我国西部大型煤炭基地储量丰富,随着浅部资源大规模高效开采,部分矿井已进入深部开采阶段,浅部及中深部转向深部开采将成为必然趋势。深部煤炭开采致覆岩结构发生破坏,基岩水沿导水裂隙进入作业面并排出,致使深部水资源流失,破坏地下水系循环系统,进而间接影响地下水生态环境,第四系潜水层又是西部矿区地表生态赖以生存的关键含水层,现今尚无较好的治理措施和治理手段。然而,“煤-水仿生共采理念”为实现深部地下水资源保护和地表生态减损提供了可能。本文通过构建“柔性隔离层”,仿照地表生态采前状态关系和生态可持续要求,改造开采破坏传递带,控制开采裂隙影响范围,维护或重构满足地下水自然循环和地表生态的水环境条件,使采后地下水和地表生态能保持甚至优于“原态”;同时利用开采裂隙“解放”深层基岩裂隙水资源,探寻深部煤层仿生开采诱发覆岩采动裂隙和导水裂隙“萌生-扩展-贯通”规律,分析含水层下部基岩注浆构筑柔性隔离层演化过程以及覆岩层应力场、裂隙场与渗流场耦合规律,研究深部不同条件下仿生开采多相多场耦合作用机制,实现安全开采和地下水综合开发利用,进而达到保护地表生态的目的。主要结论如下:(1)以相似理论和块体理论为基础,首次提出通过模块化构建相似模型,并考虑到传统相似模型存在易侧面垮落、不可重复、材料浪费、试验周期长、工序繁琐、铺设工艺要求高、劳动强度大等弊端,自行设计了一套新型模块化快速建模的相似实验材料、技术和方法。该模型以块体基材为模块、以胶凝材料为模块间粘结剂,其中,块体基材由A胶(胶乳)、B胶(JS,即高分子聚合物复合材料)、水泥和石英砂及添加剂等组成,胶凝材料为细砂、石膏、大白粉即添加剂的混合物;通过制作不同配比的新型材料模块和胶凝材料的实验试件,分别开展了抗压、抗剪等物理力学特性及电镜扫描试验,分析了该新型材料的抗压强度、弹性模量、内摩擦角及粘聚力等力学参数,并优选了仿生开采相似实验材料配合比。(2)为更加有效控制开采裂隙影响范围,借鉴太沙基垂直地压的计算方法,确定隔离层上部覆岩应力载荷,并应用弹性地基梁理论求解“柔性隔离层”的厚度解析解,为新型相似模拟实验中隔离层的厚度计算提供了理论依据。(3)利用本文提出的新型相似模拟实验方法,建立了一套完整的“煤-水仿生共采”相似试验平台系统,实现了多相多场耦合仿生开采及深部煤层开采、隔离层压裂、隔离层注浆等工艺技术。围绕该系统相似实验研究,分析了煤层顶板导水裂隙带发育高度及规律、来压步距、覆岩演化特征、柔性隔离层压裂和注浆时序、柔性隔离层采后注浆隔离阻水效果。本文通过西部矿区深部仿生开采多相多场耦合作用机制研究,不仅拓展了对西部矿区深部煤炭开采、地下水循环和地表生态关系的认识,所提出的新型实验材料和工艺方法也为后续工业化实验和工业实践应用提供有利的技术支撑,具有重要的参考价值。