煤矿防治水涉及到一系列关键水文地质问题，主要包括地下水补排关系、地下水循环速度以及岩溶陷落柱突水前兆的识别等问题。对于淮南矿区地下水补排关系，以往认为煤系和太灰之间、松散层各含水层之间存在稳定隔水层，无水力联系;对于灰岩水循环速度的变化问题，以往缺乏此类研究;对于岩溶陷落柱突水前兆的识别问题，以往无有效的识别手段。本文在综合分析国内外相关研究和系统调研淮南矿区防治水现状的基础上，基于水化学、氢氧同位素、矿井涌水量及水位动态等多通道信息，结合水文地球化学自然演化规律，运用交叉小波分析、多元统计等方法，对淮南矿区关键水文地质问题进行研究，得到了以下新的认识:长期疏排水影响下，太灰水能够接受A组煤系水补给;长时间尺度下，煤系含水层能够持续不断地大量释水;2000年以后灰岩水循环速度加快;浅部孔隙水能够补给深部孔隙水;水文地球化学信息能够快速识别岩溶陷落柱沟通煤系水和灰岩水。　　本次研究充分挖掘了新庄孜矿1963～2012年长序列的水化学信息，基于Back、Hanshaw(1979)总结的岩溶水化学演化规律和Gastmans等(2010)总结的砂岩水化学演化规律，发现长期疏排水导致太灰水接受了A组煤系水的补给，且这种影响具有时间尺度效应;在长时间尺度下，煤系砂岩含水层能够持续不断地大量释水，并不符合以往“静储量疏干型”观点。　　在深入了解长期疏排水致使新庄孜矿岩溶地下水接受的补给如何发生变化的基础上，本文又运用交叉小波分析方法，分析了长时间序列水位动态与降水、北太平洋西部季风、厄尔尼诺的遥相关性，对岩溶水循环速度的变化进行了定量化研究。分析发现，从20世纪90年代开始，厄尔尼诺循环对灰岩水位动态的影响周期数量发生缩减;2000年之后灰岩水对降水的滞后期明显减小。研究结果表明，自21世纪初，灰岩水循环速度开始明显加快，进一步反映了煤炭开采过程中大规模疏排水对于矿区地下水循环造成的改变。　　通过对潘谢矿区孔隙水化学及对季节变化的响应的分析发现，孔隙水在垂向上存在两个分层，上层为浅部循环水，下层为深部滞流水。系统聚类、主成分分析方法进一步明确了浅部水和深部水的循环界限为地下100m深度左右。开采前后孔隙水化学特征的对比分析，指示出浅部水补给深部水。依据克雷格的全球大气降水线，以及丹斯加尔德的格陵兰北部世纪营冰芯研究成果，对孔隙水氢氧同位素组成的分析结果证实了这一点。以往认为新生界上含、中含、下含之间存在稳定隔水层，无垂向水力联系的观点值得商榷。　　由于岩溶陷落柱的导通所造成的水害在矿区是一个重要问题。本文发现，受采动影响，岩溶陷落柱导通了煤系水和灰岩水，水化学信息能够指示导通过程。基于岩溶水和砂岩水化学演化规律的水化学分析能够识别岩溶陷落柱突水前兆。　　以往的矿区水文地质工作缺乏关于水文地质的整体框架，只是简单地对比水化学类型、观察水位波动，没有根据水化学的演化规律充分挖掘水化学信息，未注意到水化学与水位之间的内在联系;运用的分析手段、方法也比较局限;并且忽略了时间尺度的影响，没有意识到长时间尺度下并不存在绝对的隔水层。因此，未能发现地下水循环条件的变化。此次研究以托特(1963)提出的地下水流系统理论的基本思想为指导，集成水化学、稳定同位素、水位动态以及气候因素数据所指示的各种信息，并将信号学和统计学中的方法应用于研究中，获得了一些与以往观点不同的发现，为矿区防治水措施的制定提供参考依据。