以特厚煤层综放区段沿空掘巷为研究对象,采用现场调研、室内试验、理论分析、数值模拟等综合的研究方法围绕沿空掘巷合理窄时空布置和沿空巷道非对称变形控制两个关键问题进行了系统性研究。以马道头煤矿特厚煤层30m宽煤柱回采巷道维护困难为工程背景,提出了特厚煤层窄煤柱沿空巷道研究的必要性及难点,从特厚煤层开采上覆岩层结构特征、沿空掘巷合理布置时机、窄煤柱合理宽度留设、沿空巷道非对称破坏机制及其控制机理等方面开展了深入研究,最后进行了现场工程实践。论文主要结论如下:(1)综合顶板岩层结构观测及煤岩样物理力学试验结果发现:顶板煤层裂隙发育,含多层薄弱夹矸,完整性差,单轴抗压强度11MPa,为Ⅳ类不稳定围岩;顶板砂岩相对完整,岩性坚硬,厚度大,单轴抗压强度79.4MPa,为Ⅱ类稳定围岩。(2)采掘期间,30m宽煤柱回采巷道出现强烈矿压异常显现,表现为:顶板严重下沉,两帮急剧收敛呈倒梯形状,底板呈现大范围、严重的鼓起,支护结构大量失效、损坏,失去对巷道围岩的控制作用;数值模拟分析得出:30m宽煤柱峰值应力随着煤层厚度的增加而增加并逐渐向偏巷道侧转移,在煤层厚度到达15m时,巷道处于支承压力峰值剧烈影响区,围岩出现大范围塑性破坏。(3)特厚煤层综放面采空区上方低位关键岩层不能形成稳定的铰接岩梁结构,而是形成“低位悬臂梁+高位铰接岩梁”的结构形态;通过建立侧向悬臂梁结构破断力学模型,得到悬臂梁结构的破断位置为距采空区煤壁16.6m,进而确定了内外应力场分布范围。(4)采空区上方形成覆岩结构形态与煤层开采厚度密切相关,煤层厚度为5～10m时,上方形成稳定的“铰接岩梁”结构形态;煤层厚度为15～20m时,上方形成“低位悬臂梁+高位铰接岩梁”结构形态;随着煤层厚度增加,覆岩破坏范围越大,覆岩活动稳定所需时间也越长。(5)将特厚煤层覆岩结构运动过程分为四个阶段,并得到不同运动阶段侧向支承压力的动态分布特征,认为在支承压力稳定阶段进行沿空掘巷可使沿空巷道处于较为稳定的覆岩结构和应力环境中;采用现场实测方法并结合断裂悬臂梁运动至稳定的时间函数方程解算值,确定了沿空巷道最短合理开掘时间。(6)明确了特厚煤层窄煤柱的承载状态,认为窄煤柱内塑性承载区是保证窄煤柱稳定的前提,对比分析了不同宽度煤柱内塑性承载区占有率以及巷道围岩变形破坏规律,考虑沿空巷道特定地质条件、内外应力场分区特征以及次生灾害控制等因素,综合确定了特厚煤层沿空巷道窄煤柱合理留设宽度。(7)掘进期间,煤柱承载能力下降引起畸变能释放和转移使得靠煤柱侧顶板处于低畸变能状态,而实体煤侧顶板由于变形破坏程度较小存储着较高的畸变能,使顶板畸变能呈现“实体煤帮侧高,煤柱帮侧低”的非对称分布特征。(8)回采期间,受上覆关键层结构二次回转下沉的影响,煤柱和靠煤柱侧顶板变形破坏程度进一步加剧,承载能力进一步下降,对畸变能的储存能力也进一步减弱,从而引起偏应力向实体煤帮深部转移,导致以巷道中心线为轴两侧的不对称性更加显著。(9)采掘过程中,沿空巷道靠近煤柱侧顶板平均下沉量明显大于靠近实体煤帮侧顶板,最大下沉量位于巷道中心轴偏煤柱侧约500mm处,且巷道顶板不同层位间水平位移差异明显。(10)基于正交试验原理,设计沿空巷道顶板不对称变形影响因素试验方案,模拟分析得到影响顶板下沉量及下沉量偏心距的关键影响因素,并详述各因素之间与顶板不对称变形的互馈关系。(11)针对特厚煤层窄煤柱沿空巷道围岩力学性能、应力分布的差异性,提出了新型不对称锚索桁架支护结构,实现对巷道顶板围岩的不对称控制;对新型锚索析架结构进行力学分析,得到顶板沿宽度方向上的弯矩减小量表达式,可知从实体煤帮侧至煤柱帮侧顶板弯矩减小量呈先增大后减小的分布特征,最大弯矩减小量偏向煤柱侧顶板。(12)结合5211区段回风平巷地质生产条件进行支护参数设计,提出现场控制思路,形成以“锚索—槽钢组合结构+不对称锚索桁架结构+帮部高强大延伸率锚索结构”为主体的特厚煤层综放沿空巷道不对称控制系统,工程实践表明:5211区段回风平巷支护系统支护效果明显,窄煤柱能够保证稳定,围岩整体变形在可控范围内,巷道可以满足矿井安全生产的需求。