岩溶陷落柱是我国华北型煤田地质中所特有一种地质现象,随着我国煤矿开挖深度的加大和开采范围的扩展,岩溶陷落柱尤其是导水岩溶陷落柱逐渐成为陷落柱分布矿区所面临的严峻安全威胁。但是目前针对岩溶陷落柱的内部结构及岩溶陷落柱突水机理、岩溶陷落柱突水三维地质力学模型试验等方面,都未有深入的研究。论文以东庞矿X7陷落柱大型突水事故为研究对象,通过相似材料模拟试验、数值模拟和理论分析等手段,研究了岩溶陷落柱的内部结构及不同结构岩溶陷落柱突水模式模型,进行了大型岩溶陷落柱突水三维相似材料物理模拟,提出了岩溶陷落柱突水危险性评价理论,取得了一系列有意义的研究成果。（1）基于内部结构概化模型的岩溶陷落柱分类研究根据现有岩溶陷落柱出露和井巷揭露的资料,提出了岩溶陷落柱的内部结构概化模型。一个典型的岩溶陷落柱,包括堆石段、泥石浆段、岩块碎屑段和柱壁裂隙段等四个不同的部分。各个部分既有相互的联系,同时又显示出力学和水力特征上的不同。其中堆石段受到较强动水压力作用,故多为大、中型岩块而少有碎屑物质,其大小反映了岩溶陷落柱形成初期的地下水活跃程度,同时也是岩溶陷落柱中的常见含水段;泥石浆段在堆石段的上方,其形成的物质基础是在煤系地层中存在易于分解同时能溶解于水的岩层,比如泥岩、页岩或者含泥质较多的灰岩等,这些岩层在塌陷之后在固、液、气三相动力作用下迅速分解并且与水结合形成泥浆,此段的存在,一方面起到了平衡地压、抑制围岩变形以及阻水、堵水作用,灌入岩溶陷落柱柱体以内的泥石浆先阻断了地下水水源的上涌通道,后封堵了其他含水层和柱壁裂隙;另一方面,阻断水力联系后,在重力作用下,泥石浆物质开始固结、凝固和流变,逐渐形成类似泥质胶结的砾岩,是岩溶陷落柱中的隔水段;岩块碎屑段位于岩溶陷落柱柱体的最顶部,既有较大的岩块,也有含量较多的碎屑物质;柱壁裂隙段位于岩溶陷落柱的周边,具体说来可以分为岩溶陷落柱沿柱壁的压剪裂隙区和岩溶陷落柱顶部的拉剪裂隙区,也是岩溶陷落柱中的薄弱区域,常为岩溶陷落柱突水的通道。根据岩溶陷落柱各内部结构组合的不同,把岩溶陷落柱分为堆石型等八类岩溶陷落柱,并分析了各自的特点和突水危险性。（2）岩溶陷落柱突水模式及各模式的判据通过分析煤岩体和地下水的相互作用、诱发岩溶陷落柱突水的营力以及采掘工作面与岩溶陷落柱的位置关系,提出了岩溶陷落柱突水的五种概化模型,并利用突变理论、渗流失稳理论、结构力学等理论方法推导了各种模型所对应的判据。弹性岩梁（板）模型对应采掘工作面在隐伏岩溶陷落柱顶部的情况,其突变理论的判据为:组合岩梁模型对应回采工作面与隐伏岩溶陷落柱之间含有多种岩性且各岩性厚度都不可忽略的情况,其突变理论判据可以表示为:层状煤岩体模型适用于采掘工作面穿越岩溶陷落柱的非导水段时,此时的隔水段为工作面和陷落柱导水段之间的泥石浆段,其岩体渗流失稳理论判据为:（μh/k）²-4ρ₀（p₀-p₁）βh<0岩墙模型适用于采掘工作面在岩溶陷落柱导水段侧面时,其极限破坏理论判据为:（3）东庞矿大型隐伏陷落柱突水地质力学模型试验东庞矿位于河北省内邱县,属于典型的华北型煤田地质环境,水文地质属于百泉水文地质单元,有多个强径流带,矿区内岩溶陷落柱比较发育,并且在2003年4月发生了大型突水事故,导致了矿井被淹。论文基于导致此次事故的东庞矿X7岩溶陷落柱,通过固流耦合模型试验研究大型陷落柱突水机理问题,得到开采条件下应力场与渗流场共同作用下巷道的应变、位移分布规律以及承压水的导升规律。试验利用相似理论确定了相应模量的比例尺和试验范围;通过流固耦合相似模拟材料配置正交试验研制了新型流固耦合相似模拟材料;根据试验要求组装了流固耦合相似模拟装置并按照模拟实际工况进行了试验安排,试验表明对于在工作面侧面的陷落柱而言,突水发生时在突水地点周围小范围区域会发生明显的应力集中和位置移动,但影响范围并不大,故应力显现和较大的位置移动并不是岩溶陷落柱突水的明显先兆;渗压变化和突水量都有一定的超前性,是岩溶陷落柱突水的良好先兆指标。（4）岩溶陷落柱突水危险性评价研究岩溶陷落柱突水是多种因素综合作用所形成的一种系统,其是否突水在特定的地质条件下应该是确定的。但是鉴于工程技术和经济的制约,现实条件下并不允许我们对岩溶陷落柱的内部结构和其所在环境的地质条件进行充分的了解,对于若干影响岩溶陷落柱突水的因素无法给出定量的结果。加之对于具体工程,是否突水的边界并没有统一的界定,因此如何结合现有资料综合评判某一陷落柱的突水危险性,就是一个无法准确用“是”或“否”来评价的问题。由此,论文引入模糊综合评判法来尝试解决此问题。根据模糊综合评判法的相关原则和岩溶陷落柱突水的特点,提出了岩溶陷落柱突水危险性评价因素指标,选取了 5个主要因素及14项指标,并构建了相应的评价等级;利用多层次分析的数学模型和隶属函数对东庞矿X7岩溶陷落柱进行了危险性评价,与工程实际相吻合,说明用此方法来评价岩溶陷落柱的突水危险性切实可行。（5）岩溶陷落柱突水防治工作方法及对策研究基于岩溶陷落柱的内部结构和所处地质环境,以及对不同岩溶陷落柱突水模式模型的研究,提出华北型煤田岩溶陷落柱突水防治技术工作方法。就岩溶陷落柱突水防治与治理原则,建立岩溶陷落柱综合探查、岩溶陷落柱突水先兆监测、岩溶陷落柱突水水害评价及防治技术所组成的突水防治技术体系。