随着开采深度的逐渐增加,煤田其下多类含水层地下水系统的结构普遍遭到破坏,循环模式发生改变,导致各煤矿开采突水事故频发。本文以淮北煤田濉肖矿区为研究范例,选取矿区内九个代表性矿井的新生界松散层孔隙含水层、二叠系主采煤层顶底板砂岩裂隙含水层、石炭系太原组和奥陶系主采煤层底板灰岩岩溶裂隙含水层水文地球化学数据,对常规离子进行多元统计分析,揭示矿区地下水水-岩作用机制与时空演化特征,并结合氢氧稳定同位素和Sr元素分布特征分析矿区典型剖面上水循环模式。同时,以矿区各含水层的稀土元素与其他微量元素的空间分布特征,判断其对水-岩作用与循环模式的指示作用。通过对氢氧稳定同位素和Sr元素分布特征分析可知,矿区砂岩含水层接受经蒸发作用后大气降水的间接入渗补给,灰岩含水层接受未经蒸发作用大气降水的直接入渗补给,且存在由东向西的径流。常规离子多元统计分析显示,矿区砂岩含水层黄铁矿氧化和阳离子交替吸附作用中部较强,西部较弱;灰岩含水层碳酸盐酸化作用、黄铁矿氧化与阳离子交替吸附作用西强东弱。矿区东部几乎无水-岩作用,为水源补给区。由以上结论综合得出矿区地下水循环模式为:东部皇藏峪背斜和相山-肖县背斜附近,大气降水直接补给灰岩含水层,并形成自东向西的径流,灰岩与砂岩含水层间水力联系较弱。矿区中部与西部均没有受到大气降水的直接补给,砂岩与灰岩含水层之间只存在一定程度的水力联系。对稀土元素地球化学参数进行主成分分析,并与前文常规离子主成分代表水-岩作用对比分析发现,参数(La/Yb)_N、(La/Sm)_N和(Gd/Yb)_N主要受到地下水的碳素盐酸化作用影响,δEu和LREE/HREE主要受到阳离子交替吸附和黄铁矿氧化作用影响。其他微量元素中,Li、Rb和Mn的分布规律与矿区含水层碳酸盐酸化作用和黄铁矿氧化作用的空间演化规律基本吻合,可以用来指示碳酸盐酸化作用和黄铁矿氧化作用。Mo和V的含量分布则指示了单纯的碳酸盐溶滤作用。Ba的含量则可以作为阳离子交替吸附的反向指示剂。研究成果有望为我国隐伏型煤矿水文化探以及建立突水预警系统提供理论依据。