mg/L，452h后升为19.5mg/L，持续22h后又恢复到背景值17.73mg/L。
940采区南翼出水点，水量0.42m3/min，投NaCl前，水的Cl－含量17.75mg/L，投放后452h升为19.5mg/L，持续1h后又恢复到背景值17.75g/L。
投放NaCl的奥灰孔位于出水点与徐灰孔的倾斜下方，通过NaCl溶液的自然扩散，最后能造成出水点与徐灰孔Cl－含量持续较长时间的异常，表明奥灰水的补给还是比较强烈的。
根据徐灰的这一特征，通过加强对徐灰的探查和疏水降压，可起两方面作用:①当补给不太强时，可把奥灰越层补给的水量和对煤层底板作用的水压威胁解除掉。②当补给很强时，徐灰水压、水量长期不能降下来，表明与奥灰水力联系很强，有奥灰突水的危险，要采取其他预防措施，这样对徐灰探查疏水实质上就起了判别奥灰突水危险程度的作用。
(3)徐下砂岩组
因其位于徐灰岩之下而定名。有时它直接覆盖在奥灰顶面，为一钙质或硅质胶结的含砾砂岩，岩相变化比较大，大部分地区被砂质泥岩或页岩所代替。目前有资料证明其存在的块段有四个。
夏庄二井区，从露头向北西方向展布，厚11.66～19.35m，平均13.7m，面积约3.5km2。夏庄地质1号孔打到这一层位，出现孔口自流，水文12号孔也有同样情况发生，单位涌水量0.15L/s·m。
奎山昆仑区，从北万山、小店到昆仑，分布面积约17km2，砂岩厚4.28～12.9m，平均8.19m。
北大井中部区，由十五中、洪山铝土矿到精神病院一带，分布面积约4km2，厚2.6～21.4m，平均6.56m。
寨里一井浅部区，从峨庄到寨里、邹家庄一带，面积约4km2，厚8.38～23.4m，平均15.6m。
这一砂岩的存在，对防止奥灰突水，既有有利的一面，也有不利的一面。有利的是砂岩岩性坚硬，抗压、抗张和抗冲刷能力较大，使奥灰水的突水要受到本砂岩裂隙的制约，不容易发生裂隙扩大型突水。不利的是砂岩裂隙发育又得到奥灰补给时，可成为煤层底板突水含水层，像徐庄组灰岩一样，对奥灰水压、水量起中转作用，缩短了煤层与奥灰之间的隔水间距。
(4)奥陶系灰岩
根据野外实测剖面，淄博矿区这一含水层总厚达821m。综合分析区域水文地质条件和有关钻孔、矿山开采资料，淄博的奥灰具有以下4个特点:
1)露头广阔，补给条件好，动、静储量大。中下奥陶统厚821m，与其连续沉积的上寒武风山、长山组主要为中厚层板状灰岩，厚约250m，通过构造其岩溶裂隙往往与奥陶系下段沟通，所接受的补给水量可以成为奥灰的一部分，从这一角度看，淄博向斜盆地这一碳酸盐类岩层的实际补给面积为1320km2。岭子明水斜地为450km2。埠村向斜盆地为270km2。特别是淄博向斜盆地，碳酸盐岩地层露头区有断距100～300m的神头西河断层、岳阴断层、石马断层、福山源泉弧形断层，炒米店漫泗河弧形断层，淄河断裂带等错综切割，台阶式断落，既扩大了露头面积，又因构造裂隙的发育增大了降水的入渗系数，补给更为充沛。矿井一次最大突水量曾达443m3/min，36h涌出总水量达6022423m3。证明这一含水层的补给量和给水度确实很大。
2)平面和剖面上水力联系虽然比较广泛，但由于构造、火成岩墙的分割也有局部的分层分区的隔离性。北大井－81m水平透水，相距12km的沣水泉群迅速干涸;双山矿－145m水平突水，相距2.4km的良庄、秋谷等泉群迅速干涸，表明平面上的水力联系是相当强的。1976年10月17日北大井西大巷奥灰六段顶面突水9.9m3/min时，局机关奥灰观测孔主要为中奥陶第四段水，水位明显下降5.07m，表明四段与六段联系很好，可见剖面上水力联系也非常密切。这种广泛联系的发生与构造垂直切割了各层段并沿走向延伸较远和岩溶的水平循环带发育有关。但一定块段内也有分区分层的隔离性。如双山－145m水平突水，孝妇泉群虽然距出水点较近，但没有影响。黑山新博医院供水孔奥灰六段水质不好，第四段水质好，总硬度前者德国度为34.75度，后者为15.68度。经隔离六段，长期取用四段水，水质没有受到干扰。西河跃进井区5、6号供水孔均为六段奥灰水，相距仅12m，但抽水时互不干扰，水质水温也不相同，5号孔水温19℃，总硬度28.84度，而6号孔水温21.5℃，总硬度则为33.04度。黑旺铁矿实际开采证实淄河断裂带两侧水温、水量、水位也有明显差别。两侧水温差1.5℃，同期水位东侧高出西侧1～10m，1976年雨季矿坑涌水量西侧3.9万m3/d。东侧则为10万m3/d。表明平面上和剖面上也有水力联系强弱之分。但在一定范围内基本上是一个统一的含水体，有统一的区域地下水位和相应的动态变化。
3)淄博的奥灰即使为煤系地层所覆盖，随着地层的倾伏，到了深部仍然普遍比较富水。造成此种现象的原因，分析认为与淄博向斜沿倾向发育一组断层构造有关。
4)奥灰顶面下10～20m富水性不强，有相对隔水的作用。但遇构造奥灰深部水仍可升出顶面。
3.3.1.2隔水层条件
淄博矿区煤层底板突水的主要威胁是奥灰，其次是徐灰，个别区段还有徐上砂岩和徐下砂岩。因此研究淄博矿区隔水层条件，主要研究对象是十层煤与徐灰、奥灰之间的间距变化规律。其次就是研究隔水层或相对隔水层的阻水性，它具体表现为井下钻孔向含水层钻进过程中即使在隔水层段内也往往有水，其水压、水量有逐渐递增的规律。
通过钻孔资料综合分析，淄博矿区煤层底板的隔水层条件，由于徐灰分层的增多，徐上砂岩，徐下砂岩的变厚或尖灭等原因，隔水或相对隔水层的厚度变化是很大的。现先从10－2煤到徐灰，10－2煤到奥灰顶，徐灰底至奥灰顶3个方面叙述:
1)10－2煤到徐灰顶的间距最小为18.92m，最大可达40m，由东向西则是逐渐加厚的趋势。若以徐灰厚层为防突水的对象，则10－2煤到厚层徐灰间距为27～49m。
2)10－2煤到奥灰的间距由于古风化壳的起伏不平，不仅不同矿井有较大变化，即使同一井田变化也很显著。如南定区，有的块段平均厚只有55.19m，较厚的块段则为71.84m，大部分块段为60.46m。从全矿区看最薄的块段47.5m，最厚的块段可达83.72m。
3)徐灰底到奥灰顶的间距从埠村矿区的5.54m到洪山东北部28.94m，一般18m左右。
隔水层的阻水性是煤层底板突水条件应予以分析的重要方面之一。根据近几年的实践，我们发现隔水层的阻水性还可以通过井下钻进实际探查确定。
由于煤层底板存在承压水，在水压的作用下钻进水文孔常常出现这样一种现象:即使在隔水层的页岩和砂质页岩中，也往往有涌水，并显示一定的压力，随着钻孔愈向下钻进，水量、水压逐渐增加。很明显不同深度的水压差值就是这一段岩层裂隙消耗的水头，因此隔水层的阻水性实际上就能从这种“阻水减压”能力上直接地表现出来。如，石谷井下940-1号孔，俯角27.5°，钻进过程中出现了下述现象:斜深50.15m在砂页岩互层内即开始涌水，但水量很小;斜深58.5m，在砂页岩互层内，水量0.1m3/min，水压7.5kg/cm2;斜深68.25m，在砂页岩互层内，水量0.1m3/min，水压8kg/cm2;斜深77.1m，在石英砂岩内，水量0.15m3/min，水压12kg/cm2;斜深116.7m，在页岩内，水量很小，水压22kg/cm2;斜深133.25m，在徐灰内，水量0.2m3/min，水压26.5kg/cm2。
