随着浅部煤炭资源开采殆尽，华北型隐伏煤田的煤炭开采正逐步向深部发展，破坏了地下水系统原有平衡，以致水文地质条件复杂化，从而使深层地下水动力条件和水化学特征发生改变。通过对淮北煤田石炭系太原组灰岩（简称“太灰”）含水层地下水化学常规组分进行离子比例分析和主成分分析，探讨该含水层地下水水文地球化学形成作用及其控制因素，并选取淮北煤田南部的临涣矿区太灰含水层为研究示范，应用PHREEQC软件对其进行了反向水文地球化学模拟。研究结果表明：淮北煤田太灰含水层主要水文地球化学形成作用类型为溶滤溶解（包括方解石、白云石、石膏溶滤溶解和黄铁矿氧化）和阳离子交替吸附作用；反向水文地球化学模拟定量分析与离子比例以及主成分定性分析结果基本一致。随时间的延续，采动后淮北煤田南部太灰含水层溶滤溶解作用逐渐减弱，阳离子交替吸附作用逐渐增强，而北部太灰含水层因地层埋藏普遍较浅表现出与之相反的现象。淮北煤田南部太灰含水层水文地球化学形成作用受构造影响表现出较为明显的空间差异；而北部太灰含水层水文地球化学形成作用程度受其径流影响，表现出由东向西逐渐增强的特征。淮北煤田南部的临涣矿区太灰含水层反向水文地球化学模拟验证了水文地球化学形成作用及其空间差异性。研究成果可为华北型隐伏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。