与采煤相关的岩溶水环境问题 岩溶水环境问题成因的分区概述
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9.2m3/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5～6m3/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
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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m2。矿区现有采空沉陷面积达到70km2。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70.2km2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、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1.2～1.5km2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，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3m3/s增加至9.2m3/s，1978～1986年为峰值期，矿井排水量在8.2～9.2m3/s区间波动。1986～2003年为下降期，从峰值逐渐降低至4.5m3/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5.97m3/s，排水强度较大的矿井有6座，演马矿年均排水量1.27m3/s、中马矿年均排水量1.04m3/s、九里山矿年均排水量0.83m3/s、朱村矿年均排水量0.68m3/s、方庄矿年均排水量0.67m3/s、古汉山矿年均排水量0.60m3/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10m3/t，1960年后阶梯状上升，至1984年达到73.65m3/t，此后逐步下降，2008年达到30.58m3/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10.76m3/s，其中岩溶水为8.09m3/s，孔隙水为2.668m3/s。1978～1986年矿井最大排水量为9.2m3/s，扣除22%重复排水量，在峰值期实际排水量最大为8m3/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5.97m3/s计算，扣除重复排水量后，实际排水量是5.25m3/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100km2，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以上，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10m3/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8.5～9.5m3/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以上，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·-Ca2+·Mg2+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-Ca2+·Mg2+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+、Ca2+、Mg2+、、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
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表10-6 演马矿和鑫珠春矿矿井水水质分析及评价结果
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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，·-Ca2+·Mg2+型或-Ca2+·Mg2+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SiO2和Al203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、SO2、CO、CO2、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SO2气体，遇水形成H2SO4，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m2，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，SiO2相对含量为50.09%～58.21%，Al2O3相对含量为15.7%～28.11%、Fe2O3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+、Ca2+、Mg2+、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70km2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1.2～1.5km2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。