通过连通试验，本区奥灰有向徐灰和徐上砂岩垂直渗透补给的关系，按奥灰实测水位标高+113.12m计，实际水压42.9kg/cm2，表明徐灰与奥灰之间的隔水层在渗流过程中消减水压16.4kg/cm2，徐灰与徐上砂岩之间隔水层消减水压14.5kg/cm2，徐上砂岩顶板消减水压4.5kg/cm2。
这种消减水压的能力在奥灰顶面弱透水的一段中也能表现出来，如西河奎山井北大巷井下供水孔:孔深28.98m，在砂质页岩中涌水20L/min，水压2.5kg/cm2;孔深33.61m，在砂质页岩中涌水20L/min，水压4kg/cm2;孔深74.9m，奥灰顶面以下14.59m涌水61L/min，水压6kg/cm2;孔深111m，奥灰顶面以44.69m水量99L/min，水压14.5kg/cm2;孔深135.5m，奥灰顶面以下75.0m水量851L/min，水压17.5kg/cm2;孔深142.5m，终孔水压18kg/cm2，水位+193m，才真正达到奥灰实际水压，表明奥灰顶面岩层也有消减水压的能力。
又如:西河矿9024防尘孔，孔口标高－127m，从九层煤底板开孔:孔深63.45m，涌水0.13m3/min，水压5kg/cm2;孔深102.58m，奥灰顶面以下6.1m，水量0.102m3/min，水压11kg/cm2;孔深114.68m，奥灰顶面以下18.2m水量0.508m3/min，水压27.5kg/cm2。表明奥灰顶面12.1m实际消减水压16.5kg/cm2，这一情况说明:加强井下实际探查，了解隔水层的阻水性，掌握下伏承压含水层水沿裂隙上升高度和水头消耗情况是防止突水的手段。同时说明井下钻进时，在接近高压含水层前往往有征兆，只要加强观测，对防止井喷，保证安全能起报警作用。
3.3.1.3构造作用
构造对地下水的赋存、运移起着决定性控制作用。是引起直接突水的关键因素，因此研究突水水文地质条件必须充分研究矿井、采区直到工作面的构造展布规律及其对地下水的控制作用。采区和工作面的构造条件要在生产开拓的过程中具体详细观测解决。矿井的构造条件则可依据已有的勘探和生产实际资料作出分析和判断，这对分析采区和工作面的突水水文地质亦有一定的参考作用。
几个重点矿井构造展布规律及其与突水的关系。
双山区，存在两组明显的压性结构面。一是以下河逆掩断层为代表的东西向压性结构面，与其有成生关系的是一组X形断层，走向为NW17°～26°和NE36°。这一组形成较早，曾被南北向和北西向的断层切割位移。二是以白虎山逆断层为代表的近南北向的压性结构面，与其有成生关系的是一组近南北的正断层延伸较远，与其配套的剪切断裂走向为NW62°～78°，NE61°。这些构造在第三应力场中大部有过左旋扭动，倾向南或南西的正断层，这时均为张扭。因此本区北西向和东西向而倾向南或南西的正断层是导水断层，南北向破裂带经过扭动是地下水的集中径流带。
夏庄二井区，3个应力场均有反映。东西向压性结构面以5m逆断层为代表。南北向的压性结构面为白虎山逆断层，其纵张为五龙断层和鹰山断层，决定矿井构造面貌的是左旋应力场，它使五龙断层、鹰山断层发展为压扭性的地堑。东西向的断层被南北向断层左行剪切位移，南北向断层为北西向的断层剪切位移。本区仍然是北西走向倾向南西和东西走向倾向南的断层是导水断层，南北向的破碎带是地下水的径流带。
夏庄一井区，在109、110下山区也有近东西向和近南北向逆掩断层，断距不大。仅1～3m，但本井田发育了一组东西向的地垒和地堑，由东顶山二号断距8～12m断层与109顶盘断距11～13m、150顶盘9m断层组成，反映了第一次南北向压应力场的作用，断距22m的东顶山一号断层则是当时的横张。第三应力场在本区也主要表现了左旋扭动，因此本井田东西向倾向南，南北向倾向西和北西向倾向南西的三组正断层均为张扭，倾向相反者则为压扭，3组张扭断层都是导水断层。
奎山区，3个应力场的具体表现是:南北向压应力产生了断距12m东西向的逆断层，48m断距的辛庄压性破碎带呈舒缓波状，后发展为正断层。近东西向的压应力产生了跃进井东万山逆断层。第三应力场的左旋造成了北西向节理张开而有火成岩脉呈雁行排列出现和东西向断层被南北向和北西向断层切割左行位移。构造的富水和导水性质与夏庄区相同。
龙泉区，南北向压应力在本区表现为3条东西向的舒缓波状的压性破碎面，即南部断距20～27m，中部30～55m，北部15～30m973石门断层。东西向的压应力产生了近南北向973地堑。北北东向的断距22m逆断层是第二次近东西的压应力场的产物。左旋造成了南北向断层为东西向断层所错开，并使东西向和南北向构造裂隙发育为良好的网格状构造体系，其中东西向倾向南，北西向倾向南西的正断层是导水断层。
石谷区，第一应力场主要形成了井田中部走向NE80°断距25～55m的挤压破碎带，破碎宽度达5m多。第二应力场形成了走向NE30°～33°的石谷背向斜和NE20°～30°的断距8m和1.9m的两条逆掩断层。一、二应力场的剪切面形成了一系列复合的北西向断层和岩墙，如910新上山10m正断层、北八门口4～18m正断层，490上山北翼7m正断层和断距0.8～11m北西向的6条岩墙。第三次的扭应力场使本区北西向倾向北东的正断裂为压扭性，倾向相反的为张扭性，并形成了NW30°的舒缓褶皱，如，920上山南翼、930北翼、940北翼沿地层走向的波谷状变化。从井下多次发生底板突水的事实看，井田构造的控水特征仍然是北北东向构造是富水带，北西向构造是导水的。
北大井区，第一应力场在本区主要表现为强烈的横张和纵张。横张形成了走向近南北的王母山———独坡山断层，本井田区内断距190～400m，纵张形成东西向正断层，北西向的剪切面特别发育，形成了13条断层岩墙。近东西向的压应力在本区主要表现为车六井的急倾斜。第三次扭应力作用使本区的构造有的呈张扭，有的呈压扭，其富水和导水情况与石谷区相同。从构造的上述展布特点，可以初步推断王母山———独坡山断层具有划分水文地质单元的意义，断层两盘的水文地质条件可能存在较大差异。东西向和北西向断层是导水断层，必须引起高度警惕。
㈡ 矿井水文地质补充勘探的原则
第15条 矿井水文地质补充勘探的原则是在原勘探资料的基础上进行补充勘探，以查明采区或水平所在水文地质单元的补给边界条件，主要含水层的富水性、水压、断裂构造等，进行水文地质复杂程度的分区、分带，注意对L8至L2之间岩性及奥灰岩性进行了解。
1）矿井应按不同水文地质单元（或水平、地区）建立健全地下水动态观测系统，观测系统的对象以奥灰、二灰、八灰和冲积层等主要含水层为主，布置钻孔应尽可能成组，即在同一地点对奥灰、二灰、八灰和冲积层同时都布置观测钻孔。
