我国是一个产煤大国,伴随着经济的快速发展,煤炭的需求量也日趋增大,煤炭产业也不断向地质条件复杂,煤层埋藏较深的井田开拓。各产煤地受水、火、瓦斯等因素的威胁程度也在不断增加。张家口矿业集团牛西矿+500m水平8、9号煤层已回采完毕,2008年在回采+420m水平南翼采区901和9370工作面时发生顶板透水事故,事故造成工作面被淹,回采工作被迫中断。为保障牛西矿下一步安全生产,制定防排水设计,深入分析研究+420m水平南翼采区顶板透水机理具有重要的指导意义。首先,采集牛西矿南翼地区透水点、其他巷道淋水点、桑干河等水样,测定其水化学成分和稳定同位素的含量组成。经过对水化学资料的灰色关联分析、派珀三线图解分析、稳定同位素特征分析和矿井排水量的分析,判别了透水水源的可能情况。利用地面物探对南翼地区煤层顶板富水区、水力联系通道、冒裂带的发育高度进行探查。结果表明,之前分析的矿井透水水源是可靠的,探测冒裂带的发育高度已波及到煤层顶板含水层。顶板透水事故的发生在很大程度上是由于采动后,冒裂带的发育高度波及到顶板含水层,影响其稳定性,从而使水沿冒裂带溃入工作面。因此,根据+420m水平南翼采区的地层特征,选用相似材料模拟实验,研究顶板覆岩运动破坏规律,垂直地应力的分布变化,并得出导水裂隙带的发育高度。综合分析,研究+420m南翼采区顶板透水机理。同时根据牛西矿地质及水文地质条件,建立含水层地下水运动的水文地质概念模型。依据水文地质概念模型,采用数值模拟软件Visual Modflow,通过对模型的识别分析,反演了矿井不同块段的水文地质参数,建立研究区涌水量的数值模拟模型。通过模型运行,成功地预测了+288m水平南翼采区和+420m水平北翼采区顶板含水层的涌水量。根据研究成果,制定了矿井防治水措施,为矿井安全、高效生产提供了科学依据。