随着矿井开采深度的不断加大,在高地应力、高水压环境下,煤矿顶底板的安全性面临着巨大挑战。由于矿山环境的复杂性和采动岩体的特殊性,煤层开采打破了岩体原岩应力平衡状态,产生应力重分布,造成顶底板破坏,使得顶底板裂隙发育,裂隙导通含水层造成突水事故,使生命安全和安全生产面临危险。本文总结了前人的研究经验,结合山东万福煤矿首采面工程地质背景,运用理论分析、物理模型试验、数值模拟、层次分析和信息熵等方法,针对以往底板突水评价中对顶板和底板协同作用考虑较少的现状,研究了煤层开采顶底板应力、位移和裂隙协同演化规律并将其应用于底板突水危险性评价,为实际工程提供了理论依据。本文取得的研究成果如下:（1）根据万福煤矿首采工作面的工程地质条件,概化了工程地质模型,进行了两组大型物理相似模型试验和两组3DEC数值模拟,一组为纵剖面模型,沿着首采工作面倾向方向,一组为横剖面模型,沿着首采工作面走向方向,用于研究煤层开采过程中顶底板应力、位移和裂隙的协同演化规律。（2）根据模型试验和数值模拟结果,得到顶底板应力协同演化规律。对于横剖面煤柱,顶底板煤柱应力变化趋势基本一致,两侧煤柱应力均呈现对称分布,且越靠近采区,应力变化越大。对于纵剖面煤柱,顶底板应力变化曲线同样基本一致,整个过程可以大致分为二个阶段:首先在工作面推进前800m（模型试验尺寸240cm）,开切眼附近煤柱表现为应力随工作面推进阶梯形上升;在工作面推进到800m（模型试验尺寸240cm）以后,开切眼附近煤柱应力基本保持不变,但停采线附近煤柱应力随工作面的推进阶梯形上升。对于纵剖面采区,顶底板采区应力变化趋势同样基本一致。整个应力变化过程可以大致分为五个阶段:应力缓慢上升阶段、应力阶梯上升阶段、应力释放阶段、应力再次阶梯上升阶段和逐渐稳定阶段。（3）根据模型试验和数值模拟结果,得到了顶底板位移协同演化规律。模型试验表明,对于横剖面底板采区,底板整体位移向上,越靠近底板中部,底板向上位移越大,底板位移变化可以分为三个阶段:位移快速上升阶段、位移快速下降阶段和稳定阶段。对于纵剖面底板采区,位移变化可以大致分为三个阶段:位移缓慢上升阶段、位移急剧上升阶段和逐渐稳定阶段。对于纵剖面顶板采区,顶板位移变化可以大致分为五个阶段:位移缓慢增长阶段、位移阶梯增长阶段、位移急剧增长阶段、位移再次阶梯增长阶段和逐渐稳定阶段。数值模拟表明,对于横剖面顶底板煤柱,顶底板同一竖直测线上位移变化趋势基本一致,且越靠近采区位移变化越大,两侧煤柱位移呈现对称分布。对于横剖面底板采区,整个位移变化过程可以大致分为三个阶段:向上位移阶段、向下位移阶段和逐渐稳定阶段。对于横剖面顶板采区,越靠近采区中部,顶板位移达到稳定所需时间越短,整个位移变化过程可以大致分为三个阶段:位移急剧增加阶段,位移缓慢增加阶段和逐渐稳定阶段。对于纵剖面采区底板,底板垂向位移变化可以大致分为五个阶段:位移缓慢向下阶段、位移阶梯向下增长阶段、位移急剧向上增长阶段、位移再次阶梯向下增长阶段和逐渐稳定阶段。对于纵剖面采区顶板:顶板位移变化可以大致分为四个阶段:位移缓慢向下阶段、位移阶梯向下阶段、位移急剧向下阶段和逐渐稳定阶。（4）根据模型试验和数值模拟结果,获得了顶底板裂隙发育协同演化规律。对于模型试验,在工作面的推进过程中,顶底板均会产生垂直裂隙和斜向裂隙,顶底板垂直裂隙均主要发育在每次工作面推进过程中的采空区顶底板未接触区域中部,顶底板斜向裂隙均主要发育在每次工作面推进正后方。工作面推进过程中,底板裂隙发育最大深度为17cm（相当于原型51m）,顶板裂隙发育最大高度为50cm（相当于原型150m）。对于数值模拟,工作面推进过程中,底板裂隙发育最大深度为45m,顶板裂隙发育最大高度为90m。（5）针对以往底板突水评价中对顶板考虑较少的不足,建立了基于顶底板协同演化的万福煤矿首采面底板突水危险性评价方法,对首采面底板突水危险性进行了分区。以隔水层厚度、含水层厚度、含水层上岩石脆塑性比、煤层倾角、煤层厚度、工作面支承压力和煤层埋深七个因子作为底板突水危险性评价主控因素。利用层次分析法和信息熵法得到七个影响因子的组合权重,最后利用Surfer软件图层叠加,得到万福煤矿首采面底板突水危险性分区图,根据危险性分区结果发现煤层底板受太灰含水层影响突水危险性较大的区域主要位于首采面中部、开切眼附近及停采线附近。结果为首采面防治水工作提供了科学依据。该论文有图68幅,表31个,参考文献104篇。