2）逐步做到落差大于50m的断层的两盘至少有两个不同含水层的观测孔，以了解两盘含水层的补给关系。
3）开拓延深，开采新煤层，扩大井田范围，专门防治水工程等需要查明水文地质条件。
4）井巷工程穿越断层或富含水层时，应查明穿过地段的断层的导水性和含水层的富水性。
第16条 矿井水文地质补充勘探设计的基本要求：
1）矿井水文地质补充勘探设计，应按规定报批。
2）设计要依据充分、目的明确、工程布置针对性强，要充分利用矿井有利条件，做到井上、井下结合，钻孔施工前要与矿井取得联系，做好钻孔含水层封闭工作，防止发生钻孔突水。
3）水文地质补充勘探完成后，必须在三个月以内提交成果报告或资料。
4）水文地质钻孔和各种试验的施工技术，除按本细则规定有关条文执行外，其他应参照煤炭地质勘探有关规程的规定执行。
㈢ 水文地质特征
区内地表水体不甚发育。地下水受岩性、构造及地形地貌的控制，主要赋存于第四系底部、基岩裂隙和岩溶裂隙之中。可分为第四系松散层孔隙水；石炭－二叠系砂岩裂隙水；太原组石灰岩和奥陶系石灰岩岩溶裂隙水。陕西省煤炭地质局一三一队认为，第四系松散层富水性弱；石炭－二叠系富水性弱—中等，但透水性差；奥灰岩富水性强，透水性强，但极不均一。煤系地层含水量不大。
1.4.1 主采煤层3＃、5＃、11＃顶板含水层富水特征
（1）3＃煤层顶板砂岩含水层
3＃煤层顶板岩性主要为中粒砂岩、细粒砂岩和泥岩及砂质泥岩。中粒砂岩、细粒砂岩为煤层顶板裂隙承压含水层，富水性弱，常由于砂岩和砂质泥岩互层而增强了隔水性，导致岩层透水性差，水位标高在402.05～481.41m之间。钻孔单位涌水量0.00301～0.118L/（s·m），平均0.0452L/（s·m）。渗透系数为0.0042～0.487m/d，平均0.119m/d。泥岩和砂质泥岩中裂隙发育不好，形成隔水层。因此，顶板含水层基本属无水力联系的复合含水层。
（2）5＃煤层顶板砂岩含水层
煤层顶板岩性主要由厚层中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩和中薄层泥岩组成。中细粒砂岩裂隙发育，透水性好，构成裂隙含水层，泥岩为相对隔水层。含水层厚度5～20m。钻孔单位涌水量0.0028～0.000038L/（s·m），平均0.0014L/（s·m），渗透系数0.0023～0.000078m/d。平均0.00115m/d。上述参数均明显低于3＃煤层顶板砂岩含水层。
（3）11＃煤层顶板石灰岩含水层
煤层顶板岩性主要由石灰岩和石英砂岩组成，间夹少量泥质岩石。主要含水层为石灰岩裂隙承压含水层，厚度8～10m，富水性和透水性均较强，钻孔静水位高出地表2.53m。在构造破碎地段或岩溶发育地段可引起突水。
1.5.2 煤系基底奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层富水特征
奥陶系地层是一个由石灰岩、白云岩夹泥灰岩为主组成的复合含水体，在区内具有相对稳定统一的水位（＋380m）。地层总厚410～520m，地下水主要赋存和运移于裂隙岩溶之中，含水性不均一，水力联系复杂，受构造控制作用比较明显。
（1）层段划分与分布特征
区内奥陶系碳酸盐岩由下至上可划分为冶里亮甲山组、马家沟组和峰峰组三组，还可进一步按岩性组合分为八个岩性段（表1.2）。
表1.2 奥陶系地层划分及主要特征表
冶里亮甲山组主要出露于禹门口到盘龙河口一带。马家沟组在全区普遍出露，但盘龙河以北以下马家沟组为主，以南以上马家沟组为主。峰峰组也在全区发育，但因古风化剥蚀程度的差异和构造断失强度不一，在全区赋存程度差别较大，其中在西塬沟以北煤系直接底为峰峰组二段，西啄沟到象山一带峰峰二段基本不复存在，峰峰组第一段也断续存留在局部地段。在象山（特别是英山）以南，据钻孔揭露资料，峰峰组一、二段又普遍发育。总之，奥陶系碳酸盐岩在全区分布规律为：北区和南区居水河以南出露最高层位为峰峰组二段，其中在桑树坪井田厚度＞20m，居水河以南该段厚度逐渐增大，到英山以南厚达近100m。居水河至西塬沟一线峰唯组呈片断分布，厚度一般小于20m，这里由于受断裂切割，煤系多处与上马家沟组相接。
（2）含水层与相对隔水层划分
据已有的水文地质资料分析，本区奥灰水的总体形态是以构造带（断层带、裂隙密集带）为基础的网状水体（井下突水点皆与构造破碎带有关），故层状径流并不是主要形式。但就岩石的充水条件来看，宏观上仍有层状水的特点（仍受区域地层单位制约），其含水层和相对隔水层划分如下：
1）相对强含水层：①峰峰组第二段。岩溶发育、裂隙率高达6.5%。据韩城矿务局记载的突水资料，1976年5月9日，桑树坪矿原一号皮带斜井突水，水量达1530m3/h，造成淹井事故，其突水点即位于峰峰组第二段厚层灰岩中；该矿其他各突水点，也大都位于距奥陶系灰岩顶面较近的部位，大致都相当于峰峰组第二段。②上马家沟组第二段。岩溶发育，裂隙率平均为4.19%。本段地层由于块状和厚层状白云岩居多，在构造变动中极易发生破裂，故溶隙切穿的深度和张开程度都较大。它们可成为贯通和蓄积地下水的有利场所。据韩城矿务局的统计资料，马沟渠矿90%以上的突水点都位于上马家沟组第二段中，最严重的一次淹井事故是1976年8月6日于＋240m石门东掘进头发生的一次突水，最大瞬时突水量达12000m3/h，平均涌水量为5956m3/h。象山矿白云岩与灰岩的互层中，最大涌水量为414m3/h。该段地层中钻孔单位涌水量为3～24L/（s·m），大者达100L/（s·m）。
2）相对较强含水层：下马家沟组第二段。裂隙率为4%，岩溶也较发育，但主要都集中于底部。其余部分虽然裂隙较多，但多细小，并有充填，故从其本身特点来看，较前述两个地层单位充水条件稍差。而韩城象山矿沟外排矸斜井掘进时（1975年10月18日）在本地层中也有突水233m3/h的记录，故本段地层可定为相对较强含水层。
3）相对较弱含水层：下奥陶统的冶里亮甲山组。含硅质较高，胶结紧密，而且所含燧石团块或条带均作似层状分布，不利于沟通各层间的水力联系。测得该组地层的裂隙率为0.15%，足可构成隔水岩段。但在盘龙河沟口可见其所夹的白云岩层中也有长轴1～2m的溶洞。该段地层性脆易裂，尚可发育较大的裂隙密集带，且不能完全排除充水的可能。但目前尚未见到该段地层涌水的可靠记录，故只能分析推断将其划为相对较弱含水层。
4）相对隔水层：峰峰组第一段和上、下马家沟组的第一段都是泥质含量较高的地层单位，就其岩性分析，皆有相对隔水的作用，特别是峰峰组第一段的隔水作用更有其现实意义。据统计，该段的裂隙率相对较小，只有1.2%，而韩城矿务局汇总的资料中也有如下描述：在马沟渠矿＋240m石门突水前，在峰峰组一段中送巷道1672m，仅出现淋水和滴水现象，巷道总涌水量小于96m3/h，故有较强的隔水作用。
（3）破裂构造的导水性
