我国西部煤炭资源丰富,晋陕蒙宁甘地区探明煤炭储量占全国的62.7%,2013年晋陕蒙宁甘地区煤炭产量23.82亿吨,占全国总产量的80%以上。煤炭作为我国主体能源格局相当长时期内难以改变,煤炭资源开发重心向西部转移是保障我国能源安全的必然要求。但是我国西部富煤地区多处于干旱和半干旱地带,水资源仅占全国的3.9%,且年蒸发量是降雨量的6倍,生态环境十分脆弱。西部煤炭开采普遍采用超大工作面、一次采全高等现代采煤技术,由于矿区煤层埋藏浅、上覆基岩薄、地表为厚风积沙覆盖层,这种高强度、整体式的开采覆岩变形破坏往往形成冒裂带和裂隙带的“两带”结构,含水层结构破坏严重,造成基岩含水层和第四系松散含水层水体向采空区渗流,造成矿区地下水资源渗漏流失和井下突水溃沙地质灾害等,对矿区水资源系统和地表生态造成了巨大扰动。因此,开展煤炭开采过程中上覆岩层变形破坏及其渗透性评价研究,对西部生态脆弱矿区煤炭安全开采及地下水资源保护具有重要意义。本文以神东矿区大柳塔煤矿为依托,运用煤矿工程地质学、岩石(体)力学、岩体水力学及采矿工程等理论,采用实验研究、理论分析、物理模拟试验和数值模拟计算等方法开展了煤炭开采上覆岩层变形破坏及其渗透性评价研究,揭示了不同岩性岩石全应力-应变-渗透性规律,并建立了岩体渗透系数与应力应变之间的三维关系和模型。研究了煤炭开采上覆岩层破断及裂隙演化规律和超大工作面应力-位移变化规律及其控制机理;揭示了煤炭开采顶底板岩层渗透系数场分布及其控制因素。基于采空区冒裂带岩体孔隙率及渗透性分布特征,建立了煤炭开采上覆岩层渗透性评价理论与方法,揭示了煤炭开采上覆岩层渗透性分区、分带特征,对研究区煤炭开采上覆岩层渗透性进行了评价,为煤矿安全开采和水资源保护提供了理论依据。通过以上研究,取得了如下成果和认识:(1)采用电液伺服岩石力学实验系统,分析了煤层上覆岩石全应力应变过程的渗透性规律,不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,在弹性变形阶段岩石渗透系数随着微裂隙闭合逐渐减小,在塑性变形阶段岩石渗透系数随着裂隙的扩展、贯穿而迅速增加,渗透系数峰值主要发生在应变软化阶段,不同岩性岩石存在一定差异性;不同岩性岩石的平均最大渗透系数排列顺序是:泥岩<砂质泥岩<粉砂岩<细砂岩<中、粗砂岩,因此在煤炭开采过程中泥岩和砂质泥岩是比较好的隔水岩层。应用孔隙弹性力学理论,建立了三向应力条件下裂隙岩体渗透系数与应力-应变的耦合模型及三维关系。这些成果揭示了采动应力-裂隙-渗流演变机理,为煤炭开采顶底板岩层渗透性评价提供了理论基础。(2)以大柳塔井田主采煤层顶底板沉积岩体为对象,建立了不同沉积岩性组合结构地质模型,采用物理模拟试验方法研究了煤炭开采上覆岩层破断及裂隙演化规律,并分析了沉积岩性组合对煤炭开采过程中覆岩变形破坏、支承压力分布及覆岩裂隙发育的影响,并在物理模拟试验和大量现场实测数据的基础上,建立了西部煤炭规模开采条件下的导水裂隙带高度计算模型。研究结果表明:(1)神东矿区煤炭规模开采条件下覆岩破坏形成冒落带和裂隙带的“两带”结构,导水裂隙带发育高度明显偏大,并受煤岩层结构所控制,周期来压步距大,采场矿压不因采深变浅而减小,反而出现异常强烈的矿压显现。(2)由于煤层顶板岩体岩性组合结构的不同,顶板岩体变形破坏、支承压力分布和位移变化规律各异,表现为岩性组合结构由砂岩类到砂岩-泥岩互层类时,顶板岩体整体强度由大变小,基本顶初次垮落步距、周期垮落步距及冒裂带高度减小;工作面超前支承压力亦由大到小变化,支承压力区影响范围减小,且支承压力峰值位置向煤柱深处转移;不同高度顶板岩层下沉曲线协调性变差,层间离层量变大。