近年来,随着煤炭资源的大量开采,华东、华北等许多矿区出现了资源匮乏和工作面接续紧张的问题。为了扭转这一局面,矿井在浅部区域提高了开采上限,缩小了安全煤(岩)柱留设厚度,提高了资源的回收率,但同时许多矿区发生了灾难性的突水溃砂事故,造成了巨大的经济损失和人员伤亡。目前具有厚砂土层、薄基岩地质特征的西北地区为我国主要的煤炭生产基地之一,回采工作面突水溃砂也时有发生,时刻威胁着矿井的安全生产。突水溃砂事故一般发生在特殊地质条件下的煤层开采过程中,属于矿井隐蔽灾害,突水溃砂机理需通过现场观测、理论分析和室内试验相结合进行综合分析研究。本文以赵固矿区地质条件为基础,通过分析赵固一矿薄基岩工作面突水溃砂事故实例,根据薄基岩区的地质特征,构建了楔形保水压结构模型,并通过室内试验研究了楔形保水压结构的保水特性;运用矿山压力与岩层控制相关理论、材料力学理论,采用有限元和离散元数值分析法研究了薄基岩工作面覆岩破坏规律和楔形保水压结构下开采的危险性;利用研制的风化岩石裂缝涌水扩展试验装置研究了高水压作用下裂隙风化泥岩保护层的稳定性和风化泥岩裂缝涌水及扩展规律;通过采动裂缝几何特征对涌砂影响的专门试验装置研究了采动裂缝形态和尺寸对突水溃砂的影响;采用弹塑性力学、渗流力学及断裂力学等理论研究了高水压作用下防砂安全煤(岩)柱失稳的力学机制,完善了高水压条件下防砂安全煤(岩)柱留设方法和突水溃砂防治工程判据。论文研究主要有以下成果:(1)按照厚度变化基岩分为厚基岩、薄基岩和超薄基岩三类,根据赵固一矿采矿条件,将基岩厚度小于等于50m的区域划分为薄基岩区,顶板属于中硬类型。薄基岩区松散层中部有厚层粘土层,浅部含水层对矿井充水无直接影响;新近系底部绝大部分区域为厚层粘土层,局部有砂砾“天窗区”,对矿井充水有影响;风化带含水层和顶板砂岩含水层为弱富水性,对矿井充水影响有限,可采用采前钻孔疏放和工作面边采边疏的方法进行防治。(2)分析了薄基岩工作面突水溃砂实例,揭示了高水压作用下防砂安全煤(岩)柱的失稳机理,构建了楔形保水压结构模型。楔形保水压结构由上、下粘土层、中部砂砾“天窗区”和楔形风化带岩层组成。土工试验、风化带岩石强度试验、阻水性能试验和崩解试验表明松散层深部粘土和风化带泥岩具有良好的隔水性能和保水性能,受巨厚松散层的影响,楔形保水压结构中局部存在含水层“高压核”,对薄基岩工作面开采构成很大威胁。(3)运用材料力学理论和关键层理论研究了工作面矿压显现特征和关键层特征。研究表明巨厚松散层薄基岩工作面老顶初次来压和周期来压步距短,顶板中仅存在单一关键层,老顶破断岩块易形成“短砌体梁”结构。巨厚松散层薄基岩工作面老顶“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构易发生变形失稳和滑落失稳,导致工作面矿压显现剧烈,将加剧松散层底部砂土层的变形失稳和破坏。(4)根据巨厚松散层粘土的工程特性,厚层粘土层具有自承载能力,可减小上部土层对关键层传递的载荷,提出了关键层发生复合破断时关键层组合梁上部岩层载荷传递系数,并结合岩层组合梁载荷传递理论,推导出载荷传递系数公式,结合现场矿压实测数据计算出该地质条件下薄基岩工作面载荷传递系数为0.24~0.30。根据顶板关键层复合破断和变形特征,推导出关键层复合破断岩块上部裂缝通道宽度公式。通过分析老顶断裂岩块回转角和断裂角的变化特征,根据裂缝几何形态将裂缝通道划分为矩形截面、梯形截面等9种类型。(5)以薄基岩区地质条件为基础,建立了薄基岩大采高工作面数值计算力学模型,通过有限元和离散元数值模拟研究了薄基岩工作面的覆岩破坏规律。