随着浅部煤层开采殆尽,我国煤炭开采正逐步向深部发展,深层地下水动力条件和水化学成分势必因此而改变。本文通过对淮北煤田石炭系太原组灰岩含水层为研究范例,其中包括宿县矿区、临涣矿区、濉萧矿区。选取各矿区中矿井的石炭系太原组灰岩含水层常规水化学数据,应用离子比例和主成分分析方法对常规离子分析,讨论地下水水-岩相互作用、控制因素及时空演化特征。结合硫同位素和碳同位素特征,识别地下水中SO42-的来源和成因以及探讨地下水中碳循环和地下水演化过程。并借助PHREEQC软件对其进行了反向水文地球化学模拟,定量描述太灰含水层地下水中的主要组分变化,来验证水文地球化学形成作用及其空间差异性。通过对氢氧同位素分布特征分析可知,宿县矿区和临涣矿区太灰含水层补给来源有大气降水、地表水及古溶滤-渗入水;濉萧矿区受控于大气降水的直接入渗补给。离子比例分析和主成分分析显示,淮北煤田太灰含水层主要水-岩作用为溶滤溶解（包括方解石、白云石、石膏溶解和黄铁矿氧化）及阳离子交替吸附作用。受采矿活动影响,淮北煤田南部溶滤溶解作用减弱,阳离子交替吸附作用增强,而北部因地层埋藏浅表现出与之相反的现象。淮北煤田南部受构造影响,水-岩作用表现出较为明显的空间差异;北部水化学演化过程主要与径流方向有关,地下水由东向西流动,溶滤溶解和阳离子交替吸附作用逐渐增强。通过硫同位素和碳同位素特征分析,淮北煤田太灰含水层SO42-来源于石膏溶解和黄铁矿氧化,与离子比例分析和主成分分析结果一致;淮北煤田太灰含水层中HCO3-的来源主要是碳酸盐矿物溶解和土壤CO2溶解。应用PHREEQC软件对淮北煤田南部临涣矿区和北部濉萧矿区进行水文地球化学模拟,模拟定量分析结果验证了离子比例和主成分定性分析所得主要的水-岩作用。研究成果为华北隐伏型煤田煤矿开采水害防治及区域地下水资源开发与利用提供理论支持。