区内破裂构造或构造带主要集中于矿区浅部，大中型断裂在中深部发育较少。虽然这些断层以张扭性为主，野外所见断层带破碎开启也较甚，但长期负责本区地质勘探工作的一三一勘探队认为，大中型断层的导水性差。节理裂隙的发育受层控性明显，虽然局部呈带分布，但垂向导水性不会太强。煤层断裂一般规模较小，垂向贯通性小，据井下揭露资料所见，尽管许多断层都见有淋滴水现象，但水量十分有限，不足以造成涌水或突水现象，对煤层甲烷溶解和逸散作用也不明显。但对与煤系基底奥陶系岩层有连通作用的破裂构造必须引起注意，煤矿掘进至＋380m水平以下时，遇到与该含水层有连通作用的破裂构造时，导水甚至淹井现象多见（参见本节有关部分）。本区中深部煤层赋存标高多在＋380m以下，11＃煤层多位于＋300～＋200m以下，在各煤层特别是11＃煤层中钻进卸压后，如其底板压力不足以抵抗水头压力或底板受破裂构造破坏较甚时，很可能造成淹井事故。煤层甲烷开采时的压裂工艺也更会加剧底板的破坏和固有裂隙的开启导通。这些都会给甲烷开采带来困难。这些问题尚需进一步研究。
综上所述，各煤层顶板及煤系上覆地层的含水层水力联系不密切，对煤层甲烷影响不显著。但奥灰水对煤层甲烷的影响主要在煤矿开采或甲烷开采形成压力释放后可能有明显作用。据构造研究结果看，矿区南部清水伸展性破裂带和中部东泽村伸展性破裂带不同程度切穿煤层，可能对奥灰水导通有一定作用。近东西向、北西向及北东向裂隙发育密集时也会在压力释放后导通奥灰水，因此应对这些构造或构造带给予重视，甲烷开采工程应尽可能避开之。
㈣ 区域地质和水文地质背景
一、气象水文
1.气象
九里山泉域岩溶水系统地处中纬度地带，属大陆季风型温暖带半干旱性气候，四季分明。据焦作气象站1952～2008年降水观测资料（图10-2），57年平均降水量为598.31mm，最大年降水量为1101.7mm（1955年），最小年降水量为243.3mm（1981年）。降水年内分配不均（表10-1，图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月降水总量仅占全年降水量的5%。多年平均蒸发量为1774.2mm，是年降水量的三倍，其中以5月、6月、7月蒸发量最大，三个月蒸发量占全年蒸发量的40%。多年平均气温为13.4℃，相对湿度为70%。最低气温出现在元月份，平均气温为-2.1℃，最高气温出现在6月份，月平均气温为27.0℃。
图10-2 焦作市1952～2008年年降水量柱状图
表10-1 焦作市1952～2008年月均降水量统计表
图10-3 焦作市多年月均降水量柱状图
2.水文
系统内河流有丹河、西石河、山门河、纸坊沟、峪河、新河、大沙河等（图10-1），丹河属黄河水系，其余河流属海河水系。丹河和峪河为常年性河流，其他河流均为季节性河流。
丹河发源于山西省高平县境内，干流长为162km，流域面积为3150km2。在系统内流经寒武-奥陶系灰岩岩溶发育区（图10-1），漏失严重，河水成为九里山泉域岩溶水系统的重要补给源之一。其中后寨至后陈庄段是河水强烈渗漏河段，渗漏量1.284～1.734m3/s。丹河山路平水文站46年（1955～2000年）年均径流量为7.34m3/s，最大径流量为22.00m3/s（1956年），多年趋势变化总体上呈阶段性下降（图10-4）。西石河、山门河、纸坊沟流经灰岩分布区，河流漏失严重，除丰水年有洪水流出山口外，其余时间均无水流，常表现为干谷，河水在距出山口5～10km地段全部漏失补给地下水。
二、地形地貌
焦作市区北部为太行山区，南部为黄河、沁河冲洪积平原。全区地形整体上为西北高、东南低。北部山区地面高程200～1790m，地形陡峭，地面起伏大，河谷深切，岩石裸露，发育地表岩溶景观。市区及市区南部为山前倾斜平原区，地面标高80～200m，地形略向南、南东倾斜，总体由北向南逐渐降低（图10-5）。
在长期内外地质营力的作用下，形成了山地和冲洪积平原两个一级地貌单元。根据地貌成因和形态特征，山地和冲洪积平原可划分为七个二级地貌单元。分述如下：
图10-4 丹河山路平水文站年均流量动态变化曲线图
图10-5 焦作附近地形地貌卫星影像图
1.山地
（1）构造侵蚀中山
分布于市区北部山西境内的晋庙铺、柳树口、夺火一带，山体呈北东向展布，标高为1000～1790m，地形陡峭，沟谷深切，似峰林地貌。山体出露地层主要是元古宇变质岩。
（2）构造溶蚀低山
分布于寨豁、赵庄、西村、黑龙王庙一线以北，地面标高为500～1000m。地形起伏较大，沟谷深切。山体岩层多为寒武-奥陶系灰岩和白云岩，地表岩溶发育，有溶隙、溶沟、溶槽和大型溶洞。
（3）构造剥蚀丘陵
分布于近山前地带，标高为200～500m，山顶呈浑圆状，山坡平缓。地表多出露中奥陶统灰岩和石炭-二叠系砂岩、泥岩。
2.山前倾斜平原
分布于山前一带，由河流冲洪物堆积而成。分坡洪积斜地、冲洪积扇、扇前和扇间洼地、交接洼地等二级地貌单元。
（1）坡洪积斜地
不连续地分布于市区东北部的方庄、薄壁等近山前地带，由重力和坡面水流作用堆积而成，黏土、碎石、卵石等组成的坡积物呈倒石锥状或围绕坡麓堆积构成坡积裙，坡积裙相连组成坡积斜地。
（2）冲洪积扇
在丹河、西石河、山门河、子房沟、翁涧河等河流的出山口处，间歇性暂时洪流堆积作用形成了一系列冲洪积扇。不同时期、不同河流的洪积扇相互重叠或相连，呈带状沿太行山前连成一片。组成物质为粉质黏土、黏土、卵砾石等。
（3）扇前洼地
分布于焦枝铁路线以南至新河间的朱村—于村—墙南—待王一带，为西石河、翁涧河、山门河洪积扇的前缘地带，地形低洼，地面标高95～85m，微向东南倾斜。组成物质以粉质黏土、粉土为主，局部夹有砂层。
（4）交接洼地
分布于新河—大沙河一带，为黄河、沁河的冲积平原与太行山山前冲洪积平原之间的交接洼地，由粉质黏土、粉细砂土组成。地势低洼，地面标高100～90m，微向东南倾斜。
在山前冲洪积平原中上部，分布有十几座煤矿。采煤引起地表下沉变形，地表形成塌陷坑。据调查，焦作矿区有较大的塌陷坑17个，塌陷面积近70km2。
三、地层与构造
1.地层
区域出露的地层有太古宇变质岩、震旦系石英砂岩、寒武系和奥陶系碳酸盐岩，石炭系和二叠系煤系地层、三叠系砂页岩、新近系砂泥岩、第四系松散冲洪积物。由老至新分述如下：
太古宇（Ar）：出露于山区峪河口、薄壁一带，主要岩性为变质程度中等的片麻岩和混合岩，厚度大于1000m。
震旦系（Z）：分布于山区马鞍石水库一带，与下伏太古宁呈角度不整合接触。主要岩性为浅红、紫红色石英砂岩，厚度为100～500m。
寒武系（）：出露于丹河、峪河等深切河谷中，与下伏震旦系地层平行不整合接触。总厚度为300～500m，分下统、中统、上统。下统主要为泥灰岩、泥质灰岩、砖红色页岩和砂岩，中统下部为紫红色页岩、砂岩，中上部为深灰色亮晶灰岩、白云岩，上统是中厚层状白云岩。