(3)煤炭开采上覆岩层断裂后裂隙率发生变化,水平方向裂隙率呈“马鞍”形分布,采空区边界处覆岩裂隙率较中部大得多,垂直方向裂隙率随着距开采煤层高度的增加呈对数函数关系减小;上覆岩层强度越高,采动裂隙率越大,工作面和开切眼侧破断岩块回转角越大。(3)以大柳塔井田主采煤层顶底板沉积岩体为对象,通过flac3d数值软件对超大工作面进行了开采模拟计算,揭示了超大工作面开采覆岩应力与位移变化规律:超大工作面与普通工作面相比顶板下沉量明显增加,且增加幅度随着采高的增加而变大,当工作面长度由240m增加到360m时,采高5m、6m和7m时的工作面后33m煤层上方26m处老顶岩层下沉值分别增加19.5%、29.8%、42.9%;超大工作面与普通工作面相比超前支承压力峰值明显增加,且增加幅度随着采高的增加而变大,当工作面长度由240m增加到360m时,采高5m、6m和7m时的工作面超前支承压力峰值分别增加14.2%、18.5%、27.1%。(4)采用有限差分方法模拟了开采因素和地质因素对超大工作面开采围岩移动变形与应力的影响,揭示了超大工作面围岩变形破坏控制机理。计算结果表明,随着采高和工作面长度增大,超前支承压力峰值变大,煤壁破坏率呈非线性急剧增加,支承压力影响区域向煤柱深处转移,即增加了采场支护系统要求和围岩控制难度;加大工作面长度和加快工作面推进速度能增加覆岩运动整体协调性,降低覆岩移动变形量,有效增加了上覆岩层均匀沉降区面积;断层的存在导致初始地应力场扰动,形成断层带低应力区及高应力集中区,在回采过程中引起顶板剧烈运动,煤壁与断层之间的煤柱内形成较高的应力梯度。(5)采用有限差分方法耦合岩体渗透系数与应力应变的三维关系式,模拟回采工作面的采动影响特征,揭示了工作面围岩渗透性分布规律及其控制因素。研究结果表明,工作面围岩水平方向渗透性增加幅度和增加区范围较垂直方向渗透性要大得多,水平方向渗透性增加区位于采空区的正上方和正下方,其分布形状近似“椭圆形”,最大高度出现在采空区中部的正上方;而垂直方向渗透性增加区的范围不仅分布在采空区的正上方及正下方,还延展到开采区边界斜上方、斜下方30m以外,其分布形状近似呈“马鞍形”,最大高度一般出现在采空区两侧边界斜上方。(6)煤层顶底板岩体的渗透性随着煤炭开采岩体变形破坏呈规律性变化,在煤炭开采过程中处于原岩应力区和超前压力压缩区煤岩体,在工作面前方超前支承压力的作用下渗透性较小;处于采动矿压直接破坏区的煤岩体,其渗透性相应增大,一般最大渗透性就出现在该区;处于岩体应力恢复区内的煤岩体,其应力逐渐恢复并接近原岩应力状态,其渗透性逐渐减小。采空区垮落岩体渗透性恢复与地面下沉值、采高、采动破碎岩体的碎胀系数和煤层埋深等有关,并推导出了采空区内不同位置岩体渗透恢复系数与地表下沉值之间的关系式。(7)基于孔隙率与碎胀系数的关系和覆岩下沉规律,得出了采空区冒裂带岩体孔隙率和渗透系数分布计算模型,分析了采空区冒裂带岩体孔隙率及渗透性空间分布特征,建立了煤炭开采上覆岩层渗透性评价理论与方法,揭示了煤炭开采上覆岩层渗透性分区、分带特征,并对研究区煤炭开采上覆岩层渗透性进行了评价。研究表明,采空区冒落岩石渗透系数在横向上呈“铲”状分布形式,由煤壁和两巷侧向采空区内部渗透系数值减小两个数量级,冒裂带岩体渗透系数自开采煤层向上呈负对数函数关系减小。采空区冒落岩体沿走向划分为孔隙渗流特性极好区、孔隙渗流特性较好区和孔隙渗流特性中等区;冒裂带岩体由底界至顶界依次划分为极强渗透带、强渗透带、中等渗透带和弱渗透带。(8)根据大柳塔煤矿活鸡兔井探放水试验,得出该矿区采空区冒落带孔隙率经验值为0.158,建立了神东矿区采空区冒落岩石孔隙率与岩性的关系式。基于采空区冒裂带岩体孔隙-渗透性评价,提出了煤矿采空区储水量计算模型,并计算出了大柳塔井田2-2煤层采空区不同储水高度的时的储水量,为神东矿区煤矿地下水库保护利用地下水资源提供了理论基础。