随着国内煤矿开采深度不断增大,来自奥陶系高承压岩溶裂隙水对下组煤层的安全回采威胁变大。据统计,80%左右的底板突水事故与断层有关,而底板隐伏断层由于其隐蔽性特点,一直是造成煤层底板突水的主要因素。为此,本文从华北煤田矿区近期发生煤层底板突水案例分析入手,为解决煤层底板隐伏断层突水的难题,采用理论分析、现场实测、室内试验、相似模拟和数值模拟相结合的方法,系统研究了煤层底板破坏与递进导升协同突水过程,揭示了采场底板隐伏断层底板破坏与递进导升协同突水致灾机理,取得了如下主要成果:(1)通过对河南受水害严重的焦作、郑州以及永城矿区的突水资料分析得出,在采动应力及承压水共同作用下,煤层底板具有导升现象的部位是构造发育部位,也是力学性质薄弱的部位,突水通道一般为隐伏导水断层、裂隙带等,岩溶含水层的富水性以及水压直接决定了突水与否和突水量大小,递进导升引起突水是煤层底板突水的普遍形式。并对近期发生的底板突水案例分析,阐述了底板隐伏构造在水压和矿压的共同作用下产生的递进导升现象,证实了底板采动破坏与递进导升协同突水这一现象的存在可能性。(2)基于线弹性断裂力学理论,建立了采场底板破坏与递进导升协同突水的力学模型,提出了底板破坏与递进导升协同突水评价判据;利用底板隐伏断层上端的应力强度因子,隐伏断层在采动应力及承压水水压共同作用下,断层面尖端应力集中,增加了应力强度因子,导升高度上升;随工作面的推进,断层面尖端应力变化重复上述,导升高度再次升高,有效隔水厚度减小,同时底板破坏深度加大,当其与导升高度对接时突水发生。推导出递进导升突水临界力学解析式和断层到底板破坏区的最小安全距离。(3)以焦作矿区赵固一矿开采二1煤层为背景,自主研发了煤层底板破坏与递进导升协同突水定点动态监测系统,并设计出采场含隐伏断层底板采动破坏与递进导升协同突水相拟材料模型,模拟表明底板采动破坏与导升高度的递进发展协同作用构成了底板突水的关键因素。随着工作面推进,隐伏断层递进导升过程经历了自然导升段、递进导升段、强化导升段以及贯通阶段四个阶段,与煤层底板岩体裂隙发育的速度和规模有着重要关系,当采动应力卸荷出现峰值时,递进导升程度加强且水量增加,底板岩体卸荷程度与递进导升强度和动态监测管出水量同步达到峰值,直观地揭示了采场底板破坏与递进导升协同突水机理及两者之间的时空演化规律。(4)采用FLAC3D数值模拟软件系统研究了底板裂隙扩展与隐伏断层递进导升突水动态发展过程。随着工作面的开挖,在水岩耦合共同作用下,隐伏断层周边渗流场与工作面前方的塑性破坏场逐渐对接,断层突水的危险通道渐渐形成,再现底板突水路径的应力场、渗流场演化过程,即围岩塑性破坏场与渗流场渐渐耦合过程,揭示了隐伏断层底板原位拉张裂隙产生→扩展以及水压跟踪传递→采动破坏带与递进导升带沟通→底板岩层破裂与递进导升协同突水机理,模拟结果与相似模拟的成果具有相近性和一致性。(5)利用高精度微震监测技术,对赵固一矿16001工作面底板实现了连续动态监测,获得了底板裂隙发育程度范围和隐伏断层递进导升突水过程,得出底板破坏与递进导升协同突水的微震事件时空分布规律,证实底板破坏与递进导升协同突水机理的合理性,具有重要的实践意义和广阔的工程应用前景。图[87]表[13]参[198]