深井沿空留巷围岩控制是巷道支护领域的技术难题之一,尤其是其顶板直接关系沿空留巷的成败,实现对顶板岩层的控制是沿空留巷围岩稳定的关键。本文采用工程调研实测、实验室测试、理论分析、物理模拟、数值模拟等方法,围绕深井沿空留巷顶板变形、垮冒等灾变特征及控制技术进行深入系统研究,阐明不同覆岩条件深井沿空留巷顶板致灾机理及其失稳关键因素,揭示留巷覆岩运动型式及力学作用机制和顶板岩层控制机理,提出顶板岩层控制关键技术并开发出顶板稳定性综合评价软件系统。研究成果成功应用于深井沿空留巷工程实践,取得主要结论如下:(1)将深井沿空留巷顶板变形破坏形式划分为8个类型,即顶板弯曲下沉型、沿充填体切顶型、沿实体煤帮垮落型、大跨度冒漏型、充填体旋转型、充填体压垮型、顶板台阶型和沿煤帮滑落型,且现场实测表明深井留巷顶板变形破坏相对于巷道横截面垂直和水平方向呈明显不对称状态。(2)从岩石强度、岩层厚度、岩层相对位置以及岩层垮落形态等方面考虑,将深井沿空留巷覆岩结构大致划分为4个类型,即薄层直接顶、厚层直接顶、厚硬顶板直覆和多薄岩层。(3)利用物理相似模拟试验平台建立深井沿空留巷模型,研究其上覆岩层破断下沉过程及不同阶段的裂隙扩展演化规律,探明其顶板破坏不对称性分布规律及不同类型严重变形破坏程度和区位特征。深井留巷覆岩裂隙扩展及围岩体变形破坏演化过程为:巷道开挖→顶板浅部裂隙增加→采动致充填区域顶板裂隙发育→充填体偏心受载压裂失稳→巷内顶板沿充填体切落或巷内顶板回转下沉致裂隙增加→实体煤帮顶板裂隙扩展→实体煤帮垂向和水平方向位移剧增外鼓片帮→顶板岩层加速失衡,最终导致留巷顶板结构垮冒失稳。(4)从围岩体塑性区扩展规律着手,系统分析4种典型顶板条件深井沿空留巷围岩体内部严重破坏区域、破坏程度及范围,得出如下结论:(1)薄层直接顶沿空留巷和厚硬顶板沿空留巷的围岩塑形破坏主要集中于帮部和底板,充填体塑形破坏尤为严重;(2)厚层直接顶沿空留巷围岩塑性区分布范围广且深度大,但充填体塑形破坏不明显;(3)多薄岩层沿空留巷围岩塑形破坏主要集中于巷旁充填区域顶板、充填体及其底板。(5)从围岩体应力场和位移场演化规律着手分析,得不同顶板条件深井沿空留巷顶板应力分布大小顺序依次为:厚硬顶板条件>薄层直接顶条件>多薄岩层顶板条件>厚层直接顶条件,不同顶板条件的深井沿空留巷变形破坏程度从大到小依次为:厚层直接顶条件>多薄岩层顶板条件>薄层直接顶>厚硬顶板。(6)基于深井沿空留巷顶板在垂直方向和水平方向运移破坏的动态响应特征,阐明不同顶板条件留巷顶板致灾机理,并指出导致顶板支护结构变形破坏的连锁反应初始点和关键点。薄层直接顶和厚硬顶板沿空留巷支护结构破坏的初始点和关键点在充填体、煤帮和底板,厚层直接顶沿空留巷支护结构破坏的初始点和关键点在顶板、煤帮和底板,多薄岩层顶板沿空留巷支护结构破坏的初始点和关键点在充填区域顶板、充填体及其底板。(7)将深井沿空留巷顶板灾变失稳因素分为两个方面,煤岩层自然赋存的内在因素包括高地应力、岩层赋存特性、裂隙水和围岩结构特性,人为控制的外部因素包括强烈开采扰动、巷道断面尺寸、支护因素和时间因素。