奥陶系（O）：山区广泛出露于地表；山前倾斜平原区则隐伏于石炭-二叠系之下，与下伏寒武系呈整合接触。总厚度约500m，分中统、下统。下统出露于深切河谷两岸，岩性为青灰色细晶白云岩和硅质条带或硅质团块白云岩。中统广泛分布于山区，山前倾斜平原区除局部埋藏于新生代地层之下外，大部分埋藏在石炭纪地层之下。是一套碳酸盐岩地层，厚度约400m。岩性主要是黑色、灰色厚层状灰岩、白云质灰岩和泥灰岩。
石炭系（C）：山区零星出露，山前平原区则隐伏于新生代地层之下，是一套由灰岩、泥岩、页岩组成的海陆交互相沉积，含煤数层。厚70～90m。
二叠系（P）：隐伏于山前平原之下。岩性为砂岩、页岩互层，夹可采煤层。厚度为70～120m。
新近系及第四系（R+Q）：据钻孔资料，新近系下部为砾岩、泥岩、砂岩、灰岩互层，上部是黏土、砂砾石互层。第四系（Q）分布于山前冲洪积平原区，由砾石、砂、粉土和粉质黏土组成，沉积物厚度从北向南由薄到厚，颗粒由粗变细。前冲洪积平原上部（近山前）沉积物一般为粉质黏土、砾石层或粗砂层，中部一般为粉质黏土夹粉土或中细砂层，冲洪积平原前缘多为粉质黏土夹粉土或砂透镜体。第四系地层厚度在近山前地带小于50m；老城区为75～150m，局部大于200m；焦枝铁路线南至新河一带，厚为175～200m；新河至大砂河一带，厚度大于500m。
区内分布的地层由于岩性不同，构成不同的含水介质。广泛分布的寒武系和奥陶系灰岩和白云岩岩溶裂隙普遍发育，富水性和导水性强，并具有很好的补给条件，富含岩溶水。石炭系薄层灰岩，岩溶裂隙较为发育，也富含有岩溶水。分布于山前冲洪积平原第四系冲洪积物，厚度大，砂卵石及砂层孔隙中，富含孔隙水。
2.构造
本区基岩断裂构造发育（图10-6），多为高角度正断层。受断裂构造控制，区内地层形成自北向南呈阶梯状下降的单斜式构造形式，地层倾角为10°20°。现将对岩溶水赋存和运动有控制意义的断层简要描述如下：
图10-6 焦作矿区基岩断裂构造纲要图
（1）凤凰岭断层
西起石河附近，与盘古寺断裂相交，向东经丹河、瓦窑沟，在焦作北部沿太行山山前展布，地貌上构成山区与平原的分界线。过焦作后隐伏于新生界地层之下，向东经过王母泉、葛庄，至狮子营一带尖灭，全长约70km。断层呈东西向走向，倾向南，倾角70°～80°，为一正断层，落差200～300m。该断层带岩石破碎，溶蚀裂隙、溶孔、溶洞发育，多个钻孔揭露过直径大于1m的溶洞，导水性和富水性强，是岩溶地下水的强径流带和富集带，大型集中水源地（岗庄、阎河等）和大型岩溶水充水矿井（演马矿）均处在该断层带上，各水源地取水量很大，但水位降深和影响范围有限。
（2）朱村断层
朱村断层是盘古寺-新乡断裂的一部分，盘古寺-新乡断裂西起济源克井盆地以西山区，向东经盘古寺、河口、柏山、焦作，直至新乡市南部的郎公庙，全长约160km。呈东西走向，倾向南，倾角为60°～70°，北盘上升，南盘下降，落差700～1000m。断层北盘的奥陶系灰岩岩溶含水层与南盘的石炭-二叠煤系地层及新生界相对阻水的地层对接，使岩溶水不能越过断层向南运动，从而构成岩溶水的南部边界。断层带岩石破碎，岩溶发育，断层北侧构造发育，断层北侧的岩溶水沿王封断层、39号井断层等北东向导水断层渗流。
（3）九里山断层
断层走向北东，倾向北西，倾角70°。南东盘上升，北西盘下降，落差300～1000m。南东盘局部地段中奥陶统灰岩出露地表，形成北东向展布的残丘，残丘附近中奥陶统灰岩与第四系接触，形成“天窗”。天然状态下，残丘附近曾是区域岩溶地下水的排泄中心，岩溶水以泉群形式集中排泄，20世纪50年代泉流量达12m3/s。该断层也是岩溶水强径流带，演马庄矿特大型突水后，岩溶水降落漏斗也沿断层扩展。九里山断层西南端与朱村断层交会，中间被凤凰岭断层截断，东北端与方庄断层交会，起到沟通各大断层的作用。
（4）赵庄断层
西南端与凤凰岭断层斜接，向北东方向延伸，全长35km，倾向南东，倾角65°～85°。赵庄断层和朱岭断层组成地垒构造，对焦作地区岩溶水渗流和分布有一定控制作用。断层两侧岩溶水水位及动态明显不同，北侧为高水位区，断层南侧为低水位区，断层两侧水位相差70～240m。
（5）方庄断层
呈北西走向，落差200m，倾向南西，西盘上升，东盘下降。导水性强，该断层西侧的冯营矿多次突水，最大突水量85m3/min。该断层与NE向展布的九里山断层相交，来自北部山区的岩溶水沿方庄断层带和九里山断层带运动、富集。
此外，规模比较大的断层还有39号井断层、3号井断层、天官区断层、王封断层、冯封断层、黑龙王庙断层、马坊泉断层等。
四、岩溶水系统边界
九里山泉域岩溶水系统周边均为隔水边界，岩溶水有独立的补给、径流和排泄条件。
1.西北边界
系统西北为丹河小山字形东南弧压性断层组成的隔水边界，总体上北盘上升、南盘下降。在晋城孔庄白水河河谷地面可见主断层带内发育约80cm厚断层糜棱岩，区域水文地质条件分析认为，水掌泉、三姑泉的出流与该断层带的相对阻水有关。
2.北部边界
大致在丹河一带，山字形构造前弧断层压性特征减弱，在青天河水库坝址北约2km可见断层面，断层带内发育角砾岩（未见糜棱岩），南北两侧地层断距约70m。经岩溶所水均衡计算，认为该段为潜流边界，三姑泉域岩溶水系统内约有0.944m3/s潜流量补给九里山泉域岩溶水系统（崔光中，1993）。
3.东北边界
东北边界分别与三姑泉域岩溶水系统和太行山散流区岩溶水系统为地下分水岭边界。
4.东部、南部边界
南部为朱村断层，该断层使中奥陶统含水层与南盘的石炭-二叠煤系地层及新生界相对阻水的地层对接，构成隔水边界；东南部为碳酸盐岩含水层埋深大致在1000m的滞流性隔水边界。
5.西部边界
西部边界从山西晋城冶底—追山并沿逍遥河西侧分水岭构成与延河泉域岩溶水系统的地下水分水岭或隔水边界。
五、区域水文地质概况
1.含水岩组及富水性
依据含水介质特征、储水条件、地层时代和含水层富水性，区内含水层可以划分为寒武-奥陶系灰岩岩溶含水层组、石炭系薄层灰岩岩溶含水层和第四系松散沉积物孔隙含水层组。
（1）寒武系—奥陶系灰岩岩溶含水层组
由寒武系中上统和奥陶系中统灰岩组成，总厚约900m，岩溶裂隙发育，富含裂隙岩溶水，是本区最富水的含水层。在北部山区呈裸露型，山前倾斜平原区掩埋于石炭-二叠系和新生界地层之下，呈埋藏型。岩溶发育程度和含水层富水性与岩性、构造、地形、地貌等条件有关。主干断层带包括凤凰岭断层带、朱村断层带、九里山断层带和方庄断层带，是岩溶水地下强径流带和富集带，岩石破碎，岩溶发育，裂隙密集，岩溶水沿这些主干断层富集、运动。凤凰岭断层带上分布着数个大型水源地，其中岗庄水源地，在0.05km2的面积上布有50个水源井，取水量超过2.5m3/s。凤凰岭断层与朱村断层之间的焦西矿区、凤凰岭断层与九里山断层相交构成的三角形区域即演马、韩王、九里山、古汉山一带，在东西向主干构造控制下，北东向断裂构造发育，造成岩石破碎，岩溶发育，并发育有溶洞，富水性强，是岩溶水极强富水区，单井出水量大于3000m3/d，最大可达16000m3/d。处于该区的演马矿、九里山矿、王封矿等均是大型岩溶水充水煤矿，常发生大型岩溶水突水事故。方庄断层和九里山断层相会处附近即冯营、方庄一带，奥陶系灰岩埋深小于500m，岩溶也比较发育，单井出水量1000～3000m3/d，是岩溶水强富水区。朱村断层以南和焦东矿区的凤凰岭断层以南，奥陶系灰岩岩溶含水层深埋于新生界和石炭-二叠系之下，岩溶发育微弱，富水性较差，是弱富水区。北部山区奥陶系灰岩出露于地表，岩溶水水位埋深大，岩溶发育程度和富水性具有不均匀性。
