我国90%以上的煤炭产量来自于井工开采,目前我国现代化矿井巷道布置80%以上是煤巷。煤巷等地下工程的作用主体为煤岩体。在工程岩体中最为常见的是原生的或次生的微小节理、裂隙,这些结构面的存在,对岩体力学性质、力学行为起着决定性的作用。在煤矿巷道等地下工程中,由于巷道开挖后卸荷扰动及回采期间动压的影响,巷道围岩出现静压显现渐进大变形和动压显现瞬时大变形等失稳事故。针对上述煤巷掘进及回采工程中存在的科学问题,本文具体开展了以下方面内容的研究:(1)介绍了实验所依托的清水煤矿南二05工作面运输顺槽工程地质力学背景;分析了现场巷道围岩变形破坏特征及支护体破坏情况,利用离散元软件UDEC建立了缓倾斜节理岩体煤巷数值实验模型。采用离散元数值模拟实验真实还原了缓倾斜节理岩体煤巷开挖后在应力渐进释放过程中围岩最大主应力和张拉应力演化转移过程,及新生微观张拉、剪切裂纹和宏观裂隙的起裂、发展、贯通和大变形失稳过程;深入揭示了缓倾斜节理岩体煤巷围岩在开挖卸荷条件下的最大主应力、裂隙、非对称大变形时空演化规律;得到了缓倾斜节理岩体煤巷非对称大变形失稳机理。(2)采用室内静力拉伸实验和瞬时动压冲击实验的方法,检验了由恒阻装置和锚索体组成的煤矿专用高恒阻大变形锚索的力学和结构性能;室内试验得出恒阻锚索静力拉伸时,可伸长300～950mm,延伸期间可持续提供350kN左右的支护阻力;瞬时动压冲击荷载作用时可持续提供280～375kN的冲击阻力。(3)采用离散元数值模拟方法,对锚固条件下普通锚索和恒阻锚索的力学特性进行了对比研究,研究表明二者都能提供较高的支护阻力,但是普通锚索延伸量小,在围岩产生小变形时就破断失效,恒阻锚索延伸量大,在围岩产生大变形依然保持较高的支护阻力。(4)采用离散元数值模拟方法,对支护条件下缓倾斜节理岩体煤巷开挖卸荷变形特征进行了研究;研究表明恒阻大变形锚索通过自身较大的延伸率,较高的抗拉承载能力,配合W钢带将约束力扩散到围岩表面和内部,有效改善了围岩开挖卸荷过程中的应力状态,显著降低了巷道围岩破碎扩容严重部位和围岩整体的开挖卸荷应力释放的程度和范围,减小了围岩张拉应力产生程度和卸压范围,从而减小了由最大主应力和张拉应力的剪切裂纹和张拉裂纹发育程度和范围,进而显著抑制了巷道围岩中宏观裂隙的发育扩展和贯通。(5)采用YDM-C型深部巷道变形失稳过程物理模型实验系统,进行了缓倾斜节理岩体巷道围岩稳定性控制物理模型实验。确定了石膏与水作为物理模型实验的岩体相似材料,通过强度力学实验,最终确定模拟煤岩、泥岩、凝灰岩的水膏配比。确定了利用不同规格的物理有限单元板来模拟煤岩、泥岩和凝灰岩。从金属材料的几何力学性能、破断荷载和延伸率考虑确定了模拟恒阻锚索索体的材料。确定了模拟恒阻装置的相似材料及组装方式,选取高精度拉压传感器对实验过程中的锚索轴力进行实时监测。物理模型实验采用的监测技术为红外热成像技术、二维数字图像相关技术和静态应力应变数据采集技术。(6)进行了支护条件下缓倾斜节理岩体巷道围岩稳定性物理模型实验结果的分析。对加载过程中物理模型水平位移场、垂直位移场及巷道围岩关键点位移的演化特征进行分析得出物理模型的位移演变规律;对物理模型巷道关键点应变进行分析,得到物理模型边界加载卸荷过程中巷道围岩关键部位的应力演化规律;对物理模型巷道关键点红外辐射温度进行分析,得到物理模型边界加载卸荷过程中巷道围岩关键部位的红外辐射温度演化规律;最后对锚索轴力监测结果进行分析,得到了普通锚索与恒阻锚索在围岩大变形过程中支护阻力及延伸率的差异,验证了使用恒阻锚索进行缓倾斜巷道围岩大变形控制的可行性,得到了锚索支护条件下物理模型巷道围岩变形规律。根据薄壳理论建立了物理模型底板失稳的力学模型,得到了底板物理有限单元板挠曲失稳破坏的最小屈曲荷载的力学表达式,定量分析了单元板长度、宽度、厚度、倾角和竖向重力对单元板稳定性的影响程度。(7)在大屯煤电公式孔庄煤矿缓倾斜层状节理岩体沿空动压回采巷道中进行了现场实验,对比研究恒阻大变形锚索支护系统和普通锚索支护系统对瞬时动压显现巷道围岩大变形的控制效果。采用顶板位移实时监测设备和锚索轴力实时监测设备对顶板相对位移量及恒阻锚索和普通锚索轴力进行了实时在线监测,并对恒阻锚索和普通锚索延伸破坏情况进行了井下现场调研。监测调研结果表明恒阻锚索通过自身的高预紧力和滑移变形阻力配合W钢带提供了持续时间较长的恒定的支护阻力平衡和释放顶板动压显现,消除了引起顶板围岩离层裂缝张开变形的动压力源,有效抑制顶板离层裂缝张开变形,同时滑移量并未超过恒阻锚索的极限滑移量,恒阻锚索也未出现崩断失效现象,托盘也没有压裂;普通锚索虽然也能提供较高的支护阻力,但是高支护阻力持续时间较短,顶板围岩离层裂缝张开变形引起的普通锚索索体延伸量超过自身的极限延伸率允许的索体延伸量即破断失效,主要表现为托盘被崩落,锚索绷断脱落或者缩入锚孔失效。