综合分析认为煤岩层成岩性差且分布不均衡、不对称围岩结构的非耦合低强度支护、跨度大及其在强采动高应力状态下碎裂扩容、长期蠕变是是造成顶板出现离层破碎难以形成承载结构甚至发生冒顶灾害的主因。(8)根据深井沿空留巷顶板离层的区域形态和位置,将其顶板离层划分为3个类型,即弯曲下沉型离层、倾斜错动型离层和混合型离层,再从垂直方向和水平方向分别将其离层程度划分为强离层区、中离层区和弱离层区,并建立留巷顶板弯曲下沉型离层力学模型和倾斜错动型离层力学模型,分别推到出顶板离层最大临界值计算公式。深井留巷顶板弯曲下沉型离层量最大临界值计算公式为(?)深井留巷顶板倾斜错动型离层量最大临界值计算公式为(?)(9)明晰切放顶后沿空留巷顶板短悬臂岩梁结构形成的全过程,指出沿空留巷顶板存在三种短悬臂岩梁结构类型,即“短悬臂-铰接岩梁”结构、“短悬臂-台阶岩梁(I型)”结构和“短悬臂-台阶岩梁(II型)”结构,并分析不同岩梁结构形态与围岩支护体的力学作用关系。(10)建立深井沿空留巷顶板短悬臂岩梁结构和围岩支护结构的力学模型,阐明不同短悬臂岩梁结构形成机制,确定三种不同短悬臂岩梁结构形态形成的基本判据。当滑落失稳系数K≥1,形成“短悬臂-铰接岩梁”结构;当K<1时,形成“短悬臂-台阶岩梁(I型)”或“短悬臂-台阶岩梁(II型)”,进一步探明基本顶关键块厚度和长度、直接顶厚度、煤层厚度的变化对沿空留巷顶板短悬臂岩梁结构形态的影响规律。(11)提出深井沿空留巷顶板“多支护结构”控制系统,包括强化锚固体系承载性能、强化破裂煤岩体强度、强化顶帮协同承载结构和卸荷减跨,此系统可保证顶板结构完整,提高顶帮协同承载能力。(12)提出深井沿空留巷围岩分级分区耦合支护关键技术,将围岩划分成4级9个支护分区,包括顶板三分区耦合支护、实体煤帮半煤岩体两分区联合支护、巷旁结构体三分区复合承载和巷内分阶段辅助支护,并具体分析各分区支护体力学效应及其保持顶板稳定性方面的作用。(13)设计出有效控制深井沿空留巷顶板在垂直与水平方向不对称变形破坏且具有水平双向恒阻功能的新型锚索桁架结构,该结构包括两根锚索和紧贴在顶板岩面上的短槽钢组合梁,其中短槽钢组合梁包括主梁、副梁及2~3个U型卡缆,副梁套入主梁搭接重合一定长度并用U型卡缆固定。(14)对新型锚索桁架结构件的几何力学特性与强度进行分析校验,明晰其对水平方向挤压—松扩不对称变形破坏双向控制作用机理,即当顶板发生挤压—松扩变形破坏时,若短槽钢组合梁在沿其轴线方向承载的作用力大于卡缆组件紧固产生的静摩擦阻力,短槽钢组合梁则能够适度拉伸或缩进,适应顶板岩层沿水平方向挤压—松扩变形。(15)综合运用物元概念的可拓学理论与层次分析法,遴选并探究深井沿空留巷顶板灾变失稳致险的15个评价指标及其权值,构造经典域物元、节域物元和可拓集合中的关联函数,建立多层次多指标的综合评价模型,对深井沿空留巷顶板稳定性进行评价,确定其顶板稳定级别。在此基础上,开发出相应的数字化综合评价系统,提高评价系统工作效率。(16)深井沿空留巷顶板“多支护结构”控制系统和围岩分级分区耦合支护关键技术应用于潘一矿东区沿空留巷工程实践,顶板维护效果较好,其深浅部岩层没有出现明显离层和破碎,顶板支护结构完整,满足深井沿空留巷通风及复用的安全性。