（2）石炭系薄层灰岩岩溶含水层
石炭系有5～11层薄层灰岩，其中第八层灰岩和第二层灰岩分布比较稳定，八灰厚为6～10m，二灰厚为4～21m，含裂隙岩溶水。八灰和二灰位于二煤（大煤）之下，距煤层分别是20m和70m，是煤层底板充水含水层。石炭系薄层灰岩地表露头面积有限，直接接受大气降水入渗补给量非常有限，仅在近山前及九里山、演马矿一带覆盖在第四系松散沉积物地层之下，接受上部第四系孔隙水的越流补给。石炭系薄层灰岩虽然是煤层底板直接充水层，岩溶承压水影响采掘生产，但没有供水意义。
（3）第四系松散沉积物孔隙水含水层组
孔隙水主要分布于山前冲洪积平原区，含水层主要为砂砾石层或中细砂层，顶板埋深为20～40m。受地质、地貌和水文地质条件的影响，含水层富水性空间分布不均。丹河、西石河、山门河等河流的冲洪积扇上，含水层为砂砾石层，厚度20～50m，导水性和渗透性强，补给、径流条件好，富水性最强。单井出水量扇体上部大于5000m3/d，扇体中下部为3000～5000m3/d。冲洪积平原的扇间区，含水层为砂、砂砾石，连续性差，常呈透镜体状，厚度为10～15m，导水性和渗透性较差，单井出水量为1000～3000m3/d。山前倾斜平原的前缘区，含水层为上更新统中细砂，单层厚度为5～10m，富水性差，单井出水量为500～1000m3/d。坡洪积裙区，含水层是坡洪积的碎石和砾石，连续性差，多呈透镜状，局部半胶结，富水性最差，单井出水量小于500m3/d。
2.岩溶水的补给、径流和排泄
太行山区是岩溶水系统补给区，地表分布有大面积的寒武-奥陶系碳酸盐岩，地表及地下岩溶发育，且山区大气降水丰富，大气降水入渗是焦作岩溶水重要补给来源之一。丹河常年有水，流经碳酸盐岩分布区，河床渗漏严重，多年平均渗漏量为1.60m3/s。西石河、山门河和子房沟河流属季节性河流，流经碳酸盐岩分布区，河水在距出山口5～10km地段全部漏失补给地下水。地表水沿河渗漏也是焦作岩溶水的重要补给来源之一。
岩溶水在焦作北部、西部接受补给后，由北向南、东南以水平径流方式向山前排泄区径流汇集。赵庄断层是一条弱导水断层（图10-6），岩溶水以赵庄断层为界形成水位差达70～200m的地下水力陡坎。断层北为高水位区，岩溶水水位与大气降水同步变化，丰水期（9～10月）水位200～240m，枯水期（3～5月）水位130～160m，水位升降幅度与降水量大小成正比。断层南是低水位区，岩溶水水位低，水位受大气降水和人工开采的双重影响，年水位变幅小，丰水期水位为80～85m，枯水期水位为70～80m，年水位变幅为10～12m。近山前地带断裂构造和岩溶发育，岩溶水循环径流交替条件好，是岩溶水排泄-径流区，也是岩溶水富集区。来自北部山区的岩溶水，沿凤凰岭断层、九里山断层、朱村断层等强导水断裂运动、富集，并形成岩溶水强径流带。区内分支断裂及小构造也十分发育，相互连通，从而使山前地区的岩溶水具有统一流场和相似的水位动态。
天然条件下，岩溶水在九里山残丘南侧的奥灰“天窗”处以泉群形式集中排泄，在目前开采条件下，人工开采和矿井排水是岩溶水的主要排泄方式。
3.孔隙水的补给、径流与排泄
孔隙水补给来源有大气降水入渗、农田灌溉水回渗和地下水侧向径流补给等。山前冲洪积平原区地势比较平坦，地表植被发育，包气带岩性多为砾石、砂及粉质黏土等，渗透性好，大气降水容易下渗补给孔隙地下水。因此，大气降水入渗是孔隙水的重要补给来源之一。市区西部和市区东部农业区多用矿井排水灌溉农田，焦作南部农业区多采用城市污水灌溉农田，矿井水和污水沿渠道渗漏、农田灌溉水回渗也是孔隙水的重要补给方式。人工开采、矿井排水和地下蒸发是孔隙水的主要排泄方式。此外，在灵泉碑和小张庄，孔隙水还以泉和自流井形式向外排泄。
天然条件下，孔隙水自冲洪积扇上部向扇前缘径流，径流方向与地形坡降方向基本一致。在目前开采条件下，受煤矿排水和人工开采影响，孔隙水径流状态发生了变化，孔隙水分布区出现了水位深埋、含水层疏干区，水位降落漏斗区和水位稳定区。近山前地带，因煤矿长期排水和人工开采，水位大幅度下降，水位埋深为30～60m，含水层处于疏干—半疏干状态。老城区南部因集中开采已形成孔隙水水位下降漏斗，漏斗附近孔隙水由漏斗边缘向中心运动。丰收路以南孔隙水，补给与排泄处于平衡状态，水位稳定，地下水自西北向东南运动。
4.孔隙水与岩溶水水力联系
孔隙水与岩溶水属于两个不相同的含水层系统，各自有相对独立的补给、径流和排泄条件。孔隙水主要分布于山前冲洪积平原的第四系冲洪积物中，含水空间是孔隙；岩溶水主要分布于奥陶系灰岩中，含水空间是裂隙岩溶。岩溶水补给区在北部山区，属于远源补给，大气降水入渗和山区河流渗漏是岩溶水的补给来源。山前倾斜平原区是岩溶水集中排泄区，人工开采和矿井排水是岩溶水的主要排泄方式。孔隙水的补给来源包括大气降水入渗、农田灌溉水回渗、河流和沟渠地表水沿河渗漏等，补给区范围与其分布范围一致，属于近源补给。排泄方式为人工开采、蒸发、泉排泄及地下径流等。在山前冲洪积平原上，第四系冲洪积物孔隙水含水层分布在浅部，奥灰岩溶水含水层埋藏于石炭-二叠煤系地层之下，奥灰含水层之上有350～400m厚的石炭-二叠系砂岩、泥岩隔水层，奥灰岩溶水与浅层孔隙水一般无直接水力联系。
在九里山—演马矿一带，由于九里山断层北西盘下降，南东盘上升，使石炭系、奥陶系灰岩覆盖在第四系松散地层之下，局部区域中奥陶灰岩出露地表，形成“天窗”（图10-7），使奥灰水、孔隙水和薄层灰岩岩溶水相互间发生水力联系。20世纪60年代之前岩溶水水位高于孔隙水水位，岩溶水在此直接出露成泉。目前，孔隙水水位高于奥灰岩溶水水位，孔隙水补给岩溶水。石炭系薄层灰岩在松散沉积物分布区有条带状露头，孔隙水水位高于薄层灰岩岩溶水水位，孔隙水越流太灰岩溶水，顺地层倾向流入九里山矿和演马矿井田，以矿井排水形式排出地表。矿井水主要来源于太灰和奥灰岩溶水，矿井长期排水不仅造成岩溶水水位下降，也使九里山、演马矿附近的孔隙水水位下降，并形成水位降落漏斗。因此，在九里山—演马矿一带，岩溶水和孔隙水有一定水力联系。
图10-7 焦作九里山奥灰与第四系冲洪积层“天窗”式接触剖面示意图
六、岩溶水水位及动态
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，自1952年至1993年上半年，水位呈台阶状下降，大致可划分5个阶梯；1994～2008年的水位动态主要表现为动态性的波动（图10-8）。
图10-8 焦作矿区历年岩溶水水位动态曲线
