高家堡煤矿位于黄陇侏罗纪煤田彬长矿区西北部,其具有大埋深、高水压、高地应力等特点,回采期间涌水量极大,且冲击地压问题突出,为了探究白垩系含水层地下水流场与冲击矿压之间存在何种联系,以便更加科学、安全的开采煤炭资源,需要对巨厚强富水含水层的流场演化特征及其对地应力场影响进行深入研究。本文以高家堡煤矿首采区为研究对象,通过分析水文地质资料,针对威胁煤矿安全生产的洛河组含水层,进行了101工作面开采期间洛河组含水层地下水流场演化的研究,揭示了开采导致大流量涌水-流场演化的时空规律。基于洛河组水文地质与工程地质特征,概化了模型层位和边界条件,结合水文观测孔数据、富水性评价以及岩石物理性质试验等数据,构建了高家堡煤矿首采区三维地下水模型,并进行初始水位赋值及调参,通过识别与验证,模拟结果表明模拟水位与实测水位吻合度较高。采用理论分析和数值模拟的方法,揭示了在大流量疏水条件下弹性释水、动水圧、应力集中三种因素对地应力场的影响,结果表明在高家堡矿井区域内洛河组地下水位降深与弹性释水作用在单位体积洛河组底界岩体的应力增量呈线性正相关,水位每下降1m,应力增量处于0.01008MPa～0.0126MPa之间。动水圧引起的应力增量随降深的增加呈现指数增长,但其影响过小,可忽略不计。大流量疏水导致的煤层顶板应力集中现象,表现为在疏水引起的水位降深漏斗中心区域,洛河组顶板以及煤层顶板均出现卸压区,垂直应力减小,降深漏斗边缘区域,出现增压区,垂直应力增大。分析了高家堡煤矿首采区大流量疏水诱发大巷发生冲击地压的机理,其属于高静载叠加动载所导致,并根据矿井开采计划,分两阶段模拟了2021～2022年的流场,通过预测第一阶段流场演化对应力场的影响,指出易发生冲击区域,与该时段实际发生的冒顶事故所在区域进行对比,验证了该理论可行,对安全开采具有一定指导意义。预测第二阶段的流场演化以及对地应力场的影响,分析了煤层顶板应力集中区域并给出一定建议。该论文有图83幅,表8个,参考文献97篇。

黄陇煤田侏罗系特厚煤层开采裂隙带发育较高,覆岩弱胶结泥质岩比重大,软弱岩层接触面处易形成离层。离层水害因其突发性并伴随矿山压力显现等特点对煤矿生产影响显著。本文以招贤煤矿1307首采工作面为研究对象,在水文地质与工程地质条件研究的基础上,通过现场钻孔实测和数值模拟进行了导水裂隙带高度的研究,预测导水裂隙与高位离层的相对位置关系,并开展了覆岩运动的3DEC离散元模拟研究;分析回采过程中的水文长观孔的水位变化资料,验证覆岩运动中高位离层演化过程,并结合承压水完整井流公式,对离层水积水量进行预测;运用关键层理论和逐级对比合并法对高位离层离层进行判别,揭示了高位离层的演化机制;通过对水压作用下的离层下伏保护层破断距的计算,求解出工作面对应宽度下的高位离层下伏保护层的悬露长度。最后,结合研究区的工程地质与开采条件,选取了煤层开采厚度、保护层厚度和离层上覆静水压力以及覆岩硬岩岩性比例4个指标,利用层次分析法和熵权法综合确定各指标权重,开展了招贤煤矿高位离层水水害预测评价研究。该论文有图47幅,表26个,参考文献138篇。

