水害是造成煤矿群死群伤事故的主要地质灾种,研究煤矿(井)地下水赋存的地质控制机理和规律、预测富水区分布,是制定煤矿防治水措施、提高煤炭科学产能的重大科学命题。内蒙古自治区与陕西省接壤区分布有许多大型现代化矿井,煤矿生产时常受到水害威胁。本文以沉积地质学、层序地层学、水文地质学、及岩相古地理学理论为指导,以乌审旗-横山地区延安组3-1煤层(首采煤层)至直罗组为重点研究层位,采用现场调研、试样分析、信息集成、定性与定量相结合的方法,从沉积作用、成岩作用剖析了研究区水文地质结构的层序地层控制、岩相古地理面貌及富水性的沉积控制机理与规律,预测了富水区分布。结果表明:(1)区内发育6种层序界面。Aalenian-Bajocian期沉积充填序列划分为3个(三级)层序(层序Ⅰ、层序Ⅱ、层序Ⅲ),Bathonian-Callovian期有2个(三级)层序(层序Ⅳ、层序Ⅴ),每个层序由低位体系域(LST)、水进体系域(TST)和高位体系域(HST)组成。层序Ⅲ水进体系域、高位体系域因受剥蚀和上部河道冲刷作用而保留较差;层序Ⅳ、Ⅴ的各体系域发育较完整。3-1煤层顶板至直罗组含水层主要赋存在层序Ⅲ、层序Ⅳ、层序Ⅴ低位体系域的河流、层序Ⅳ、层序Ⅴ水进体系域分流河道中;隔水层主要发育在高位体系域的三角洲平原泛滥平原及沼泽环境。(2)Bajocian期层序Ⅱ(高)+Ⅲ(低)物源来自NE,古流向NE-SW;Bathonian期层序Ⅳ、Callovian期层序Ⅴ期物源来自NW,古流向NW-SE。Bajocian期3-1煤层至2-2煤层、2-2煤层至2-1煤层砂体为分流河道沉积,发育差;Bajocian期“真武洞砂岩”、Bathonian期“七里镇砂岩”及Callovian期“高桥砂岩”为河道及分流河道沉积。(3)3-1煤层顶板至直罗组含水层划分为粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩及粉砂岩四类;隔水层划分为泥质(粉)砂岩、砂质泥岩、粉砂质泥岩及泥岩四类。区内是以孔隙为主要赋水空间的含水层,含水层划分为承压强、中等及弱透水孔隙含水层。层序Ⅱ(高)+Ⅲ(低)粗砂岩含水层为承压强透水孔隙含水层;层序Ⅱ(高)+Ⅲ(低)中粒砂岩、层序Ⅳ、Ⅴ粗、中粒砂岩含水层为承压中等透水孔隙含水层;层序Ⅱ(高)+Ⅲ(低)、层序Ⅳ、Ⅴ细粒砂岩、粉砂岩含水层为承压弱透水孔隙含水层。(4)河道砂体分选性、磨圆度较分流河道好,比决口扇、天然堤、泛滥平原、河漫滩更好,有效孔隙度和渗透率高,透水性强。同一古河道中,河道边部向中心的砂体有效孔隙度和渗透率变大,透水性增强。平面上,河流上游至下游表现为:分选性和磨圆度越好,基质含量越低,有效孔隙度和渗透性越高。(分流)河道中心单层砂厚度大、粒度粗、砂地比高,向两侧厚度变小,粒度变细,砂地比降低。砂岩孔渗条件呈层序Ⅱ(高)+Ⅲ(低)>层序Ⅳ>层序Ⅴ规律。含水层渗透系数随有效孔隙度增加呈指数增加,随有效孔隙度增大到一定程度,其微小变化会引起渗透系数较大变化,有效孔隙度与含水率呈正线性关系。含水层砂岩自生矿物塑性弯曲变形、定向排列、脆性矿物贴面接触;钙质、泥质胶结及石英、长石次生加大,使其孔渗条件变差;钙质含量高则透水能力强;长石溶蚀作用改善煤层顶板物性。后期成岩作用后砂体均质性增强,孔渗条件、透水性变好。(5)采用五度法将3-1煤层至直罗组间富水区类型评价为强富水区、较强富水区、中等富水区、较弱富水区和弱富水区。强富水区主要分布于古河道中心或分流河道下游中心砂体分布区;较强富水区主要分布在河道边缘部中心或分流河道上游中心部位;中等富水区主要分布在河道边缘及分流河道上游部位;较弱富水区主要分布在古河道边缘及河漫滩、泛滥平原等部位;弱富水区主要分布在河漫滩、泛滥平原及沼泽等沉积部位。预测结果在巴彦高勒矿井311306工作面和311201工作面回采中被证实是合理可靠的。