第一阶梯：1952～1964年，年均降水量734.3mm，岩溶水开采量小于1.50m3/s，水位标高在100～110m间波动，最高达到119m，高出九里山泉群排泄极限标高（95m），岩溶水在九里山奥灰露头周围以泉群形式排泄。泉水最大流量达到12m3/s。
第二阶梯：1965～1970年，年均降水量512.4mm，降水量减少，矿井排水和自备井开采量增大到4.42m3/s，岩溶水水位在100～102m之间波动，略高于九里山泉口标高，泉水流量减小。
第三阶梯：1971～1976年，年均降水量602.4mm，岩溶水开采量和矿井排水量增加到6.58m3/s，水位标高在90～100m之间波动。此间，九里山泉群开始出现断流，并开始形成水位下降漏斗。
第四阶梯：1977～1985年，年均降水量546.9mm，岩溶水开采量增至10.1m3/s，其中矿井排水量为8.7m3/s，水位降至80～90m，低于九里山泉口标高，泉水完全断流。1980年9月焦作电厂岗庄水源地建成使用，开采量达到0.7m3/s。焦作第四水厂于1982年投入使用，开采量0.3m3/s。因集中开采岩溶水，出现了以岗庄水源地为中心的水位降落漏斗。
第五阶梯：1986～1993年，年均降水量561.0mm，开采量达到达到峰值10.3m3/s，水位在70～90m之间波动。
1994年以来，王封矿、焦西矿和焦东矿相继被关闭，矿井排水量出现了逐年递减的变化。近年来，工作面煤层底板含水层注浆改造技术在焦作煤矿得到普遍应用，矿井排水量减小，但城市供水开采岩溶水量逐步增加，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8.5～9.5m3/s之间，岩溶水水位在70～90m之间波动。此间，1996年和2003年降水量较大，分别达到746.8mm和859.0mm，当年岩溶水水位最高回升至95m，接近岩溶泉水排泄标高。
七、岩溶水水化学特征
本区岩溶水属于大气降水、地表水溶滤-入渗型，其化学成分是水-岩相互作用的结果。太行山山区分布有大面积的碳酸盐岩地层，岩石化学成分主要是CaO和MgO，在水和水中CO2共同作用下，碳酸盐岩中的碳酸钙、碳酸镁等被溶于水中，从而使岩溶水以、Ca2+、Mg2+等离子为主，水化学类型以-Ca2+·Mg2+型为主。
东部山区岩溶水水化学形成环境和西部山区略有不同。在西部山区，奥陶系碳酸盐岩地层之上覆盖有富含硫化物的石炭-二叠煤系地层，大气降水的淋滤作用将煤系地层中的硫化物溶于水中，随入渗水流进入到岩溶水中，致使岩溶水含量较高，水化学类型演变为·-Ca2+·Mg2+型。这种类型岩溶水分布于寨豁—西张庄—李封以南、焦作电厂以西，水中化学成分以、、Ca2+、Mg2+为主，固化物、总硬度和各种离子含量，特别是含量均明显高于东部。东部山区，奥陶系—寒武系碳酸盐岩地层上基本没有煤系地层覆盖，大气降水、地表水通过岩溶裂隙补给岩溶水，水中含量不及西部地区，水化学成分主要是、Ca2+、Mg2+，水化学类型一般为-Ca2+·Mg2+型。
八、地下水资源概况及开采利用现状
1.地下水资源概况
焦作的地下水资源由岩溶水和孔隙水组成，以岩溶水资源为主。据河南省第一水文地质工程地质大队“河南省焦作市东小庄水源地水文地质勘查报告”（1989年），焦作地区地下水天然资源总量为10.758m3/s，其中岩溶水为8.09m3/s，相当于25512.6万m3/a；孔隙水为2.668m3/s，相当于8413.80万m3/a。
2.地下水资源开采利用现状
焦作市开发利用地下水的形式有：供水总公司大型水源地集中开采、厂矿自备水源地（水源井）集中或分散开采、矿井排水和郊区农业分散开采四种（表10-2）。
表10-2 焦作市规划区2008年地下水开采现状统计表 单位：万m3/a
焦作市供水公司现有水厂六座（第三水厂于2001年4月停产），以开采岩溶水为主，并利用少量群英水库地表水，其中以第七水厂（东小庄水源地）和第二水厂（周庄水源地）开采规模较大。2008年供水公司开采岩溶水4348万m3。
焦作城区共有厂矿自备水源井224眼，其中岩溶水开采井96眼，孔隙水开采井128眼。岩溶水的开采主要集中在焦作电厂（岗庄水源地46眼井）、爱依斯万方电厂（待王水源地14眼井）、化工三厂（6眼井）、热电厂（4眼井）、中州铝厂（14眼井）和化工总厂等企业，孔隙水的开采主要集中在造纸厂、平光厂、中州机械厂、化工一厂、轮胎厂和化工二厂等企业。2008年自备井开采地下水4403万m3，其中开采岩溶水3533万m3，开采孔隙水870万m3。
焦作矿区现有大型煤矿9座，主要分布在焦东矿区，2008年矿井排水总量为5.97m3/s，相当于18827万m3/a，扣除20%的重复排水量，实际抽排地下水15062万m3/a，其中岩溶水为12050万m3/a，孔隙水3012万m3/a。
近郊农村农民生活用水、农田灌溉用水和乡镇企业生产用水开采孔隙水约为4600万m3/a。
岩溶水开采量为19931万m3/a，低于岩溶水天然资源量；孔隙水开采量为8482万m3/a，略高于孔隙水天然资源量。岩溶水尚有一定开发潜力，而孔隙水则处于超采状态。
㈤ 水化学方法分析水文地质条件
2.4.4.1 奥陶系灰岩水
矿区奥灰地下水补给来源为大气降水，其次为南洺河地表水，灰岩裸露补给区HCO3－、Ca2＋与Mg2＋质量浓度小，呈现地表水水质，如矿区西万年以西、西南部南洺河灰岩裸露地段，且受季节性变化较明显。本区奥灰水处于氧化的地化环境，故水中NH4＋质量浓度甚微；NO3－质量浓度较高，因环境及污染问题日益严重，近年来有上升的趋势（8～30mg/L），而反映还原环境的NO－2基本不存在，全部小于0.01mg/L。奥灰受闪长岩侵蚀接触带生成铁矿，FeS2在氧化环境下生成SO2－4，故本区奥灰水的SO2－4质量浓度较高。
图2.24 各主要离子的形成框图Fig.2.24 The formation map of the major ion
矿区奥灰水径流条件较好，矿区奥陶系灰岩水总硬度一般为16～19德度，pH为7.4～8.1，奥陶系灰岩水的HCO－3、Ca2＋与Mg2＋分别为：HCO－3质量浓度范围为204～283mg/mL；Ca2＋质量浓度范围为83～99mg/mL，径流条件较好的地方偏低，如矿区南部及中部，尤其是矿区西南部，多80～90mg/mL，呈现浅部地下水的性质，矿化度及硬度较低，无负硬度出现；径流条件较差的地方偏高，如矿区北部，可达到100mg/mL以上，呈现深部地下水的性质；SO2－4质量浓度为76～116mg/mL，自西向东自南向北呈现逐渐上升的趋势；Ca2＋与Mg2＋质量浓度比值为3.0～5.0，自西向东自从南向北亦有上升趋势，均与该区地下水流向相符。由此可见，奥陶系石灰岩在井田西北部万年村以西接受大气降水和山区地表径流的补给，渗入地下后沿地势顺地层倾向由西向东径流，遇石炭纪—二叠纪地层阻挡后由南向北运动，于北部百泉泉域排泄。南洺河上游（磁山铁道桥以南），河床砂砾石直接覆盖在奥陶系石灰岩之上，雨季南洺河河水渗漏补给水，而后沿南洺河河谷向北运动。