我国西部煤炭资源具有薄基岩、储量大、煤质优良、埋深浅和地质条件简单等特点,薄基岩下采煤易导致突水溃砂事故的发生,由于煤层上覆基岩较薄,采动裂隙发育至含水层便会引起突水乃至于溃砂,对矿井安全生产、职工安全带来极大隐患,因此研究薄基岩下采煤对保障矿井生产就有重大意义。本文以转龙湾煤矿首采区为研究对象,分析矿井已有勘察资料,归纳整理了研究区工程地质条件与水文地质条件,对转龙湾煤矿薄基岩开展不同深度、岩性全应力应变渗透试验和声发射试验,试验结果得出岩石全应力应变渗透破裂可分为孔隙压密、弹性变形、稳定破裂和应变软化四个阶段,通过声发射实验中不同阶段振铃计数和能量率的变化验证了全应力应变渗透试验过程中变形破坏的四个阶段,能够较好的反映采动条件下裂隙的产生、扩展和贯通的过程。以转龙湾231S06工作面为例,基于现场实测确定导高为92m,经验公式计算结果分别为72.08m、75.52m,基于数值模拟软件可知工作面推进240m,导高已经发育至直罗组（46m）,工作面开采至550m,导高发育至最大值80.23m,最终确定导高为平均值80m。基于上述分析,设计12组正交试验,研究薄基岩下不同采动因素对导高发育的影响,基于响应面法确定薄基岩下开采二阶响应面模型方程,分析采高、基岩厚度、第四系厚度等之间交互作用对导高的影响,利用Design Expert软件对薄基岩导水裂隙带高度二阶响应面模型进行显著性分析,分析覆岩变形破坏特征,针对231S06工作面优化了开采参数。采用模糊层次分析法和熵权法选取基岩厚度、煤层厚度、基采比、基载比、隔水层厚度和硬岩比例为主控因素,基于Arc GIS平台构建FAHP-EM评价模型,确定最终权重,采用自然分级法确定区间阈值,进行转龙湾煤矿突水溃砂危险性分区。之后基于集水廊道法分别对工作面第四系潜水和基岩风化带水涌水量进行预测,结合实际情况对工作面防治水、排水系统设计提出了初步建议。该论文有图75幅,表25个,参考文献97篇。

随着我国煤炭资源开发往西部转移,西北侏罗纪煤田开发规模和强度增大,水害问题日趋严峻。黄陇煤田侏罗系厚及特厚煤层覆岩具有成岩时间短、弱胶结、泥质含量高等特点,导水裂缝带发育较高。作为沟通上覆含水层的主要通道,无论从矿井安全生产还是水资源保护等因素出发,导水裂缝带的演化规律研究都十分重要。本文以招贤煤矿为研究对象,在分析研究区1307工作面厚及特厚煤层覆岩（含、隔水层）工程地质与水文地质特征的基础上,采用野外调查、原位实测、理论分析、数值模拟等方法,研究覆岩采动导水裂缝带发育规律和导水裂缝渗流规律,建立岩体主控-网络裂隙渗流模型,揭示侏罗系软弱覆岩导水裂缝带时空演化机理,并对采动过程中涌水量进行预计,为制定矿井防治水方案实现安全开采提供依据。通过岩芯工程地质编录、钻孔电视测井和钻孔冲洗液漏失量及水位变化观测等实测方法综合确定1307工作面导水裂缝带发育高度为198.8 m;基于规范计算值为160.03 m,与实测值误差约19.4%;基于FLAC3D数值模拟表明煤层推进125 m时导水裂缝带发育高度突破延安组进入直罗组,煤层推进160 m时导水裂缝带发育高度突破直罗组进入安定组,煤层推进600 m时导水裂缝带发育高度达到最大值为200.1 m,与实测值误差约0.65%。采用正交试验原理来进行厚及特厚煤层综放开采下覆岩导水裂缝带动态发育影响因素研究,结果表明随着煤层推进距离的增加,导水裂缝带发育高度逐渐增加,发育的形态依次分为四个阶段:初始缓慢发育阶段、迅速发育阶段、发育变缓阶段、发育平稳阶段。整体来看,导水裂缝带发育高度与采厚、采宽、煤层埋深都呈正相关关系,但从影响效果来看,前期煤层埋深和采厚影响效果较大,后期采宽逐渐变为主控因素。