煤矿立井井筒是矿山开采地面与井下运输的“咽喉”，对矿井安全生产至关重要。1987年以来，我国黄淮和东北地区已有200多个立井井筒相继发生破损，经过30多年的大量研究，已基本揭示了黄淮和东北地区矿井大量井筒竖向受力变形、近环向破裂出水机理，并得到共识，相应的井筒破损修复防治技术也已成熟。近年来，山东巨野矿区厚表土（400m以上）薄基岩地层井筒出现一种表土段井筒偏斜与竖向压缩变形共存的新破损形态，其破坏机理不清，国内外相关研究尚属空白。本文以厚表土薄基岩开采井筒偏斜为研究对象，综合运用水文地质学、工程渗流力学、采矿学、地下结构力学等理论，采用试验、理论分析和现场实测相结合的研究方法，开展厚表土薄基岩开采地层沉陷规律及其井筒偏斜致因研究。研究成果对今后合理留设厚表土薄基岩地层工广保护煤柱，确保类似地质条件矿井井筒运行安全，具有重要的理论意义和应用价值。
　　利用ETAS和NMR试验系统研究高应力作用下厚表土底部含水土层的渗透与疏水固结力学特性，获得了底部含水土层在高应力作用下孔隙结构演化机制，建立了底部含水土层渗透系数、孔压消散速度与其孔隙结构之间的关系，揭示了底部含水土层在不同围压、不同水力梯度下的渗透和孔压消散规律。研究结果表明，郭屯煤矿底部含水土层属于典型黏土质砂，主要矿物成分为石英和蒙脱石，其压缩指数Cc=0.03～0.05;在各向等压条件下，低承压水和高承压水渗透系数均随围压增大而减小，围压为1MPa时的渗透系数明显大于高围压状态下的渗透系数，当试样围压大于4MPa时，低承压水和高承压水渗透系数均小于1×10-8cm/s;各向等压疏水固结过程中，应变以径向应变为主，试样体积的压缩变形主要是竖向渗透路径的闭合所致;黏土质砂渗透、疏水固结过程中对其渗透性和孔压消散速度起关键作用的是渗透孔中毛细水的含量，该三者与围压均满足幂函数关系。
　　以郭屯煤矿-采区某工作面煤层开采为研究对象，考虑厚表土薄基岩开采与底含疏降水固结沉降共同作用，采用自制高承压疏水水袋模拟底含疏水固结，开展了相似材料模拟试验，研究了厚表土薄基岩开采覆岩破坏垮落与底含疏降水特征、基岩与厚表土层内部移动变形规律，揭示了厚表土薄基岩近距离非对称开采与底含疏降水共同作用下立井井筒偏斜机理。研究结果表明:整个基岩段“三带”范围内，梯形垮落拱两腰附近由于岩层悬臂作用形成大量水平和竖向裂隙，并波及到表土层底部，导致底含发生疏水沉降;底含疏水沉降对基岩段岩体移动变形影响较小;厚表土段第二隔水层的最大下沉量和最大水平移动量随着底含疏水均明显增加，下沉边界和水平移动边界向采区外侧延伸了近1倍;随着底含疏水量增加，地表土体向下沉盆地中心倾覆，井简随之向非对称开采工作面方向偏斜，其偏斜量随着底含疏水量的增加而增加。
　　基于厚表土薄基岩开采地表下沉移动特征，首次将厚表土层沉陷过程中底含承压水疏降产生的水土耦合作用考虑到厚表土薄基岩地层沉陷模型中，建立并求解了采煤与底含承压水疏水沉降共同作用下地表沉陷预计模型，探究了底含疏水特性对地表沉陷和水平移动的影响规律，并得到现场沉陷资料的验证。研究结果表明:单独煤层开采产生的地表沉陷曲线呈“小开口V”型，底含疏水作用产生的地表沉陷曲线呈“大开口V”型，采煤与底含疏水共同作用下地表沉陷曲线呈“中间小开口V，两侧大开口V”型;地表沉陷程度主要受底含厚度和底含最大水头下降值影响，地表沉陷和水平移动范围主要受底含疏水影响半径影响;通过理论计算解与现场实测结果对比分析发现，理论计算所得最大下沉值与实测最大下沉值间误差小于4.0％，由此可见，该理论模型对厚表土薄基岩下开采引起的上覆地层移动变形预测具有指导意义。
　　以郭屯煤矿井筒偏斜为工程背景，通过综合分析矿区水文地质、矿井涌水量与底含水位动态监测成果，采用本文所得厚表土薄基岩地层沉陷模型，分别对郭屯煤矿首采区13个工作面单独采煤作用、采煤与底含疏水共同作用下的地表沉陷和井筒偏斜进行反演计算，获得了导致井筒偏斜的主因，并对该矿既有偏斜井筒的受力状态及其安全性进行了评价。研究结果表明:单独采煤作用下，工业广场位于10mm下沉等值线之外，各工作面开采对井筒偏斜基本没有直接影响;采煤与底含疏水共同作用下地表沉陷在采区外侧收敛性明显降低，工业广场位于300～600mm下沉等值线范围内，井筒偏斜反演结果与实测结果误差小于6％，表明了本预测模型对井筒偏斜反演具有较高的精确度，郭屯煤矿井筒偏斜变形是煤层开采与底含疏降水共同作用造成的。