天然条件下井田地下水通过南洺河河谷向北部百泉排泄。目前排泄方式主要为煤矿排水、周围铁矿疏排水、水源地供水和工农业开采等。
本区奥灰水耗氧量甚低，多在0.5mg/L以下，奥灰吃水孔因保持较好的排泄条件，耗氧量几乎为0。由于奥灰地层中存在极少的岩盐（NaCl），奥灰水中含有的Na＋、Cl－的含量很少，K＋＋Na＋质量浓度为10～25mg/L，Cl－质量浓度为17～35mg/L。本区奥灰水为HCO3SO4－CaMg型岩溶地下水。矿化度为364～446mg/L，水中阳离子以Ca2＋、Mg2＋为主，含量分别为62.87％～63.86％和25.87％～26.30％；阴离子以HCO－3为主，含量为250.0～255.6mg/L。其库尔洛夫表达式为：
煤矿底板突水
式中：M为矿化度；T为水温。
本区地下水已达饮用天然矿泉水国家标准，属含Sr的低矿化度中性矿泉水。
2.4.4.2 石炭纪—二叠纪薄层灰岩水
根据水化学分析资料，可将本区大青灰岩水分为HCO3SO4－CaNa型和HCO3SO4－CaMg型两种类型；前者是原始的大青水，后者是通过断裂构造接受奥灰水大量补给后的大青水。
（1）HCO3SO4－CaNa型大青灰岩水：在未受奥灰水扰动时，本区大青灰岩地下水为HCO3SO4－CaNa型，其形成原因是：地下水循环条件较差，进入含水层的地下水难于得到充沛的补给，水中CO2极少或无CO2存在，难以构成碳酸盐的侵蚀性酸性溶滤，当围岩中含有Na2CO3、Na2SiO3等碱性物质时，水中可能出现OH－，并使pH＞8，促使Ca2＋、Mg2＋等迅速沉淀，并使Na＋大量集聚，水型演变为HCO3SO4－CaNa型。
HCO3SO4－CaNa型大青水的主要特征为：较高的pH（7.7～8.8），较高的Na＋（Na＋＋K＋可达50～283mg/L）和HCO－3（280～602mg/L），较高的矿化度（＞600mg/L），一般不含或含有极微量的NO－3。
（2）HCO3SO4－CaMg型大青灰岩水：本区在大青灰岩水与奥灰水有密切水力联系的地段，当奥灰水经断裂构造补给本含水层且经过长期水循环、交替更换之后，大青灰岩地下水的水化学组成将演变为奥灰水的水质类型，即奥灰水所具有的HCO3SO4－CaMg水型。视混合交替程度不同，这种大青灰岩水有时可保存HCO3SO4－CaNa型水的一些痕迹，如pH及NH＋4质量浓度微有上升，CO2、SiO2质量浓度有较大的变化，出现微弱负硬度，Na＋含量较奥灰水（10～25mg/L）偏高。NO－3出现并有较高的质量浓度，是大青灰岩水受奥灰水影响，从还原环境转向氧化环境的重要标志。完全接受奥灰水补给以致混合交替程度很高的大青灰岩水，其水化学组成将完全等同于奥灰水。从水化学变化的概念上来讲，这时“大青灰岩”水已不复存在，奥灰水已完全充储大青灰岩地层，因此奥灰水对它的补给关系十分明确。
大青灰岩含水层主要补给来源为大气降水及奥陶系灰岩水。大气降水补给途径为基岩裸露区直接入渗和南洺河的渗漏补给。奥灰水主要通过大的构造发育地带补给大青灰岩含水层，奥陶系灰岩与大青灰岩含水层间距约30m，本区断距大于30m的断层有29条，在这些区域均有奥灰水补给大青灰岩水的可能，故大青灰岩水的水化学组分受构造控制明显，水力联系程度具有明显的地区差异性。通过水化学组分背景值可见，大青灰岩含水层水样，部分已受到煤系地层水污染，部分与奥灰水特征值接近，如：D17大青观测孔。大青灰岩水化学异常点的分布受构造控制较明显，构造发育地带已接受奥灰水补给；通过大青灰岩水化学组分构成变化可见，在构造发育地带，两含水层联系密切，为矿井突水灾害的主要水源，其主体水型具奥陶系灰岩水特征明显，可见本层已接受奥陶系灰岩水补给，如万87及万5孔处有F3、F5号断层（断距均大于30m）发育，此处大青灰岩含水层水化学主体水型为HCO3SO4－CaMg，且两个含水层水位保持一致。
大青灰岩水的水化学组分受径流条件控制明显，水化学组分构成中SO2－4＋Cl－毫克当量百分含量呈有规律的增高，自西向东自南向北，SO2－4＋Cl－百分含量逐步增高，从52％到73％；12个大青水样中，K＋＋Na＋含量有两个水点超过其背景上限值，估计与煤系地层水污染有关；HCO－3仅一个水点略高于其背景上限值，为602.44mg/L，Ca2＋、Mg2＋含量较稳定，均无超过其背景上限值，大青灰岩水样部分与奥灰水特征值接近，如：D17大青观测孔，此大青灰岩水位于构造发育地带，大于30m断层两条，受构造控制较明显；Cl－有一个水点超过其背景上限值，SO2－4有一个水点高于其背景上限值，均为矿区北部水点，受地下水径流条件控制明显。说明了该区地下水径流方向是自西向东自南向北径流。目前大青灰岩水排泄途径主要为人为排泄。
伏青野青灰岩水具有与大青同样的特征，在原始水型的基础上存在HCO3SO4—CaMg水型，且受断裂构造或人为影响，其与奥灰水的联系程度具有较大的地区差异性。石炭二叠系薄层灰岩水矿化度、硬度、Ca＋、NO－3质量浓度有一定的变化，与奥灰水差异有大有小，这说明受断裂构造或人为影响，奥灰水与薄层灰岩水的水力联系程度有较大的地区差异。
2.4.4.3 涌水水源、通道分析
根据万年矿各含水层水化学组分的构成及水化学组分背景值，我们可以发现，各含水层水pH、总矿化度、7种主要离子（K＋＋Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、SO42－、HCO3－）的变化特征具有较明显的差别，这是由于各含水层水形成的地质环境和运、储等过程的不同，导致不同含水层中的地下水形成了与众不同的水化学特征。我们在对涌水点的地质及水文地质半经验型判别的基础上，对水质进行分析，与前面得出的各含水层水化学组分构成及背景值进行对比，看符合哪个含水层水的特征，可以相应的得到该涌水点的涌水水源。
本区构造发育，涌水通道最主要的为断层，断层是本区沟通上、下含水层及煤层涌水的主要通道，本区落差大于100m以上的断层有11条，落差30m以上断层有18条。落差100m以上断层使石炭纪—二叠纪地层与奥陶系石灰岩接触，落差30m以上断层可使煤层与下部含水层靠近甚至接触。根据万年矿突水资料统计，断层引起突水事故达12次（占48％），断层引起突水往往是使煤层工作面与单一或多个含水层沟通，涌水的水化学特征就具有了单一含水层或混合水的特征，断层尤其是奥灰补给其他含水层的主要通道，若为奥灰补给则水化学类型则为HCO3SO4－CaMg型水。基岩风化裂隙带其接受大气降水补给，主要通过中上部地段导水和充水，通过大的构造裂隙向深部径流，经风化围岩裂隙溶滤，具有围岩化学成分特征，矿化度往往较高，遇裂隙导致突水3次（占12％）。塌陷和扒裂可使得汛期河水通过卵石层沿扒缝可充入矿井，其水化学成分具有浅部潜水或地表水的水化学特征。