基于三维应力-渗流模型关系,采用FLAC3D数值模拟输出应力场进行渗透率变化研究,结果表明煤层采动引起覆岩裂隙移动破坏,从而导致渗透性变化,随着远离采空区,其变化逐渐减小,整体表现为采空区两侧及其顶板渗透率显著增加,采空区周边的渗透系数要大于中间采空区的渗透系数,但采空区周围横向上渗透系数变化的影响区域要远小于垂直方向上,即渗透系数的增加在水平方向上显著大于垂直方向上的增加,但其前者的增加范围要小于后者。根据工作面推进距离与导水裂隙带发育高度和覆岩渗透系数变化的关系将工作面进行分段,从而分段分层预计煤层采动期间的涌水量,预计结果表明不考虑上覆离层突水情况下导水裂缝带发育高度未突破延安组采动涌水量为21.32 m3/h,导水裂缝带高度发育至直罗组时采动涌水量为为75.61 m3/h,导水裂缝带发育高度突破直罗组时采动涌水量为335.06 m3/h,预计结果为工作面防治水措施设计提供了依据。

“红层”广泛分布于我国华中、华南、西南及西北广大地区,具有岩体强度较低、抗风化能力弱、亲水性强以及浸水后岩体软化,强度迅速下降的特点,使得“红层”工程问题日益突出。淮北矿业集团信湖煤矿地质构造复杂,普遍被古近系巨厚“红层”所覆盖,加上目前针对“红层”工程地质与水文地质研究和借鉴较少,使得“红层”工程地质特性及煤层开采可能诱发的灾害问题越来越受关注。本文以安徽省信湖煤矿82采区“红层”为研究对象,在分析其水文地质与工程地质条件基础上,结合勘探过程中所收集到的信息,对古近系“红层”的分布规律及其物理、力学特性展开研究。利用XRD衍射分析和SEM扫描电镜进行“红层”微观结构分析,并通过全应力-应变渗透试验（GDS）和耐崩解试验,了解“红层”水理性质,进行隔水性能评价。同时,结合冲击倾向性测试,系统的总结了信湖煤矿古近系“红层”独特的工程地质特性。通过研究发现,“红层”整体性及自承性较差,随着8煤的开采,巨厚“红层”将在自重作用下随着基岩的垮落而增加支架的附加荷载,尤其是断层处,易形成较为强烈的矿山压力显现。另外,“红层”底部往往发育一定厚度的砂砾岩含水层,在采动的影响下易被导水裂隙带波及而导致“红层”突水。故本文以824工作面为例,结合FLAC3D模拟软件研究“两带”（裂隙带、冒落带）高度、断层影响范围以及采动覆岩破坏规律,并基于理论分析、数值模拟和相似条件矿井类比的方法确定导水裂隙带高度113m。然后结合勘探资料,在分析82采区巨厚“红层”灾害隐患的基础上,提出了“红层”与煤层间距、断层影响因素、导水裂隙带高度、“红层”底部含水层厚度、“红层”底部RQD、“红层”底部含水层泥岩比例、煤层厚度、“红层”厚度和钻孔单位涌水量9个诱发矿井地质灾害的主控因素,利用层次分析法（简称AHP）,建立了矿井地质灾害易发生程度分区评价的指标体系,对信湖煤矿82采区上覆巨厚“红层”诱发不良地质灾害的危险性程度进行分区,为实现巨厚“红层”下煤层安全开采提供基础参考。该论文有图79幅,表28个,参考文献96篇。

黄陇侏罗系煤田位于鄂尔多斯盆地南缘,具有大采高、大采深的特点,主要受到顶板离层水害威胁,其顶板侏罗系软弱泥质隔水层与白垩系巨厚层坚硬含水层交界处容易形成离层积水,该区域离层水害瞬时量大,且在突水过程中伴随强烈的泥砂俱下,导致工作面被水淹没、被泥砂掩埋,威胁矿井安全生产,需要对离层突水事故进行研究,建立离层突水预报预警体系。本文以招贤煤矿一采区为研究对象,在研究侏罗系覆岩工程地质特性的基础上,结合一采区工作面离层突水特征,通过现场实测、理论分析、数值模拟等方法,建立离层突水模型,分析离层突水主控因素、离层突水前兆信息,构建离层突水危险性评价模型与离层突水前兆信息预警模型。