数值分析结果表明随着工作面的推进,覆岩破坏区域范围不断扩大,达到充分采动后,覆岩的破坏高度不再增加,塑性破坏区形成“马鞍”型,岩层移动角为75°左右。煤层开采后,采空区正上方、正下方岩体出现卸压现象,在煤壁前方出现应力集中。工作面回采后覆岩破坏塑性区分为拉伸破坏区、拉伸裂隙区、剪切破坏区和拉剪破坏区。采高为3.5m时,垮落带高度为12~15m,垮采比3.43~4.29;导水裂缝带高度为42~43m,裂采比12.00~12.29。薄基岩工作面大采高开采产生的导水裂缝带将波及到楔形保水压结构,引起“高压核”破坏泄漏,对工作面的安全开采造成直接的影响。(6)根据模拟试验相似原理和流体力学理论,研制了风化岩石裂缝涌水扩展试验装置,研究了高水压作用下采动裂缝风化泥岩保护层的稳定性。通过考虑注水压力、裂缝宽度、下位裂缝宽度和岩石物理性质四个因素,共设计4个试验方案,9组试验。试验结果表明,水压作用下风化泥岩裂缝扩展存在临界水头压力,水头压力达到临界值时裂缝发生扩展,引起风化泥岩保护层失稳破坏,逐渐丧失阻水砂性能,形成管涌;随着风化泥岩裂缝的扩展,含水层水压力不断减小,水压降速逐渐减小;涌水量变化呈斜“s”型,先增大后逐渐趋于稳定;风化泥岩裂缝扩展分为初始裂缝弥合期、裂缝扩展期和崩解破碎期3个阶段;裂缝扩展时间的长短和裂缝扩展宽度与注水压力、裂隙初始宽度、岩石物理性质有关,是渗流场与应力场相互作用的结果。(7)风化泥岩裂缝涌水扩展试验中,通过设定不同的变量和参数,经水流冲刷后风化泥岩裂缝表面呈现不同的裂纹特征,裂缝在水流冲刷作用下,裂缝切面经历了片蚀和沟蚀两个阶段。根据泥沙流动理论建立了风化泥岩裂缝涌水扩展力学模型,推导出高水压水流作用下岩体表面颗粒失稳发生的力学条件。岩石裂缝面上的颗粒失稳造成裂缝扩展,水力坡度越大渗透力就越大,水流作用下颗粒就越容易失稳,从而导致裂缝扩展程度增大。(8)利用研制的采动裂缝几何特征(形态、尺寸)对涌砂影响的专门试验装置研究了采动裂缝几何特征对突水溃砂的影响,共设计3个试验方案,24组试验,并通过理论经验公式分析了裂缝几何特征和砂层物理性质对涌砂临界水力坡度的影响。岩石裂缝涌砂过程分为滴水、局部砂粒失稳和砂层失稳水砂混合流溃出三个阶段;水砂涌出后砂层中上部形成漏斗状空洞,砂层下部形成长轴与裂缝长度方向一致的椭球体状空洞;裂缝几何特征不同,水砂涌出临界水力坡度和溃砂量差异大;裂缝宽度越大,砂层密实度越低,水砂涌出的临界水力坡度就越小,容易发生突水溃砂。(9)通过对薄基岩区覆岩破坏规律和高水压作用下风化带保护层失稳的研究,提出了高水压作用下防砂安全煤(岩)柱失稳渗流-管涌演变力学模型,对突水溃砂力学机制进行了系统研究。根据孔隙-裂隙弹性理论将采动前后和高水压渗流失稳后的保护层风化岩体概化为非连通裂隙岩体、连通裂隙岩体和破碎岩体3种类型,分析认为薄基岩工作面发生突水溃砂前后裂隙岩体渗流变化经历了4个阶段:采前低渗流阶段、采后高水压渗流阶段、渗流失稳阶段及管涌阶段,并建立了各个阶段固液耦合力学模型,揭示了高水压作用下防砂安全煤(岩)柱失稳突水溃砂的整个过程。(10)完善了水体下采煤安全煤(岩)柱的留设方法。根据覆岩破坏规律和室内试验结果,考虑高水压对采动裂隙风化泥岩保护层阻隔砂性能的不利影响,提出了适用于高水压条件下的防砂安全煤(岩)柱留设方法,增加了高水压作用下煤柱的损伤厚度并提出了对其确定的方法。结合薄基岩区突水溃砂工作面顶板孔探测结果,提出了突水溃砂防治工程判据。为了防止楔形保水压结构下采动时,“高压核”含水层泄漏对防砂安全煤(岩)柱稳定性的影响,制定了工作面顶板疏水降压措施。将研究成果应用于薄基岩区其他工作面实现了安全开采,取得了显著的经济效益。