华北型煤田埋深超过1000 m的煤炭资源占资源总储量的53%,重点产煤区的开采水平大都已到-600 m深度,并且每年以8-12 m的速度向下延伸。华北型煤田深部开采的主要煤层是下组煤,奥陶系岩溶水是对下组煤开采构成重大威胁的主要威胁充水含水层。随着开采深度增大,其突水系数已经接近或超过现行规范规定的安全值。如何降低奥灰突水系数,实现安全开采,释放深部压煤量,成为深部开采所面临的首要问题。以兖州煤田为主要研究区,通过野外露头勘测、地表抽水试验、井下放水试验、室内物理试验、微观结构分析、数值模拟、理论分析计算等手段,分析了奥陶系灰岩顶部形成和演化的水动力剖面分带特征,提出了奥陶系灰岩顶部的充填结构分类,给出了野外判别指标及其阻水阈值,并在肥城矿区、兖州矿区奥灰水防治中得到应用。论文取得的主要成果如下：(1)从研究奥陶系灰岩顶部古岩溶风化壳的形成地质背景出发,阐明了该古岩溶风化壳的水文工程地质意义,明确了奥陶系灰岩顶部碳酸盐岩岩溶风化结构面发育、且结构面被同期或后期的细颗粒或化学沉淀物所充填形成的层段,定义为充填带。充填带形成于古岩溶风化壳,属于淋滤水文地质期及埋藏封闭岩溶期,发育过程主要受构造、古气候及古地貌三种因素的影响。(2)基于岩溶动力学,充填带的水文动力剖面可以分为垂直入渗带、季节交替带、水平径流带和深部缓流带。在充分研究4带裂隙发育、连通性及充填程度的基础上,明确了充填带的界线,指出其存在上限为残积土带,下限为水平径流带。自残积土带至水平径流带,充填物逐渐由粘土质细粒成分过渡到方解石。(3)在上述研究的基础上,结合野外露头勘测统计结果,首次提出了评价充填带结构的4个宏观指标,即张开度、充填度、结构面接触形式和连续性系数。并依据指标首次提出充填带的可分为三种结构类型：完全充填结构、不完全充填结构、无充填结构。并结合现场大量的地面抽水试验及井下放水试验,首次提出充填带结构的工程评价指标,分别为渗透系数、钻孔单位涌水量q、钻孔涌水量Q,并给出了三种结构的阻水阈值。(4)从充填带渗透性的试验研究发现：充填带渗透性主要受孔隙度及充填物含量两个因素的共同影响。两因素影响的二维图上存在影响因素敏感区(第一区区),和非敏感区(第二区)：在第一区,渗透系数随单因素的变化经历从强透水至隔水的过程,从试验角度验证了充填带经历结构变化时,其渗透性会遍历从强透水至弱透水的变化；在第二区,渗透系数维持在微透水水平。(5)应用扫描电镜、薄片鉴定及压汞试验等微观分析手段,发现奥陶系灰岩顶部充填带的微观空隙有两大类型,为孔隙和微裂缝。孔隙有三种类型,包括粒间溶孔、晶间溶孔、溶蚀孔洞。微裂隙包括两种,为溶缝、成岩收缩缝。压汞试验结果表明：随深度增加,中等及粗大孔隙的含量呈现逐渐增加的趋势。面积中值也呈现类似规律,表明奥灰的渗透性逐渐增强。这是由于奥陶系灰岩顶部的裂隙被充填从而造成其中等、粗大孔隙明显小于下部,是奥陶系灰岩顶部具有隔水性的微观证据。(6)根据孔隙率相等的原则,将不连续的、各向异性的充填带简化等效为连续均匀介质,首次建立了未充填结构、不完全充填结构及完全充填结构的正交均质网络模型。并推导出了三种结构模型的渗透系数表达式,结合野外统计的裂隙几何参数,计算出三种结构模型的渗透系数。结果表明三种结构模型的渗透性为：无充填结构>不完全充填结构>完全充填结构。揭示了完全充填结构可以当做隔水层段利用的机理。建立了化学充填带的碳酸盐岩的热力学模型,从岩溶热力学的角度揭示了充填带裂隙被化学充填的机理。(7)在上述研究的基础上提出,完全充填结构可直接当做隔水层加以利用；不完全充填结构可以当做弱透水层,经注浆改造后可做隔水层利用；未充填结构的富水性与下伏奥灰水无异。论文将上述成果应用于肥城矿区及兖州矿区的奥灰水防治中,取得良好实践效果,为深部开采奥灰水防治,提供了新的科学理论保障。