研究区生态地质环境系统结构
2.5.2.1自然子系统
(1)自然子系统的形成过程
今天的大峪沟煤矿是长期地质历史演化的结果。早在3.5亿年前的石炭纪，河南发生地壳不平衡运动，隆升沉降区重现，开始了自早古生代以来的又一次大规模海侵。海水自北向南入侵，郑州及周边地区被陆地表层海水覆盖。在整个地壳频繁升降过程中，海陆变化迅速，形成了石炭纪中晚期至二叠纪早期海陆交替的沉积环境。当时地形比较平坦，水体较浅，透明度高，氧气充足，气候湿热。不仅有丰富的水生动植物，而且到处都诞生了陆生高等植物，动植物的发展和分布达到了前所未有的繁荣时期。在这种环境下，来自周围陆源物质和当地生物的碳元素富集，形成了含煤砂页岩-灰岩-含煤碎屑岩建造，总厚度约150m，局部200m .中二叠世，随着三门峡-确山-固始以南地区的抬升，海水逐渐退去，郑州一带成为陆地，主要沉积河湖相的含煤砂和粘土，嵩山以北的广大地区基本没有原煤产出晚二叠世河南南部进一步隆升，气候变得干热，植物数量减少，陆相碎屑沉积厚度达到140 ~ 670 m，至三叠纪以高温干旱为主，气候条件和陆相沉积环境偶有温湿被通许隆起分隔，形成嵩山以北的洛阳-郑州盆地和嵩山以南的洛阳-周口盆地，其中洛阳-郑州盆地沉积厚度达到400多它是为一套河湖相砂页岩建造的。随着地壳的上升，郑州一带，包括巩义在内，侏罗纪仍以剥蚀为主。直到新生代晚中新世，松鸡台龙交界处的巩义地区仍有剥蚀。在第四纪，气候变得寒冷和干燥。在郑州西部，包括巩义，在原剥蚀区和黄河两岸形成了厚层的风积-洪积黄土，总厚度约为40～160m..至此，3.54亿年的地质演化过程告一段落，大峪沟地区形成了现今的地质地貌格局——基底为嵩山背斜北翼的单斜地块，地表为第四纪黄土覆盖的低山丘陵区，如图2.3所示(河南省地矿局，1989)。
图2.3区域地质图
(2)地质体的结构特征
A.地层
经过上述地质演化过程，研究区形成了由海相碳酸盐岩、海陆交互相煤系地层和陆相碎屑岩组成的完整沉积建造。从老到新依次为中奥陶统马家沟组(O2m)、中石炭统本溪组(C2b)、上石炭统太原组(C3t)、下二叠统山西组(P1s)、下二叠统石盒子组(P1x)、中二叠统石盒子组(P2s)和中二叠统。
奥陶系(O)奥陶系出露于研究区以外的南部地区(柏庄、薛庄、宋沟、南沟、竹林沟、丁彦、刘家门)，向北倾斜进入研究区，是煤系地层下伏的重要岩溶含水层。由于本区本溪组厚度薄，在开采一个1煤(-200 m)时，奥陶系岩溶水强大的水头压力(288m)可突破底板进入矿井。其中奥陶系顶部马家沟组碳酸盐岩威胁最大，富水性最强。岩溶水进入矿井后被抽出，也是矿井水的主要来源之一。地层上部夹浅灰色、灰黄色薄层钙质白云岩和深灰色厚层泥晶灰岩；中部为深灰色厚层状斑状泥晶灰岩和含白云石灰岩；下部为灰黄色薄层粉白云石，中部为白云石灰岩。
石炭系(C)石炭系在研究区广泛分布，与奥陶系呈平行不整合接触，总厚度20 ~ 92m。本溪组(C2b)位于石炭系底部，由灰色-深灰色铝质岩和铝质泥岩组成，具有鲕状和豌豆状结构，夹一层不稳定的灰岩。该地层富含铁和硫，以黄铁矿松散晶体和结核的形式出现。该组总厚度3.57 ~ 33.69米，上石炭统为太原组(C3t)，主要由灰岩、泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、砂岩和煤层组成。可采煤层-1煤位于该组底部，平均厚度约0.95m，主要为块煤，硬度较高，密度为1.92t/m3，含硫量较高，平均为4.58%。它以无机硫硫铁的形式存在，属于高硫煤层，还含有2.27%的氢和0.665438的氮。a 1煤上部有8层灰岩，其中L1灰岩是a 1煤的直接顶板，平均厚度为11.23m，优于上部其他灰岩地层。