主要岩溶水环境问题~
一、泉水流量衰减
娘子关泉作为我国北方最大的岩溶泉，与其他泉水一样，流量长期面临衰减问题。自20世纪60年代以来，娘子关泉流量动态虽然受降水量波动的影响，有一定的起伏，但总体上处于趋势性下降状态（图8-8；表8-1），年流量衰减速率为0.1693m3/s。21世纪以来，泉流平均流量6.452m3/s，仅为20世纪80年代前平均流量的51%。
图8-8 娘子关泉水流量动态曲线图
表8-1 不同阶段娘子关泉水流量统计表 单位：m3/s
二、区域水位的持续下降
1.岩溶地下水水位变化
伴随着泉水流量衰减，区域岩溶水位也一直在缓慢下降状态，表8-2是部分钻孔水位在20世纪70～80年代与90年代比较结果，最大年平均下降3.0m以上。岩溶地下水位的年际变化与所处位置有关（图8-9），排泄区岩溶水稳定；补给区岩溶水位年际变幅最大；补给径流区岩溶水位有明显的周期变化，年变幅一般6～10m；滞流区（或覆盖岩溶区）年变幅小，一般在0.5～3m。
表8-2 娘子关泉域奥陶系岩溶地下水位降幅对比表
2.岩溶地下水流场变化
根据娘子关泉域岩溶地下水1982年、1994年、1995年（丰水、枯水期）水位变化，在补给区和排泄区岩溶地下水等水位线的疏密程度和形态特征变化不大，但在汇流区则变化剧烈。以汇流区410m等水位线所圈闭的面积来衡量，1994年10月较1982年5月扩大了270km2，到1995年5月又较1994年10月扩大了50.8km2。2004年6月的枯水季节，对地下水位统测结果表明，410m线的圈闭面积为689.69km2，较1982年5月的圈闭面积扩大了297.49km2。而与1995年5月比较，410m等水位线圈闭面积有所缩小的原因是2003年降水量偏大的结果（表5-3；图5-8）。
三、岩溶水水质恶化
泉域岩溶地下水水质不断恶化也是本区面临的岩溶环境水文地质问题。以1979年未受污染或仅受轻微污染区的水质资料，采用平均值加标准偏差的方法来确定地下水环境背景值，采用综合指数法：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
当I≤1时，令I=0。
图8-9 不同水动力区岩溶水位变化特征图
式中：Pi为综合污染指数；I为单项污染指数；Ci为某指标的实测浓度；
COi是某指标的背景浓度；n为参评的组分数目。
对2004年阳泉市岩溶水污染程度评价结果表明，重度污染（Pi=10～20）和严重污染（Pi＞20）的面积达到576km2和173km2，较1989年评价的面积分别增加了122.7km2和8.6km2，其分布范围集中在盂县-阳泉-平定-娘子关泉水的三角地带（图6-24），这一带也是娘子关泉域岩溶水的汇流-排泄区。
娘子关泉水（图5-17）和系统内钻孔岩溶水（图8-10，1986年以来的545个分析样品）年均水化学含量动态曲线，各组分均呈现增加的趋势。
图8-10 娘子关泉域岩溶水钻孔水化学年平均含量动态曲线
采用综合评分方法和模糊数学方法对泉域岩溶水水质进行评价，结果表明（表8-3），补给区为1类、2类水，径流-汇流区个别为2类水，多数为3类、4类水，部分达到5类水，排泄区多为3类、4类水。补给区基本没有超标项；径流-汇流区主要超标项为HB、TDS、，部分与河流密切相关的样品中有NO2-N、NH4-N超标；排泄区的超标项则主要为HB、挥发性酚类。
四、泉域岩溶环境水文地质问题成因概述
从整体看，娘子关泉域岩溶水系统是一个“自产自流”型系统。岩溶水作为系统内最底层水资源，是系统内各类水资源要素的综合汇集体，而娘子关泉水则是岩溶水最集中排泄点，各种源汇项无论在水量还是水质方面的变化都最终会在泉水中体现出来。
泉水流量的减少无疑是补给量减少与排泄量增加的结果。补给方面，水资源评价结果可知，岩溶水最大的两项补给是降水入渗量和河流渗漏量，分别为8.94m3/s和2.30m3/s（含水库渗漏补给），占到总资源量的98%以上。排泄量则主要是泉域内岩溶水井开采量以及少量矿坑突水量的增加。表8-4表明，自20世纪60年代以来，泉域内主要水资源要素分阶段的变化情况，补给要素（降水量和河流径流量）表现为减少趋势，而排泄要素则表现为增加，这一增一减的结果大大压缩了岩溶水的资源量空间，是导致娘子关泉水流量趋势性衰减的直接原因。以20世纪80年代为界，娘子关泉水流量后期（1980～2008年）较前期（1956～1979年）减少46.48%，泉域降水量减少13.54%，西部煤系地层及中生代碎屑岩地表产流区的代表性水文站径流量减少66.13%，而泉域内岩溶水开采量则增加了148.5%。
表8-3 阳泉市地下水质量评价分类成果表
表8-4 娘子关泉域主要水资源要素分阶段变化统计表
水作为水化学成分的载体，系统内各种资源要素在其循环转化过程中，随着物理混合和化学反应，水质也在发生变化。娘子关泉域内各种水资源通过不同渠道进入岩溶含水层，并向娘子关泉水方向集中排泄（图8-11）。这些补给项水质发生变化后必然会影响到泉域岩溶水和娘子关泉水的水质变化，当它们受到污染时，最终会导致娘子关泉水的污染。
图8-11 娘子关泉域岩溶水水化学三线图
五、采煤对岩溶水潜在的影响
以往娘子关泉域内各类煤矿开采深度多小于300m，集中分布在岩溶水包气带范围内。随着浅层煤炭资源开采的逐步枯竭，煤炭开采的规模化、机械化程度将不断提高，强度将不断加大，煤炭开采的平均深度也将不断延伸，开采水平逐步进入岩溶地下水带压区。虽然区域结构条件不利于煤矿突水的发生，但岩溶陷落柱密集发育仍然存在着突水的潜在危机（图8-12）。另一方面，区内相当多矿井已闭坑或处于闭坑阶段，闭坑以后大面积的采空区必然由水充填，由于在充填过程中缺乏采煤期间的循环交替速度，必将成为劣质“老窑水”。这些水一部分将通过突水通道进入下伏岩溶含水层，另一部分则待采空区充满后通过坑道排出地表，进入河道，再次补给岩溶水，形成岩溶水的“永久性污染源”。并将对水环境造成难以估量的破坏。因此，从现在开始就必须制定解决水、煤矛盾的方针大计。
