据统计,我国60%左右的矿井事故与地下水相关,煤矿重特大事故中,水害造成的伤亡人数位居第2位,仅次于瓦斯事故。随着煤炭资源的开采,浅部煤矿越来越少,深部煤矿越来越多,导致高承压水、高地应力威胁日趋严重,导致深部煤矿开采中底板突水灾害控制成为重要研究课题。目前关于煤矿底板突水灾变机理、底板改造加固材料研发以及注浆材料的研发尚有诸多不足,成为了保证采煤安全进行的关键科学难题之一。本文从突水影响因素和灾变条件的角度切入,系统探讨了煤矿底板突水灾变特征;分析了不同阶段底板裂隙受力状态,并建立了裂隙抗剪强度模型,进而依据底板整体受力状态,提出煤层底板起劈判据;以COMSOL为模拟平台,获得煤层回采中多场信息演化规律,并以此提出煤层底板改造要求;基于过火煤矸石可有效提高胶凝活性的特点,结合底板改造要求,研发以过火煤矸石为主、少量水泥及粘土为辅的新型注浆加固材料,并分析其各项物理力学性能,最终提出新型奥灰含水层注浆材料工业试生产技术和工艺实施方案,验证新型材料的工程适用性,取得了一系列具有实用价值的研究成果。(1)从含水层性质、天然隔水层状态、底板岩性、采动矿压、开采方法等多角度展开分析,阐述了突水通道的发展过程;分析了煤矿底板突水灾变特征,包括复杂性特征、时空特征、采动破坏特征以及强危害性特征,建立了底板突水地质模型,为非构造型底板突水机理提供基础。(2)在分析煤矿底板弱化损伤的基础上,分别建立了未突阶段(第一阶段)、突水阶段(第二阶段)、稳定阶段(第三阶段)的裂隙抗剪强度模型,得出节理裂隙的特征参数(起伏程度、粗糙度等)变化时,水流参数(流速、渗压)将相应改变;建立了承压水条件下,底板岩体的强度模型,当围岩应力状态超过岩石强度破坏准则时,裂隙会发生起劈,进而形成劈裂通道,得出裂隙起劈方向、劈裂通道扩展方向均与大主应力方向一致。(3)岩体裂隙网络对奥灰底板岩层的透水性具有显著影响,地下水压力场呈现明显各向异性特征,地下水压力等势线由平滑曲线变为折线;不同的渗流压力等势面逐渐从奥灰底板区域向采空区底边界靠拢并包裹,最终对采空区底边界形成包围,在采空区附近渗流压力等势面相比其他区域更为密集;注浆改造厚度的增加对于减小底板最大位移的影响不显著,但是可显著减小采空区涌水量;注浆改造对于采空区涌水量的限制效果很突出,但是对控制采空区底板位移的效果不显著。(4)基于过火煤矸石可有效提高胶凝活性的特点,研发以过火煤矸石为主、少量水泥及粘土为辅的新型注浆加固材料:得出随着过火煤矸石含量的增加,新型材料流动性大于普通硅酸盐水泥,浆液具有优异的长距离泵送性及操作性能;新型材料的胶凝时间可通过调节速凝剂、早强剂等外加剂含量而实现相应调整,可保证浆液具有良好的扩散性能;与传统材料相比,当水泥含量一定时,新型材料的中后期强度存在较为明显的提升;新型材料体系中的过火煤矸石可有效提高结石体的致密度和抗渗性,削弱大含量粘土导致结石体抗渗性较差的缺陷。(5)基于室内材料研发试验和工业生产标准,提出了新型奥灰含水层注浆材料工业试生产技术和工艺实施方案;通过布设位移计、孔应力计、渗压计和锚杆测力计实时记录注浆过程中和加固后底板围岩的稳定性和涌水压力变化,对比分析了新型注浆材料在奥灰底板治理工程中的性能优势,验证了自主研发的新型绿色奥灰含水层注浆材料具有良好的工程适用性,对类似工程具有重要的应用价值。