煤层开采的扰动作用致使其覆岩失去其原有的力学平衡,物理特征相差较大且相间的岩层因不协调变形而产生沿层面法向压曲,形成凸透镜状空间,其上位坚硬岩层裂隙和其它含水体重的水逐渐释放汇集到离层空间中,当离层扩展和其中水积累到一定程度时,由于采动作用和水压作用致使离层空间的下位岩层破断使离层积水沿新的导水裂隙通道下泄到采场,称之为顶板离层突水。离层水的特点来势凶猛,瞬时涌水量大,冲击力强会带来巨大的机械设备等损失和人员伤亡,因此对于离层水害的机理研究十分必要。离层水害的判定与预测涉及到岩石的损伤破坏规律、岩层整体的变形规律、离层水的流动特征等复杂的物理过程。为了进一步揭示离层突水的演化规律,本文采用实验室实验、理论分析、现场试验以及数值模拟等方法,结合离层水害的区域矿井,针对煤层覆岩的矿物成分与物理力学参数特征、岩石的损伤破坏规律、岩层整体的变形规律以及离层水的涌突规律进行系统的研究,得到的研究成果如下:(1)揭示了典型离层水害矿区上下位岩层的岩石矿物成分与物理力学特性与差异性。在离层水害区域现场钻取不同深度的岩石进行矿物成分鉴定以及力学试验,对比分析相邻岩层岩石成分的差异性以及弹性模量、泊松比和屈服强度等力学参数的差异性,从微观的角度分析离层水害区域岩层中矿物成分与物理力学性能的差异性是煤层覆岩间产生离层的先决条件,该研究可为离层水害的判定提供一种简单的地质判定方法。(2)建立基于等围压三轴实验的岩石损伤统计本构模型。基于统计强度理论、连续损伤力学以及Weibull分布函数,将岩石的损伤分为荷载损伤与环境损伤,推导出损伤演化方程,采用Z-P屈服准则判断岩石的微元破坏,根据岩石三轴围压实验求得模型参数,建立一种描述岩石受荷破坏过程的岩石损伤本构模型,并通过对比分析实验数据与理论值验证该模型的正确性。考虑水对岩石的损伤,以弹性模量的变化作为损伤变量,通过室内实验分析砂岩饱水时间与损伤变量之间的函数关系以及碳质泥岩所处环境湿度与损伤变量之间的函数关系,结合不受水影响的损伤本构模型推导出考虑水对岩石损伤作用的岩石统计损伤本构模型,该研究可为判别煤层覆岩的破坏提供理论基础。(3)提出离层突水判定与预测模型,系统分析了工作面推进时离层的位置,体积、水体动态特征。基于薄板理论和推导的本构模型,简化覆岩为组合岩板模型,推导出用岩板挠度描述的岩板内力表达式;以Z-P屈服准则为岩石微元破坏判断条件,提出形成离层的力学条件;根据组合岩板的特征提出离层预测与判定方法;基于离层的形态和达西定律的渗流微分控制方程,推导出离层水的体积预测公式。该研究可以为离层水体预测与离层水害的评估提供理论基础。以相似模拟试验为基础,分析覆岩导水裂隙带分布特征,采用渗流-裂隙流-涌流三种流态描述离层水从形成到涌入工作面的流动过程。(4)利用自主研发的三维离层突水相似模拟试验系统,研究煤层覆岩离层演化规律以及离层突水机理。自主研发了一套三维离层突水相似模拟试验系统,该系统可以模拟三维煤层开采以及离层突水灾害,分析煤层覆岩的破坏规律、顶板离层的发育规律、离层水的涌突特征以及导水裂隙带的三维形态。以园子沟煤矿为实际案例背景,阐释离层的发育规律和煤层覆岩的破坏规律。试验结果显示煤层回采至240m时,导水裂隙带发育至最高,止于宜君组砾岩层,高度为136.5m,裂采比达到22.8:1。监测数据表明洛河组砂岩与砾岩下面的离层最大,且含水层的存在使得煤层开采过程中出现离层水,且可以形成离层水害,试验结果与现场试验结果相一致,该研究为离层水害的机理研究提出一种新的思路。(5)提出了并成功实施了离层水害的治理方法。以实际案例为背景,依据提出的岩板模型预测与判定离层水害,提出地面垂直导流孔和井下倾斜疏水孔两种提前疏放离层水的治理方法。该研究为实际矿井生产过程中顶板离层水害的防治提供参考。该论文有图119幅,表5个,参考文献186篇。