在煤矿采掘工程活动中,巷道顶板会发生不同程度的破坏乃至冒落伤人,近年来顶板灾害的事故起数和死亡人数有所下降但数量仍居高位。如何提前发现潜在冒落区、及时做出警示并采取有效的措施,对于降低冒顶事故概率、避免人员伤亡具有重要的现实意义。论文针对频发的巷道顶板局部灾变问题,研究了巷道围岩潜在冒落区的形成机理,分析了潜在冒落区的形态。揭示了钻进过程中振动参量和切削参量的力学响应机制,明确了钻进振动参量和切削参量时频域特征值与顶板岩层强度、厚度和组合之间的对应关系。设计了基于钻进测得振动加速度和压力识别巷道围岩潜在冒落区的实验系统,得到了钻进介质劣化时振动参量和切削参量的衰减规律,形成了基于钻进参数识别岩层和潜在冒落区的方法,为识别巷道顶板潜在冒落区和设计合理支护方案提供了基础。形成如下主要结论:（1）研究了巷道围岩潜在破坏区的形成机理,获得了潜在破坏区的形态。塑性区是巷道围岩受采动影响而性质变弱的区域,巷道围岩从塑性变形到破坏状态的过程持续时间很短,因此,可以通过分析塑性区来研究巷道潜在破坏区。根据应力环境的不同,巷道围岩塑性区可分为圆形、椭圆形、蝶形和X形等形态,塑性区长轴与主应力方向保持一定角度。当长轴趋近于竖直方向时,塑性区发生冒落的概率显著增加。（2）建立了煤岩体切削力学模型,揭示了钻进过程中振动参量和切削参量的力学响应机制。获得了PDC两翼型钻头作用在煤岩体的极限切削力关系。根据弹塑性力学理论和摩尔库伦破坏准则,得出巷道顶板钻孔切削块体剪切面形成的条件。对切削块体进行受力分析,得到极限切削力表达式。当煤岩体参数和切削刀刃参数一定时:钻头外径增加,极限切削力随之增加;随着煤岩体强度（C和φ）的增加而增加,即高强度的煤岩体破碎需要的极限切削力更大。（3）得到了矿用PDC两翼钻头切削破岩的振动加速度演化规律。当煤岩体参数和切削刀刃参数一定时,振动加速度会随着煤岩体强度（粘聚力C和内摩擦角φ）的增加而增加,即高强度的煤岩体破碎需要的切削扭矩更大,反映出的振动加速度更大。（4）获得了识别不同岩层钻进振动参量及切削参量的关系。与高强度岩层相比,强度相差越大,振动参量和切削参量值越大。在切削刀刃参数一定条件下,钻进振动参量和切削参量对不同强度岩层有较高辨识度,明确了钻进振动参量和切削参量时频域特征值与顶板岩层强度、厚度和组合之间的对应关系,提出了钻进信息识别煤巷顶板岩层的方法。（5）揭示了钻进介质劣化时振动参量和切削参量的衰减机制,获得了识别潜在冒落区的钻进振动参量及切削参量的关系。与完整强度岩层相比,破碎岩层的破碎程度越大,振动参量和切削参量值越大。得到了钻进信号幅值及信号峰值密度等的演化规律,明确了巷道顶板潜在冒落区与介质变化的内在关系,基于实时钻进信息采集和分形力学分析,实现了巷道顶板潜在冒落区劣化程度的量化分析。（6）形成了潜在冒落区钻进信息跃迁原理及识别方法。根据采掘关系确定巷道围岩应力环境,结合围岩地质条件,评估巷道潜在冒落区范围。选取受采掘影响较小或不受采动影响巷道,采集顶板钻进振动加速度信息,对顶板岩性进行分类。对受采动影响巷道顶板进行钻进探测,对比分析识别出潜在冒落区。基于此,通过改善采掘关系、优化支护设计和补强支护的措施保证巷道顶板稳定性。（7）构建了由组合试件-振动加速度测试系统-压力测试系统-位移测试系统等组成的钻进信息采集系统,设计了矿用锚杆钻机钻进组合岩层的实验室方案,得到了不同岩层的钻进信息特征。对3组不同强度试件的钻进信息进行了时频域特征分析,结果表明振动加速度和压力的幅值概率、平均幅值、有效值、峰值密度、标准差和重心幅值等钻进信息特征值参量均随试件强度的增加依次增加,因此信号特征值均能较好的体现对煤岩体强度的敏感性,进而反映出钻进信息识别试件岩性的有效性。（8）明确了完整-破碎相间组合岩层的钻进信息特征。对比分析得出钻进信息对煤岩体的完整和破碎状态有较强的敏感依赖性。同时,钻机钻过岩层分界面时,虽然时间很短,但振动信号幅值下降明显。因此,振动加速度是识别巷道顶板不同岩层的分界面可行有效的指标参数。（9）对矿用钻机进行集成改进,并应用于柳湾矿智能开采工作面,得出了材料巷顶板的岩性分布与组合特征。对材料巷顶板进行全方位探测,通过钻进振动参量特征分析,材料巷顶板钻进振动加速度曲线存在三个明显分界面,根据分界面确定出顶板岩层的展布特征。材料巷顶板岩性组合为11#顶煤、11#煤顶板泥岩、10#煤和10#煤顶板泥岩,厚度变化范围为1.4m～2.1m、2.15m～2.89m、1.45m～1.79m和1.72m～2.41m,且煤层夹矸和泥岩弱面也可在钻进信号中清晰标定。（10）获得了材料巷潜在冒落区形态。超前40m对巷道全长进行振动参量测试,并精确标定出潜在冒落区位于K1310～K1320段。顶板潜在冒落区长轴区域位于巷道中部偏向实体煤侧,中间破坏深度为2.96m,实体煤侧破坏深度为2.58m,工作面煤壁侧的破坏深度为2.45m,呈现典型非对称破坏特征,冒顶隐患率高。（11）为保证智能开采工作面安全高效回采,通过注浆方式对巷道顶板潜在冒落区进行补强加固,抑制了破坏区的进一步恶性扩展,效果良好。保障了智能开采工作面安全通过潜在冒落区段,回采期间未发生冒顶事故。