近年来,随着煤炭资源开采的强度和深度不断增加,深井巷道掘进过程中遇到的如裂隙、断层、软弱夹层等复杂不连续结构面地质条件也越来越多,这些软弱结构面纵横交错将岩体进一步切割成各种形式块体,巷道掘进过程中常发生顶板垮冒、片帮等工程灾害,严重威胁着煤矿的生产安全。为此,本文针对深部煤巷块状结构围岩易发生垮塌灾变的特点,依托国家自然科学基金重点项目“深部开采与巷道围岩结构稳定控制信息化基础理论（51734009）”和国家自然科学基金面上项目“深部掘进煤巷冲击冒顶多尺度效应灾变机理研究（52074259）”,以山东龙郓煤矿为研究对象,采用课题组自主研制的“深部地下工程结构失稳全过程模拟试验系统”,借助数字照相技术、应变监测仪、超声测速仪和多源地球物理信息同步采集系统,综合运用物理试验、数值模拟、理论分析等研究方法,协同开展块体结构不同支护方式下围岩垮塌灾变全过程演化规律和失稳机理的研究。主要研究内容和成果如下:（1）基于相似理论的基本原理研制了以河砂、水泥、石膏为原料的符合现场工程背景的岩体基质物理力学特性的相似材料;开展了块状结构围岩无支护、锚杆支护、锚杆索三种不同支护方案的试验研究;获得了不同支护方式下块状围岩垮塌灾变全过程荷载-位移关系曲线,锚杆和锚杆索支护巷道峰值荷载相比于无支护巷道分别增加了58.41%和87.61%;分析了块状围岩锚固结构从变形到整体垮塌灾变过程中应力场、位移场、地电场的时空演化规律,从宏观尺度上揭示了块状围岩巷道垮塌灾变机理。模型加载前后使用超声波测试仪、钻孔窥视仪、三维超声波成像仪对围岩的损伤程度进行测试,深入剖析了块状围岩巷道变形破坏模式和内部损伤特征。（2）在物理模型试验的基础上,采用UDEC数值模拟软件建立了适用于深部块状围岩巷道的模型。利用自主编译的fish程序对围岩损伤裂纹进行记录和追踪,综合分析了4种不同支护方式下深部掘进煤巷块状结构围岩应力场、位移场、裂纹场演化规律,研究表明锚杆索+工字钢支架联合支护模式下,总裂纹数相比于无支护巷道降低了59.6%,顶板处压力拱内边界与硐室临空面的距离也减少了64.71%。通过数值仿真模拟与室内物理试验结果的比较,对所建模型的合理性作出了评价,并以此为基础,改变巷道围岩块体尺寸大小和节理面倾角,进一步研究了不同岩体结构参数对巷道垮塌灾变机理的影响。（3）基于块体理论对巷道顶板关键块体安全系数w及失稳坠落临界高度h的影响因素进行了综合分析;重点针对影响块体稳定性的关键因素,对块状围岩巷道顶板关键块体锚固方法和锚固机理进行理论研究;提出“锚网索主动加固+工字钢支架外撑”的联合支护方案,通过数值模拟和工程现场应用验证了此方案的可行性。该论文共有图92幅,表21个,参考文献103篇。