图8-12 阳泉矿区陷落柱分布图
岩溶水环境问题的成因总体上归结为气候变化和人类活动（图6-27）两大方面，但在其发展演化过程中，岩溶水系统所处的自然环境以及所特有的水文地质条件也起到非常重要的作用。这一点从分区上表现得比较突出（表5-7）。
鄂尔多斯盆地西缘区岩溶水系统模式多为“单斜走向型”，发育规模较小、资源量有限极容易造成泉水流量衰减或断流，而区内北部干旱的气候条件以及大面积覆盖的黄土等地球化学背景是形成苦咸水的直接原因。
吕梁山西侧最大的问题是潜在的矿坑突水系统的原生污染，其主要原因是由于区内岩溶水系统均为“单斜顺置型”模式决定的。
汾渭地堑两侧岩溶水系统的泉水主要沿山前断裂带排泄，这些断裂带多数具有侧向相对阻水、纵向高度富集并强烈导水的特点。因此，沿山前断裂带开采岩溶水或进行采煤活动极容易造成泉水断流。
太行山燕山接壤区的5个岩溶水系统模式都是“向斜-盆地型”，相对而言，农业化肥的污染在该区比较突出（图5-27）。
太行山西侧岩溶水系统受到沁水向斜和东南侧华北平原的共同控制，都为“单斜逆置型”系统模式，煤系地层集中分布在系统上游区，矿坑排水及城市废水进入下游碳酸盐岩区渗漏对岩溶水的污染是这一区最主要的岩溶水环境问题。
图6-27 中国北方岩溶水环境问题成因分析框图
在太行山东南侧多数岩溶水系统为“单斜顺置型”模式，泉口下游岩溶水承压区多为华北平原山前断裂带。因此矿坑突水及相应的泉水断流在这里最普遍。
豫西地区岩溶水系统发育规模较小，以“单斜顺置型”模式为主。因此，煤矿突水以及泉水断流在该区也较为常见。
气候变化对燕山地区岩溶水系统影响比较严重，特别是北京西山地区，1980年前后平均降水量减少幅度在20%以上。鲁中南区、徐淮及淮南地区大面积分布浅覆盖区，岩溶地下水位埋藏小，开采成本低，岩溶水系统结构模式多为“单斜顺置型”或“向斜-盆地型”。因此矿坑突水问题、泉水断流问题、农业生产对岩溶水的污染问题以及岩溶塌陷问题均有发生。
以“向斜-盆地型”系统模式为主的太子河区，矿坑突水和水质污染问题相对严重。
主要岩溶水环境问题
答：补给区基本没有超标项；径流-汇流区主要超标项为HB、TDS、，部分与河流密切相关的样品中有NO2-N、NH4-N超标；排泄区的超标项则主要为HB、挥发性酚类。四、泉域岩溶环境水文地质问题成因概述 从整体看，娘子关泉域岩溶水系统是一个“自产自流”型系统。岩溶水作为系统内最底层水资源，是系统内各类水...
云台山泉域岩溶水保护
答：此外，北方岩溶区多为煤水共存系统，岩溶水对煤炭开采有威胁，而煤炭开采又破坏岩溶水资源。我国北方岩溶泉域水资源及环境状况与30年前相比，已面目全非。主要问题有以下方面。1.泉水流量衰减甚至干涸 我国北方原始流量在lm3/s以上的岩溶大泉，80%以上泉水流量都出现了衰减，近30%泉水干涸或近于干涸。
岩溶水保护的原则
答：同时,由于北方岩溶泉域在系统结构、泉水形成条件、水文地质环境问题及成因具有突出的特点,有的放矢地开展岩溶地下水保护能够起到事半功倍的效果。岩溶水资源保护要从岩溶基础水文地质条件出发,根据岩溶水环境问题的成因,有重点地开展诸如水量、水质、泉水排泄区环境的保护工作。 1.水量保护 水量保护要遵循水量均衡的...
山西煤矿山地质环境调查现状与思考
答：摘要 本文通过对山西六大煤田与煤矿山环境地质问题现状的概略介绍,对目前调查中存在的问题及今后所应开展的工作,提出了几点思考。对矿山环境地质综合评价问题,笔者认为应将对各类煤矿山环境地质问题的分析从专业角度向社会经济方面延伸,并以后者作为统一综合对比的结合点,同时提出了应开展采煤造成地应力改变影响岩溶水、采煤...
矿井存在的主要问题及其水文地质条件综合评价
答：其上的太原组灰岩含水层有脱水现象。（3）断层和老窑水的影响范围需进一步圈定 井田采煤历史悠久，煤层浅部老窑遍布，给水普遍，浅部采煤易发生老窑突水，老窑水一般为储存量，突水来势猛、衰减快、易疏干。（4）底板岩溶水的富水规律需要进一步查清 岩溶地下水在断层带可直接充水或突水，是矿井突水的...
矿山开发中的环境地质问题的研究
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答：西南地区能源矿山环境地质问题比较突出的是重庆市和贵州省,其次是四川省和云南省,再次是西藏。重庆市...矿山可溶岩地区存在岩溶洞穴或溶蚀裂隙,地下水在疏干的过程中,水位不断降低,水动力条件逐渐改变,从而使...该崩塌主要是由于原乡镇企业兴隆煤矿在地质条件复杂的鸡冠岭背斜上盲目采煤引起的,降雨也是诱发因素之一...
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答：事实上，北方岩溶水系统在水量调节功能、岩溶大泉出露排泄形式、地下水取水难易性以及取水成本、岩溶地下水集中程度等方面，决定着与水量相关的水文地质环境问题的易发程度，而且存在着很大的差异性。例如，“单斜顺置型”系统的泉水更易于断流，特别在排泄区下游存在承压区时采煤过程中突水的风险将加大，...
岩溶水系统划分与特点
答：包括矿坑污水排放对岩溶水的污染，采煤改变地表下垫面影响补给量，以及采矿突水事故导致岩溶水与坑道直接联系，矿坑可能成为岩溶水的永久污染源。这些特点表明，岩溶水系统具有高度的开放性和环境脆弱性，其水资源类型的补排关系复杂，且在煤矿开采活动的影响下，岩溶水的循环和质量可能受到显著影响。
