随着煤矿进入千米开采阶段,如何掌握深部开挖巷道围岩力学支承结构的承载特性和失稳机理,制定合理的围岩控制技术,越来越受到煤矿企业的重视。但针对围岩力学支承层划分方法、支承层的承载范围变化规律、支承层力学承载特性与巷道结构性失稳相互作用关系、支承层稳定性影响因素、巷道结构性失稳支护控制方法等深层次问题亟待解决。本论文以深部巷道耦合支承层力学分析及分层支护控制为研究对象,综合岩石力学试验、数值仿真技术、理论研究和巷道模型试验以及工程实测等研究方法,提出深部巷道围岩"强-弱-关键"耦合支承层划分方法和参考标准,建立深部开挖巷道围岩耦合支承层力学模型,掌握耦合支承层的承载范围形成和演化规律,对比分析耦合支承层划分合理性,研究深部巷道"强-弱-关键"耦合支承层力学承载特性,探讨围岩耦合支承层稳定性与巷道结构性破坏作用关系,分析耦合支承层稳定性影响因素,提出巷道耦合支承层稳定性分层支护控制方法,研究高水平应力下分层支护巷道支承结构稳定性和围岩结构性破裂发展特点,最后科学化定量设计巷道结构性失稳分层支护对策。主要进行以下相关研究工作:1)深部巷道"强-弱-关键"耦合支承层力学承载机制。针对某千米深部巷道,选择稳定性较差的交叉点硐室展开研究。采用现场取芯和室内二次定角度取样,进行不同方向岩石的力学性质实验。利用单/双弦式应力计,测试巷道开挖-支护过程中次生应力场演化规律,提出围岩"强-弱-关键"耦合支承层力学模型划分方法,分析耦合支承层承载范围变化特点,基于钻孔窥视掌握松动圈的形成和演化规律以及实测围岩"内-主"支承层承载结构特征,判定围岩耦合支承层划分的合理性,数值研究巷道开挖-支护过程中,围岩耦合支承层的承载特征及其对巷道稳定性影响,进而阐明深部巷道耦合支承层的力学承载机制。2)深部巷道"强-弱-关键"耦合支承层弹塑性力学理论研究。考虑围岩耦合支承层力学模型,推导巷道弹塑性破坏与围岩耦合支承层之间力学作用方程;考虑深部岩石力学性质,选择合理的岩石本构模型;在巷道"开挖-支护"工程背景下,建立开挖卸荷效应围岩力学模型、"围岩-支护"耦合力学模型。通过算例分析,研究耦合支承层稳定性与巷道破坏之间耦合作用机制,分析围岩耦合支承层稳定性影响因素,阐明巷道结构性失稳机理。耦合支承层稳定性研究,包括围岩次生应力峰值转移、应力集中程度和围岩强度劣化等。3)深部巷道"强-弱-关键"耦合支承层稳定性分层支护控制效果。对应理论研究建立当量圆巷道模型,由理论研究提供的裸巷支承层结构特征,设计当量圆巷道分层支护方法。由前文数值模拟直墙半圆拱裸巷的支承层结构特征,设计相应的分层支护。利用FLAC3D对比模拟裸巷-原支护-分层支护下巷道支承层稳定性和围岩破坏特征,分析分层支护方案的合理性。4)高水平应力下分层支护巷道力学模型试验。采用巷道力学模型实验,分别设计当量圆、直墙半圆拱巷道的力学模型。通过自制平面应力模拟实验台,实现高水平应力加载,研究高水平应力对裸巷耦合支承层稳定性和围岩结构性破裂发展的不利影响,根据裸巷耦合支承层的承载结构设计分层支护,研究分层支护对于限制高水平应力引起的巷道耦合支承层失稳和围岩结构性破裂发展的效果。5)深部巷道工程实测研究。由现场实测获得的应力场和围岩力学性质,掌握裸巷耦合支承层结构特性,定量设计分层支护方案和支护参数,分析分层支护控制承载结构稳定性效果。采用深-浅位移观测和钻孔窥视,判断原支护和分层支护下围岩的支承层稳定性、松动圈形态分布、围岩弹塑性位移分布,判断改进的分层支护合理性。