顶板涌水问题根本原因在于煤层开采过程中采动应力对渗流场的改变,并且在二者耦合作用下改变了地下水的运移规律,当煤层顶板赋存承压含水层,巷道及煤层开采会造成上覆岩层原始应力平衡状态遭到破坏,从下往上形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带,应力场和渗流场的耦合作用造成涌水具有水量大、突发性强和路径复杂的特点。因此系统研究应力和渗流耦合作用下,不同空间位置含水层在煤层推进过程中涌水路径和演变规律,正确认识工作面涌水机理,对煤矿安全生产、灾害防治与预警以及水资源保护与利用具有重要意义。当承压含水层在裂隙带以上,承压水主要通过劣化溶蚀劈裂的方式作用于下覆岩层;当承压含水层在垮落带和裂隙带之间,承压水主要通过挤入和渗透等方式作用于下覆岩层和工作面;当承压含水层在垮落带以内时,承压水主要侧向补给方式进入,并作用于工作面。针对承压含水层与煤层不同空间位置引起的地下水流场的运移问题,本文围绕煤层上方承压含水层的耦合力学演化模型建立、含水层岩石横向渗透性规律研究,应力和渗流耦合作用下数值模型的建立、工作面顶板涌水路径和机制分析、涌水量预测方法的工程运用等研究问题,采用理论分析、物理试验、野外实验、数值模拟和现场监测数据分析等方法,对应力和渗流耦合作用下工作面顶板涌水途径和机理展开系统研究,取得如下研究成果:1、开展承压含水层与煤层不同空间位置的理论分析,针对承压含水层位于裂隙带以上的情况,建立无损伤状态下复合承载层与静水压力作用的应力渗流耦合模型,量化了劣化溶蚀作用下隔水层透水临界水压值;针对承压含水层位于裂隙带和垮落带之间的情况,建立弯曲变形状态下复合承载层与静水压力作用的应力渗流耦合模型,建立一套应力渗流耦合作用下承载层损伤判据标准;针对承压含水层位于垮落带以内的情况,建立“M”型结构应力渗流耦合力学模型,并研究工作面连续开采下应力渗流耦合结构特征演变规律,建立“V”-“M”型岩层结构转化模型,得出连续开采条件下工作面前方煤体以推采距离为变量的最大支承应力解析式;2、通过自行设计的横向渗透性测量系统,参考实际采动过程中的应力变化特征为加载路径,开展工作面上方含水层岩石在采动应力下横向渗透演化规律研究,定量化的研究横向渗透率与垂直应力之间的渗透-应力关系,实验结果表明,根据实际采动过程设计的特定加载路径,砂岩渗透性随应力状态的变化呈现先急剧下降再稳定和小幅波动塑性激增的过程;3、以实验所得横向渗透率与垂直应力之间的渗透-应力关系为基础,提出适合应力渗流耦合下应力-横向渗透性本构关系,通过数值模拟软件COMSOL研究应力渗流耦合作用固体应力场和流体应力场的变化规律,得出了含水层超前减渗现象的特征,即含水层岩石在超前支承压力增加和围压降低的过程中渗透系数呈现降低的现象,揭示了不同开采距离、不同煤层厚度、水压大小和顶板管理方式下含水层渗透超前减渗现象的变化规律;4、选取大井法和狭长水平坑道法预测工作面水量变化,并与工作面实际涌水量数据对比分析;通过对工作面实际矿压显现规律与涌水量对比分析;从地下水和矿山压力显现规律两个方面探讨了应力渗流耦合作用下地下水运移规律,以敏东矿区为例,将工作面涌水阶段分为工作面开切眼阶段、Ⅲ含隔水层开始垮落阶段、Ⅲ含隔水层完全垮落阶段、Ⅲ含含水层开始垮落阶段和复合承载层结构形成阶段5个阶段,对每个阶段涌水量、速度、水源、特点和机制都展开详细研究,对煤矿安全生产、灾害防治与预警以及水资源保护与利用具有重要意义。