二叠纪(P)二叠纪分为下统和中统。下统由山西组(P1s)和下石盒子组(P1x)组成。中统包括上石盒子组(P2s)和石千峰组(P2sh)。整个系统总厚度为920米。下二叠统至中二叠统的上石盒子组是本研究区的另一个煤系地层。煤系地层* * *有八个煤段，其中六个煤段位于下统，两个煤段位于上石盒子组。目前开采的主要煤层为Er1煤，平均厚度为4.62m，最厚为21.52m，煤层强度低，主要为粉质煤，密度为1.79t/m3，表现为已被挤压、层间错动的构造煤特征，有机成分略高于最初的1煤，达到97%。1煤平均全硫含量为0.98%，有机硫占绝大多数，属于低硫煤。第二层1煤层下部为灰黑色砂质页岩和炭质泥岩，上部主要为砂岩粘土岩。位于Er1煤层顶板的深灰色中细粒应时杂砂岩，在下石盒子组顶部夹有三层薄煤，其中有香炭砂岩、小紫色泥岩、砂锅窑砂岩、老君庙砂岩等标志层。上石河组始于灰黄色厚中粗粒应时砂岩，止于平顶山砂岩。为一套灰黄色、灰绿色砂岩，总厚度约250m，分布于研究区的景芝沟、岳寨、将军山南岭、庄子沟、口院南等中深部矿区，是开采采空区的主要区域。
三叠系(T)下三叠统分布于矿区北部青石山和浮山，厚约100m，为紫红色中细粒长石应时砂岩，坚硬，富含铁，与二叠系为整体接触。因为离大峪沟矿区比较远，所以在本研究中就不赘述了。
古近系(E)仅在白河和马蹄沟以北零星出露，主要为灰黄色砾岩。砾石成分复杂，砾石直径2～20m，一般10cm，磨圆度好，分选差，多为钙质胶结，总厚度不详。
第四系(Q)研究区的第四系主要是中更新统(Qp2)的离石黄土。厚度0 ~ 180m，平均30m。广泛分布于黄土塬地和丘陵地区，是一套由棕黄色-棕红色粘土、亚粘土和粘质粉土组成的沉积物。其成因主要是风成沉积，其次是洪积沉积，属于风成沉积-洪积相。在区域上，离石黄土与下更新统武城黄土平行不整合或与前第四纪地层不整合。
B.地质结构
矿区位于秦岭带状构造带的北亚带，嵩山背斜的北翼。总体构造形态为倾向北北东向、倾角平缓的单斜构造。构造特征以断层为主，由近东西向、东北向和西北向断层组成。近东西向断层是一组平行于区域带状构造体系的主断层，以正断层为主，局部地方伴有小型逆断层，多呈阶梯状或地堑状排列。NE向和NW向断层主要发育在矿区的东西两端，主要为压性和扭性正断层(图2.4)。
图2.4矿区构造图
C.水文地质条件
主要含水层的特征。区内地下水类型为碳酸盐岩裂隙溶洞水、碎屑岩裂隙孔隙水和松散岩类孔隙水。各含水层的分布、类型、岩性、富水性和导水性如下。
奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层:由灰岩、泥灰岩和白云质灰岩组成，厚度141.86米..裂隙岩溶承压水局部富含水。根据2610孔抽水成果，单位涌水量为0.0183 l/s·m，渗透系数为0.219m/d，水位高程为288.45m
太原组下部灰岩岩溶裂隙含水层:太原组下部由四层灰岩组成，灰岩厚度3.92 ~ 16.42 m，一般8 ~ 13 m..该层裂隙岩溶发育不均匀。单位涌水量0.0198 l/s·m，渗透系数0.0379m/d，水位高程340.96m
太原组上部灰岩岩溶裂隙含水层:太原组上部由四层灰岩组成，被泥岩分割，相互间水力联系较差。石灰岩厚度为0 ~ 37.60m，一般在5 ~ 15m之间。根据相邻孤山矿区8803孔资料，单位涌水量为0.00043 l/s·m，渗透系数为0.012m/d，水位标高为200.21m。
