弱胶结地层是广泛分布在我国西部矿区侏罗系、白垩系地层中的一类特殊沉积砂岩地层。该地层主要为成分成熟度及结构成熟度较低的弱胶结砂岩,富含刚性颗粒,具有弱胶结、低强度、遇水后泥化崩解、扰动敏感等特性,对许多深部地下工程支护方式及围岩稳定性控制产生了极大的影响。本文以弱胶结砂岩为研究对象,采用胶结砂岩细观结构试验、宏观岩石力学实验、理论分析和数值模拟等技术手段,研究了弱胶结砂岩的矿物成分和细观结构特征及其对静力学和动力学性能的影响;揭示了弱胶结砂岩水岩相互作用机理及对渗透特性的影响;建立了弱胶结砂岩重整化模型,证明了弱胶结砂岩受力变形破坏过程中类相变临界状态的存在并建立了相应判别条件,对弱胶结砂岩的类相变临界状态及判别特征进性了充分阐述;基于弱胶结砂岩受力加载变形破坏过程的类相变临界现象及其物理意义,分析了弱胶结地层中巷道开挖互相扰动特性,并对弱胶结围岩支护提出了有效的主动支护对策。本课题主要取得以下研究成果与进展:(1)采用QEMSCAN电镜、SEM扫描电镜、体式显微镜等手段对弱胶结砂岩的矿物组成、化学成分、晶体结构、微结构特征等进行了定量和定性研究。研究表明,弱胶结砂岩从细观结构分析主要以颗粒物质和胶结物质在压实和胶结作用下形成的胶结结构;弱胶结砂岩的矿物组成成分的差异性和颗粒之间的接触状态对其力学性质有重要的影响;通过对比分析发现其成熟度远低于我国中东部地区砂岩。(2)通过岩石力学静力学加载试验、动力学冲击实验和离散元数值分析的方法,对其受力变形破坏特征进行研究。研究表明,弱胶结砂岩的宏观力学行为主要由粒间接触决定,当边界荷载发生变化时,弱胶结砂岩颗粒间作用力随之发生变化,造成胶结砂岩颗粒体系细观结构的变化;弱胶结胶结砂岩细观颗粒接触参数对胶结砂岩的力学特性和变形破坏特征有重要影响。由于细观结构的胶结物质的强度较低,弱胶结砂岩在冲击破坏时能量消耗的较少,即在较低的冲击能量下破坏程度较高。(3)通过对弱胶结砂岩进行浸泡饱水实验、细观结构分析试验、饱水变角剪切试验、干湿循环条件下的声发射试验和渗透试验等力学实验方法研究了水岩相互作用机理及其对弱胶结砂岩力学性质的影响。研究表明:弱胶结砂岩颗粒间粘土胶结物质遇水泥化、膨胀以及弱胶结砂岩的高孔隙率致使水更容易进入岩石内部结构,矿物颗粒溶蚀破坏矿物集合体的结构,进而导致弱胶结砂岩内部细观结构发生变化,最终导致了弱胶结砂岩强度降低;水岩相互作用对剪切破坏形貌特征、声发射特性及渗透特性有重要影响。(4)通过对弱胶结砂岩矿物成分和细观结构的分析、力学实验、弱胶结砂岩细观结构受力理论分析,建立弱胶结砂岩的重整化群模型并结合弱胶结砂岩加载过程中的声发射特性,证明了弱胶结砂岩在受力加载变形破坏过程中存在一个类相变临界状态,即胶结颗粒发生由连续状态到离散状态的转化过程;弱胶结砂岩胶结度的差异,导致了达到类相变临界状态时对应的临界应力和临界应变也不相同,破坏状态也不相同;弱胶结砂岩在受力加载过程中接近类相变临界状态时,试件对振动或者扰动异常敏感,微小的应变△ε极易导致弱胶结弱胶结砂岩达到类相变临界状态,即弱胶结砂岩内部胶结颗粒发生连续到离散类相变转化过程。而△ε取决于颗粒矿物成分、弱胶结砂岩成岩过程中的颗粒压实特性及胶结物质胶结特性、胶结物质含量等细观结构因素,即取决于弱胶结砂岩的胶结度。弱胶结砂岩的胶结程度越差,类相变临界状态比硬岩达到屈服应力值的点相对要提前越多。(5)通过区域地应力特性分析,现场松动圈的测试以及数值模拟的方法,研究了弱胶结地层邻近巷道掘进的相互扰动因素;并基于弱胶结砂岩在受力加载过程中存在临界类相变点这一特性,分析得到,在弱胶结地层中进行工程挖时,由于扰动敏感的特性,应积极采取主动支护的方式,支护强度保证围岩受力状态维持在类相变临界状态以前是弱胶结砂岩支护对策的核心思想,并提出了合理的主动支护措施。