本文针对淮南煤田刘庄矿东区1煤开采受到下伏石炭系太原组多层薄层岩溶含水层和奥陶系岩溶含水层突水威胁的问题,应用构造地质学、矿井水文地质学、地下水动力学、岩石力学、采矿学、水文地球化学、层次变权和流固耦合等基本理论,通过研究区地质和水文地质条件分析、多元地学信息融合计算和分析、断层带岩石渗透性试验数据分析、FLAC3D数值模拟和分析、MODFLOW数值模拟和分析等手段,研究了矿井东二采区及1煤首采工作面的底板突水危险性,预测了首采区回采前的岩溶水疏降水量,并分析了岩溶水的可疏降性,研究成果较为符合矿井生产实际。本文取得的主要成果如下:(1)在研究区地质和水文地质条件分析的基础上,确定了 1煤底板的主要充水含水层,直接充水含水层为石炭系太原组3灰、4灰,间接充水含水层为石炭系太原组1 1灰、12灰、奥陶系岩溶含水层。刘庄矿区地应力场宏观类型属大地动力场-准静水应力场型。(2)从矿井水文地质学的角度,在矿井充水条件基本概念的基础上,提出了影响突水危险性的“合力与角力”的概念,然后利用层次变权理论,构建了基于层次变权理论—“合力与角力”的煤层底板突水危险性评价模型,并对1煤东二采区底板突水危险性进行了评价与分区。在通过比较常权、变权、层次变权—“合力与角力”模型对东二采区1煤底板两层主要充水含水层突水危险性评价结果可以看出,三种评价结果的差异是由其各自的特点决定的。常权模型的指标权重在整个研究区内为固定值;变权模型“惩罚”了不利于突水的相对低值指标,“激励”了有利于突水的相对高值指标,对中间值指标既不激励也不惩罚,使整体评估危险性水平相对常权模型有所上升;层次变权模型从控制煤层底板突水的含水层、导水通道和弱透水层条件的角度,分析了各个主控因素之间的关联和制约关系,从三个方面构建上层主控因素,然后对上层主控因素的权重进行再调整,不但解决了常权评价模型中主控因素权重在整个研究区不变的问题,还能够体现出主控因素内部之间的联系和制约对煤层底板突水的控制作用,使得在一些区域的评估结果相对更加合理。对于煤层底板多含水层的情况,在评价过程中不但要考虑单一含水层内部的突水危险性水平差异,还要结合研究区具体的情况,考虑不同含水层之间的总体危险性水平差异,不能将各个含水层突水危险性孤立开来。(3)通过分析刘庄矿区主要断层带岩石三轴压缩渗流实验和原位渗透性试验数据,得出了不同岩性的应力-应变-渗透率关系特征。断层带岩石渗透率变化具有一般性的规律:在初始压密阶段,对于原生裂隙不发育的岩石渗透率变化较小,而原生裂隙相对发育的岩石则被压密;进入弹性阶段,随着新萌生裂隙的不断扩展和联通,岩石的渗透率不断增加,根据岩性的差异,渗透率的最大值出现在应力峰值之前或之后;随着应变的增加,4渗透率可能继续增加或降低,也有可能变化不大,这取决于岩石内部裂隙的演化情况。由井下原位渗透性试验结果可知,岩石渗透性的变化在不同的注水压力段表现出来一定的差异,但其总体的渗透性表现为随注水压力增大而增大的趋势。在水压和应力扰动的条件下,断层带岩石的渗透性将会发生变化,岩石内部裂隙会发生扩展、贯通并形成一定的渗流通道。(4)应用FLAC3D构建了伪倾斜长臂开采工作面开挖数值模型,通过分析6个开挖步骤中的围岩采动破坏特征和渗流演化过程,得到了如下结论:在围压条件下,断层带等弱相材料的张拉破坏受到限制,主要以剪切破坏为主,断层带发生滞后突水的可能性大于揭露时瞬时突水的可能性;DF2断层带发生滞后突水的可能性较高,其中靠近工作面上顺槽附近的断层带突水的可能性相对更高,DF6断层带发生活化突水的可能性相对DF2断层带低;随着毗邻工作面布置、生产过程对采空区的扰动,开挖空间卸荷范围的增大,120101采空区下顺槽底板附近发生突水的可能性逐渐增大;随着120101工作面推采范围的不断增大,顶板卸压范围随之增加,“两带”高度和范围有不断向上扩展的趋势,如果煤层顶板有采空积水,或者局部富水性较强的含水层,那么工作面采煤不仅面临着“脚踩高压水”,还有“头顶水”的威胁,因此1煤开采所面临的水害危险性相对较高。(5)通过分析研究区岩溶含水岩组的埋藏特征、边界条件、运动特征、发育特征及水化学特征,可以看出,在无导水通道的条件下,1煤底板直接充水含水层和间接充水含水层之间的水力联系微弱,石炭系太原组下段岩溶含水层和奥陶系岩溶含水层之间水力联系较为密切。刘庄矿区有部分范围不同层位的地下水处于还原环境之中,研究区内岩溶水径流条件差,水交替缓慢,处于相对封闭的地下水环境当中。区内断裂附近岩溶裂隙相对发育、浅部岩溶裂隙相对发育,石炭系岩溶含水层和奥陶系岩溶含水层的富水性总体较差且极不均一,渗透系数较小且联通性较差。(6)在研究区岩溶含水岩组特征分析的基础上,建立了多岩溶含水层系统的水文地质概念模型,然后应用MODFLOW构建了三层结构的岩溶水运动数值模型,并在回采前对1煤首采区岩溶水疏降水量进行了预测,结果表明,在理论上难以通过仅在地面布置大量抽水钻孔的方法将岩溶水位疏降至安全临界值,应当采取地面和井下相结合、多手段治理的方案,降低1煤开采面临的底板多层高承压岩溶含水层的突水威胁。(7)提出了研究区1煤底板多岩溶含水层突水威胁的初步治理思路,即“地面截留,注浆加固,井下疏放”。在地面对岩溶含水层隐伏露头注浆封堵,封堵岩溶裂隙补给通道;在井下对1煤底板注浆加固,重点加固煤层底板隐伏构造区域;并配合以井下物探探测、钻探疏放、能疏尽疏的方法。