二、1煤顶板砂岩孔隙裂隙含水层:主要由中粗粒砂岩组成，砂岩一般为3 ~ 4层；厚度0 ~ 32.49m，一般10~20m ~ 20m。单位涌水量0.0000532 ~ 0.00797 L/s·m，渗透系数0.000530 ~ 0.0352 m/d，水位高程287.57 ~ 212.65 m。
3煤组和4煤组砂岩孔隙裂隙含水层:主要由中粗粒砂岩组成。3煤组和4煤组砂岩厚度分别为8 ~ 15m和8.7 ~ 21.7m。由于远离21煤层，对21煤层开采影响不大。
砂砾石第四系孔隙含水层:该层分布于河谷中，主要由冲洪积砂砾石层组成。单位涌水量0.83 ~ 10.54 L/s·m，渗透系数21.88 ~ 88.95 m/d，水位6.73 ~ 11.75 m。
2)主要隔水层特征。本溪组铝质泥岩隔水层:主要由泥岩、铝质泥岩和铝矾土组成。厚度3.5~233.69m，一般6 ~ 14m。该层稳定，厚度变化规律不明显。该层被溶洞充填，降低了不整合面的富水性，增加了隔水强度，是主要的隔水层。
太原组中部砂泥岩隔水层:主要由中细粒砂岩、泥岩和砂质泥岩组成。厚度22.52 ~ 57.81m，一般30 ~ 45m。层位稳定，是太原组上下灰岩含水层之间的良好隔水层。
Er1煤层底板隔水层:指Er1煤层底板与太原组灰岩含水层之间的岩层。主要由泥岩、砂质泥岩和细砂岩组成。厚度0.40 ~ 37.82 m，厚度变化大，稳定性差。为了防止太原组上部灰岩进入Er1煤的隔水层。
齐眉组-平顶山砂岩底部隔水层:由一套砂岩、砂质泥岩和细砂岩组成。该层厚度大，层位稳定，岩性均匀，是一个很好的隔水层。
平顶山-金斗山砂岩底部隔水层:主要由砂质泥岩、泥岩和细砂岩组成。岩性均匀，层位稳定，耐水性好。
3)地下水的补给、直径和排泄条件。地下水的主要补给来源是大气降水入渗和河流侧向入渗。主要排水渠道为矿井排水和径流排水；地下水径流的方向与该地区的自然地形基本一致。
4)矿井充水系数。大气降水:由于降水多集中在6-9月，不仅时间集中，而且降水也多。由于风化裂隙发育，降水可直接渗入矿井，尤其是浅部；虽然持续时间不长，但是危害很大。补给区大多集中在冲沟和河谷沿线，当洪水与充水含水层保持接触时会造成危害。
地表水:该地区河流多变，但冲沟发育。当崩落裂缝与风化和构造裂缝连通时，地表水进入隧道。凉水泉水库有一个结构穿过它的下部，可以将地表水引入地下。
D.土壤和植物
1)土壤:土层较浅的离石黄土是矿区现代土壤的成土基质，也是植物生长、繁殖和当地生态系统构建的物质基础。它是在几十万年的沉积中形成的。据野外观察(图2.5)，其沉积过程经历了几个相对稳定的成土期和随后的埋藏期，保存了多层古土壤。这些古土壤是棕红色粘土和粘土沉积物。一般在各古土壤层下分布着厚度约为0.3 ~ 0.6 m的钙质结核层，是各古土壤层的沉积层，其成分主要是钙，而古土壤层是当时腐殖质层和淋溶层所在的地方。由于离石黄土是风、洪、坡造成的，气候干燥，地表现代土壤为黄绵土和黑龙土，不具备残积土典型的完整成层特征。腐殖质层和淋溶层的界限一般不明确，是过渡性的。由于地层集湿和入渗条件的限制，不同地形部位沉积物的深度和厚度是不同的。水热植被条件好的地区，土壤熟化深度为60 ~ 100 cm。在地形陡峭或基岩较浅的地区，熟化土壤一般在30cm左右。
图2.5土壤剖面照片