研究取得的主要成果如下:1)通过分析一采区工作面,1304工作面3次离层突水特征主要表现为瞬时量大,携带大量泥砂,涌水量逐次增大,突水前宜君组水位下降时间逐次减少;侏罗系覆岩以泥岩为主,出水位置安定组泥质岩类占比较小,直罗组与延安组泥质岩类占比较大,覆岩整体评级较差;采后宜君组富水性增强。2)综合现场实测、相似条件矿井拟合、数值模拟、突水位置推测,预测突水工作面导水裂隙带发育高度为259m;基于关键层理论判别离层发育位置主要发育在宜君组与安定组交界面;采用梁断裂理论预计主关键层初次破断距328m,周期破断距146m,离层下伏亚关键层初次破断距166m,周期破断距40m。3)通过3DEC离散元软件模拟非匀速开采条件下覆岩离层主控裂隙演化,在非匀速开采条件下,停采点前后覆岩非同步运动,促进导水裂隙发育,在停采点后离层空间由下往上重新发育。4)建立离层突水危险性综合评价模型,运用层次分析法与熵权法,综合确定各因素权重,对一采区离层突水危险性进行评价,根据离层突水危险性分区,对招贤煤矿一采区未开采工作面进行突水危险性预测。5)将1304工作面回采期间微震信号与宜君组水位变动作为离层突水前兆信息,验证覆岩离层演化过程与离层突水前兆信息关系,总结离层突水模式。6)建立离层突水前兆信息模型,运用层次分析法确定各因素权重,绘制离层突水前兆信息综合指数图,将突水预警线设置为0.1。该论文有图75幅,表32个,参考文献109篇。

在我国西北矿区煤矿突水事故中,由煤层底板砂岩裂隙含水层发生突水从而造成矿井被淹的情况实属罕见;新上海一号煤矿发生的由侏罗系宝塔山砂岩含水层引发的“11.25”底板突水淹井事故在西部侏罗纪煤层的开发过程中尚属首例。宝塔山砂岩含水层在宁东地区及其周边区域普遍存在,新上海庙一号煤矿、榆树井煤矿、灵新煤矿、羊场湾煤矿以及槽村煤矿等矿区未来下组煤开采均会受到宝塔山砂岩含水层的威胁,因此有必要对宝塔山砂岩含水层水文地质特征及突水危险性评价开展研究。本文以新上海一号煤矿矿区内宝塔山砂岩含水层为研究对象,在整理宝塔山砂岩补勘及放水试验资料的基础上,对宝塔山砂岩含水层水文地质特征开展了研究,评价了18煤底板隔水层的突水危险性,建立宝塔山砂岩三维地下水数值模型,并对宝塔山砂岩含水层涌水量进行了预测。研究取得主要成果如下:1)宝塔山砂岩位于延安组底部,与延长组顶界面不整合接触,主要为二十一煤底板下部的中粗粒砂岩,颜色一般呈现灰白或肉红,矿物组成以石英为主,泥岩胶结,部分层位可见虫洞,局部含少许黄铁矿结核。宝塔山砂岩埋深在矿井范围内呈西北至东南递减的变化趋势,在井田东南区域埋深最大。2)研究区内宝塔山砂岩的富水性呈现弱富水至中等富水。区内宝塔山砂岩的富水性有明显的差异性,西部富水性弱于东部,一分区富水性最强,二分区、三分区富水性较弱。调整参数使得宝塔山砂岩含水层三维地下水数值模型通过识别和验证,反演出新上海一号煤矿宝塔山砂岩含水层5个分区的水文地质参数数值解,水平渗透系数1.1～3.4m/d,垂向渗透系数取水平渗透系数的1/10,即0.11～0.34m/d,储水率为1.2×10-7～2.6×10-6。3)突水系数法和脆弱性指数法预测结果显示:新上海一号煤矿西部区域突水危险性相对较小,东南部突水危险性最大。4)基于宝塔山砂岩含水层三维地下水数值模型,新上海一号煤矿18煤一分区正常涌水量为416.7m~3/h,致灾涌水量为2000m~3/h;二分区最大涌水量约为333.3m~3/h,三分区最大涌水量为150m~3/h,致灾涌水量为833.3m~3/h。该论文有图70幅,表30个,参考文献108篇。