在采煤活动中,采动矿压和煤层底板承压水联合作用引发的突水灾害严重影响我国的煤炭安全开采。承压水经突水通道涌入工作面的全过程涉及到流体在多孔介质材料、破碎岩体、粗糙裂隙及裂隙再胶结带、断层破碎带等多种结构体中的流动过程。本文以底板突水灾害为研究背景,综合运用理论分析、数值分析和实验方法对底板水在矿压和水压综合作用下含水层—断层—粗糙裂隙—工作面整个突水路径上的突水耦合非线性全过程及断层动力响应过程进行分析,包括多孔介质中的流动过程,粗糙裂隙面中的流动过程以及破碎岩石体中的流动,并对各结构体相互连通过程中不同位置、不同时刻的耦合流动过程进行深入探讨和系统研究,最终获得多种结构体综合作用下的动力学响应和非线性流动特性,为突水前的预防以及突水后的治理提供参考依据。本文取得如下创新成果:(1)水—岩—应力相互作用下底板孔隙水压分区分布规律。采用理论求解和数值模拟分析方法,对煤层底板在水压和矿压综合作用下的水压分区分层分布特性进行分析,确定了耦合作用下因矿压对岩石渗透性改变而产生的矿压“屏障”作用对孔隙水压分布的分隔特性,并参照采动过程中底板孔隙水压测量数据对模拟结果进行了验证,研究成果对底板水压分布的危险性划分和预防治理具有重要作用。(2)碎石堆积体流动规律研究。针对断层破碎带等内部存在的破碎岩石体中的渗流现象,本文提出基于数字图像技术的“最大—最小粒径逼近方法”,建立了三维数值分析模型,获得了碎石体中的流体渗流速度场、应力分布以及流量等变化规律,并采用“破碎岩石变形渗流实验机”对获得的实验数据进行验证,结果表明数值模拟模型控制误差在10%以内,碎石体中的渗流规律符合非达西Forchheimer流动规律,验证了方法的合理性,为断层破碎带的非线性流动过程研究提供参考。(3)断层系统采动动力响应。基于Pandas非线性有限元方法,模拟多断层系统的动力响应过程,采用自适应的静—动态算法模拟断层系统的动力学特征和演化过程,并通过再胶结岩体进行了实验条件下多断层系统的动力响应研究。数值模拟中考虑了断层接触面上黏着与滑移状态及其之间的状态变化等不同动力学现象,实现断层系统动力学分析、多场耦合分析及评估,根据岩石材料力学特性及断层接触面性质之间强弱关系,进行了断层活化顺序及导通路径的分析及预测预报,揭示断层破坏—活化—运动机理。(4)底板突水全路径时空演化过程。为揭示底板水突出全路径上的流固耦合作用影响下突水不同时刻,不同结构体上承压水运移耦合规律,建立了含水层—断层破碎带—底板粗糙裂隙带及工作面四个阶段的断层导通前后达西—非达西流动方程,获得了应力—水压力作用下承压水突出过程中的流体流动机理。结果表明:各结构体上的流动规律差异较大,流固耦合作用对断层中的非达西流动特性影响较大,断层破碎带作为含水层和工作面的连接部,其在应力作用下的渗透性突变是断层突水形成的根源。