平顶山矿区是典型的华北岩溶型煤田,煤层顶底板分布有二叠系砂岩含水层、太原组灰岩含水层及寒武系灰岩含水层,在采动条件下岩层承压水易向矿井充水,因而矿井水文地质条件复杂,水害频发。查明各充水含水层的水化学组分、特征演化及控制因素,是确定矿井水文地质条件和做好防治水工作的前提。为此,按照统一标准采集了矿区13对矿井充水水源的水样,化验了水的化学成分,并收集了375个历年化验的水质分析报告。利用水化学图解法、离子比例系数法、主成分分析等分析了各充水含水层水化学特征及形成机理,再通过分析常规离子的主成分荷载得分值及主要水化学类型散点在空间上的分布特征,揭示了各充水含水层的水化学形成作用的演化特征及控制因素,最后根据3个灰岩含水层的TDS等值线及水化学组分来源,确定了14条合理路径、矿物相及反应方程,利用PHREEQC软件进行反向模拟。结果表明:(1)矿区各充水含水层总体呈弱碱性,常规离子变异系数大,水化学组分形成作用不稳定,水化学类型多样,主要水化学类型中HCO₃-Na型砂岩水主要来源于硅酸盐矿物的溶滤作用,HCO₃·Cl-Na·Ca·Mg型砂岩水的出现是由于阳离子的正交替吸附作用及人类污染,HCO₃-Ca·Mg、HCO₃-Ca型寒灰、七灰和二灰水主要来源于碳酸盐岩溶滤作用,HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg型寒灰和七灰水的出现是由于硫铁矿的氧化作用和阳离子的负交替吸附作用,HCO₃·SO₄-Na·Ca·Mg型二灰水的出现是由于硫铁矿的氧化作用及砂岩水的混合作用。(2)基于常规离子的主成分荷载得分值S_F1和S_F2的等值线及主要水化学类型散点的空间分布特征表明:平顶山矿区地质构造或多或少的控制着充水含水层的水化学形成作用,寒灰主要受埋深及大断裂控制,七灰和二灰主要受断裂褶皱及埋藏深浅控制,砂岩主要受断裂控制。对比2010年前和2010-2018年两个时间段的常规离子水化学组分及主成分荷载得分值特征变化表明:采矿扰动对寒灰、二灰及砂岩含水层常规离子组分的变化较七灰含水层影响更为显著。(3)对各灰岩充水含水层反向模拟结果显示:寒灰6条模拟路主要发生了方解石的溶解、石膏的沉淀作用;七灰4条模拟路径主要发生了方解石、白云石、盐岩的溶解作用;二灰4条模拟路主要发生了方解石的溶解和白云石的沉淀作用;灰岩含水层所有路径几乎都发生了阳离子交替吸附作用,而硫铁矿的氧化作用在各灰岩含水层模拟路径的局部地区有所体现。