焦作矿区位于我国典型的华北型煤田范围内,矿井工作面开采普遍受到底部岩溶裂隙含水层的严重威胁,尤其是在部分兼具煤与瓦斯突出危险的矿井,在采用布置煤层底板抽采巷进行穿层抽采瓦斯的防治措施后,底抽巷极易在工作面回采过程中成为导水通道,大大增加了工作面的突水危险性,已导致多起严重突水事故。另一方面,焦作矿区近年来发生了数起底板注浆加固工作面在回采过程中发生突水的事故,反映出对注浆加固工作面突水及防治水机理认识不足、缺乏合理注浆综合评价指标等问题。对此,本文以焦作矿区注浆加固工作面及底抽巷工作面发生突水为工程背景,采用案例分析、理论分析、数值模拟、现场实测、室内测试及模型试验相结合的方法,对底抽巷工作面突水机理、底板注浆加固机制及加固工作面突水危险性评价等问题进行了系统的研究,取得了如下创新性成果:(1)针对底抽巷位于工作面运输巷正下方且两者平行的情况,将问题简化为均质半无限弹性体内一点在上、下部均布载荷及线性载荷作用下的平面应变问题,同时考虑原岩应力、采空区冒落顶板作用、含水层水压及支承压力对底抽巷产生的远场应力,并通过线性叠加获得底抽巷的应力状态。(2)建立受底抽巷影响的底板隔水层“薄板”结构力学模型,宏观上通过挠度分析得出隔水层受水压作用的最大挠度发生在薄板的几何中心,且隔水层将出现与顶板相似的“O-X”型破断;底抽巷开挖后的围岩塑性区将会对隔水层厚度及强度产生局部影响,若底抽巷位于“薄板”结构的边缘,则其塑性区有可能与“O-X”型破断产生的边缘裂隙或裂缝沟通,从而造成底板突水事故的发生。(3)运用FLAC3D数值模拟软件计算的结果显示,底抽巷的开挖使得煤壁内侧应力集中程度增大12.8%,底板破坏深度增大16%;工作面切顶使开采后围岩塑性区范围减小,还使煤壁内侧应力集中程度降低6.8%;底抽巷充填使得煤壁内侧应力集中程度降低9.2%,底板破坏深度减小6.9%。结果表明底抽巷的开挖增加了底板的突水危险性,而切顶卸压及充填底抽巷则有利于底板突水防治。(4)底板钻孔直流电法观测表明,九里山矿14141工作面采取切顶卸压措施后的底板最大破坏深度为9.82m,对比相同条件下未切顶工作面底板破坏平均预计深度11.49m,该工作面底板破坏深度减少14.53%,表明切顶卸压能够有效降低工作面的来压强度,从而减小底板破坏深度,降低了工作面突水危险性。(5)超声波室内测试结果表明,不同岩性岩体的弹性模量相差较大,其中灰岩最大,砂岩居中,泥岩最小;注浆后裂隙岩体的弹性模量有明显增大,干燥状态下平均增幅为104.1%,浸湿状态下为102.9%,表明注浆能够有效提高裂隙岩体的连续性和完整性,使其整体力学性能得到显著加强,从宏观上验证了孔隙裂隙岩体注浆加固的“升降型”力学模型。(6)通过对焦作矿区5个主要矿井(4个突水,1个未突水)、13个典型工作面的2200余个底板注浆钻孔信息进行提炼与分析,构建了“2类影响类型、7个影响因子、3类影响指标显性划分、8种解析图形、2种突水危险性评价方法”的注浆加固工作面突水危险性评价体系,其中:“2类影响类型”指在采煤影响基本相同的条件下,工作面突水主要受底板注浆条件及注浆加固效果2类因素的影响;“7个影响因子”包括注浆条件类的4个突水影响因子:①工作面突水危险区因子、②沿工作面走向注浆孔“水量—水压”关系因子、③工作面底板导(富)水性因子、④工作面严重危险区底板导水性因子,以及注浆加固效果类的3个突水影响因子:⑤正常带与断层带注浆量差异因子、⑥注浆孔水压与累计注浆量关系因子、及⑦注浆孔水压、出水量及注浆量的“三参量”变化因子;“3类影响指标显性划分”即将影响因子划分为显性、一般及隐性3类影响指标,其中5个显性指标包括:突水点是否位于严重危险区、工作面严重危险区域面积比例、严重危险区底板出水分布类型、正常带单位面积注浆量及注浆孔“三参量”综合评价;2个一般性指标包括:工作面水源与水量、工作面底板导(富)水性;2个不明显指标包括:断层带注浆系数、注浆孔水压及累计注浆量;“8种解析图型”包括:①工作面突水危险性分区图;②工作面钻孔沿走向水量—水压变化图;③注浆孔在不同垂深分布图;④注浆孔累计出水次数在不同垂深分布图;⑤注浆孔累计出水量在不同深度分布图;⑥工作面断层带区域划分图;⑦工作面钻孔水压—累计注浆量时序变化图;⑧严重危险区注浆钻孔水压、出水量及注浆量时序变化图;“2种突水危险性评价方法”分别为以水压、出水量及注浆量为依据的“三参量”评价法,以及采用模糊数学理论的显性指标评价法。(7)将显著性分析中的显性因子作为评价指标,结合层次分析法(AHP)确定各指标权重,并采用模糊聚类理论对注浆加固工作面的底板突水危险性进行评价,得出当模糊聚类值R≤0.275时工作面底板突水危险性小,0.275<R<0.389时危险性中等,R≥0.389时工作面突水危险性高,应采取额外的防治水措施。(8)推导建立了单个倾斜注浆孔浆液扩散的迹线方程及水压在垂直方向上的表达式,在此基础上提出了单个倾斜注浆孔在开放型和封闭型裂隙含水层中的注浆模式、双注浆孔在完整岩体中的注浆模式等6种模式,并给出了钻孔群次序注浆过程中以水压、出水量和注浆量为工程判据的方法及其应用,形成了注浆钻孔群次序注浆模型。