煤层浅埋区域和提高开采上限地段风氧化侵蚀明显,煤岩微观结构连结弱化,强度衰减,层状沉积结构中黏土类矿物填隙比重增高,遇水泥化严重。风氧化围岩巷道,尤其是顶板淋涌水加剧承载结构劣变进程,存在失稳垮冒重大安全隐患,亟需进行基础理论研究和控制技术创新。本文围绕风氧化煤岩变异特性、巷道围岩失稳垮冒机理等科学问题,以典型矿区风氧化巷道围岩失稳垮冒控制为工程背景,综合采用文献综述、实验室测试分析、相似模拟、数值模拟及理论分析等研究方法,系统研究了风氧化富水巷道变形失稳垮冒机理与控制技术。基于风氧化岩石力学属性及矿物组分变异特性测试分析,形成了岩体风氧化程度分级评价新方法;建立了不同风氧化程度岩体本构方程和强度参数衰减模型,揭示了风氧化巷道开挖卸荷剪胀扩容的力学机制;采用自主研制的风氧化富水巷道围岩变形破坏相似模拟实验平台,开展了不同风氧化程度巷道失稳垮冒物理模拟,对比分析了不同风氧化程度巷道围岩变形演化过程及宏观破坏特征;提出并工业性实施了风氧化富水巷道围岩控制关键技术。主要研究成果如下:(1)实验得出了典型矿区风氧化砂岩与泥岩的力学属性、微观结构及矿物组分变异特性。风氧化砂岩强度衰减,孔隙率增大,含水率升高,水致软化劣变,粉粒及粗砂颗粒为主,内部仍保持原生色,但岩层层面变黄,胶结松散,矿物成分以石英颗粒为主,含少量角闪石、黑云母等暗色矿物,石英颗粒边缘风化破碎程度较高,颗粒间呈黏土质胶结,易风化膨胀;风氧化泥岩强度显著降低,微透水,变异为可塑性粉质粘土,粉粒及粘粒为主,黏土类矿物及部分黑色有机质充填粒间及层间空隙,多处见有软质风氧化残存变异土,结构完整性差,抗风化水蚀能力弱。(2)形成了岩体风氧化程度分级评价新方法。以风氧化强度衰减率、完整性变异系数、吸水率变异系数、渗透性变异系数、黏土类矿物颗粒含量变异系数为评价指标,利用层次分析法及辅助分析软件确定评价指标权重;定义了岩体风氧化程度综合指数,将风氧化岩体划分为原始未风氧化、微风氧化、弱风氧化、中等风氧化、强风氧化5个等级,并基于Java语言编程开发出一套巷道风氧化程度分级评价系统。(3)应用弹塑性力学和剪胀扩容理论,建立了风氧化巷道开挖卸荷力学模型及剪胀扩容模型,分析了扩容系数与塑性应变增量协同关系;建立了不同风氧化程度岩体本构方程、内聚力和内摩擦角强度参数衰减模型,揭示了强度参数与岩体抵御风氧化能力的内在关联性。扩容系数、剪胀角与风氧化巷道围岩位移量呈正相关性,内聚力增大或内聚力软化模量减小,风氧化范围缩小。(4)研制了风氧化富水巷道围岩变形破坏相似模拟实验平台,模拟得出了渐变趋稳型风氧化顶板和突变致灾型风氧化顶板变形演化过程及宏观破坏特征。渐变趋稳型风氧化顶板变形演化经历“裂隙发育、形变骤增、渐进趋稳”三阶段;突变致灾型风氧化顶板变形经历上述可控分步积累阶段后,发生突变失稳垮冒。(5)提出了以“间歇式注浆原位改性”为核心的风氧化富水巷道围岩控制关键技术,并在中煤平朔风氧化区域采掘工程中进行了工业性应用,实现了浅埋风氧化特殊水文地质区域巷道围岩稳定。论文有图124幅,表27个,参考文献189篇。