2)植物:据实地路线调查的不完全数据，当地野生和人工种植的植物约有40科，近200种。共有25个科，包括杨柳科、榆科、蔷薇科、桑科、壳斗科、玄参科、豆科、菊科和禾本科。常见的树木有杨树、柳树、榆树、桑树、槐树、泡桐、构树、柿子、香椿、核桃、梨、枣、刺槐、栾树、皂荚等。小乔木和灌木主要有花椒、大枣、皂荚、降香、黄荆、黄栌、胡枝子、女贞、海桐、冬青、紫薇、玫瑰等。常见的草本植物有葎草、土牛膝、藜、地肤子、猪毛菜、蒺藜、苋菜、紫花地丁、苦参、蒲公英、野胡萝卜、小蓟、蓟、灯盏细辛、鸭跖草、茜草等。广阔的山坡和梯田种着小麦、玉米、棉花、红薯、豆类等作物。在大峪沟下游，也就是凉水泉水库的河漫滩，生长着茂密的湿地和水生植物，主要种类有芦苇、香蒲、镞和啤酒花。上述植物对当地水土条件适应性强，发育良好，可作为植被建设的乡土树种。研究区域的常见植物见书后面的图表。
2.5.2.2人工子系统
千百年来，黄河文明的延续保持了巩义地区农耕文化的社会形态。农业的发展促进了土地的开发和利用。山谷、丘陵和黄土塬都变成了农田。一排排梯田里种着小麦、玉米、红薯、棉花、豆类、芝麻等作物，地里种着核桃、柿子、枣、泡桐、国槐等树木。“日出而作，日落而息”的生活方式和自然宁静的乡村景观，体现了人与土地长期和谐的关系。
自20世纪50年代以来，当地开始了分散的私人煤炭生产。最初，浅埋的1煤主要开采在当前矿区南部的石炭系裸露区。随着生产规模的扩大，由1975逐步成为企业，现1采煤已达到-175 m水平，最大开采深度超过500m，开采范围东起小关镇，西至将军山村，北至王河村，西至王寨至铁匠炉，南至桥沟、黑龙潭、钟灵、大峪沟镇、孙寨，开采范围为自1983开始，山西组二层1煤层的开采已达到100米，最大开采深度为250米..红旗矿3号井开采面积约3km2，年生产能力45×104t，累计储量1069×104t。
煤矿的规模化生产取得了巨大的经济效益，并带动了其他相关产业的蓬勃发展，为巩义市进入全国百强县做出了贡献。然而，煤矿生产的不断扩大也对矿区及周边地区的自然和人居环境造成了严重的负面影响。隧道开挖和煤炭开采的副产品煤矸石年产量接近50×104t，接近原煤产量的1/3。煤矸石含有比普通岩石更多的碳、硫、铁等成分。长期露天堆放不仅容易发生自燃和空气污染，而且在大气降水的淋溶下释放出有害物质，污染下游地下水和地表水体。从堆放煤矸石的工业广场到王河黄愚庙，进入大峪沟的3号井排放的煤矸石浸出液、生活污水、酸坑水的可溶性盐含量约为51.59t/a，使得凉水泉水库水质盐度接近1.2g/l，除了一些耐盐的野生植物外，水库内很少见到鱼、虾、蛙等水生两栖动物。此外，由于红旗煤矿二、三号煤田开采面积逐年扩大，地表沉陷和塌陷日趋严重。个别地段累计沉降超过8.0m，最大沉降步距5.0m，地裂缝、沉降槽十分普遍，导致农田、房屋、道路、输电线路不断遭到破坏，诱发局部崩塌、滑坡等灾害。
面对水土污染、地面塌陷等环境问题，当地群众反应强烈。对此，2006年4月21日，《西部时报》网站做了专题报道，其中指出:“近年来，当地人民赖以生存的土地和居民区出现严重塌陷，土地无法耕种，房屋摇摇欲坠，水井纷纷干涸，人民的生产生活环境遭到严重破坏。”
从以上背景条件可以看出，在从古至今的物质循环中，煤矿区在今天扮演了不同的角色。
1)大峪沟煤矿是3.54亿年自然环境变化的结果。这里曾经是物质的聚集区，积累和埋藏了大量的碳、铁、硫元素。在还原条件下，铁和一些重金属形成硫化物，大大削弱其运移性能，被固定封闭。随着时间的推移，形成的地质体成为这些元素的储存库。
2)一旦矿井被开采，这些元素将随着煤矸石和矿井排水被带到地表。在氧化环境下，铁、硫和一些重金属元素的活性会增强，迁移能力明显提高。由于数量巨大，很难通过自然净化使其重新固定和埋藏，因此正在开采的煤矿成为现代生态地质环境中古代物质释放的源头。
3)采矿活动对生态地质环境的改造十分明显，采空区的不断扩大导致上覆岩层的快速下移和地表形态的改善。
研究区煤场和煤矸石堆放情况如图2.6所示。环境地质条件见图2.7。
图2.6煤场和煤矸石堆放