随着煤炭资源开采深度的增加,大量深部煤层巷道变形的时间效应显现加剧。对于围岩强度极低的松散煤层巷道,流变大变形现象十分普遍。鉴于此,本文紧紧围绕松散煤体巷道流变问题,采用人工智能、室内实验、理论分析、工程调研、数值计算及现场试验相结合的研究方法,基于煤岩参数反演模型,实验室构建了等效松散煤体试样,揭示了松散煤体的流变特性,建立了符合该类煤体的流变模型,反演了巷道煤体流变参数并揭示了巷道流变机理,提出了旋喷注浆加固松散煤体的控制对策并试验其可行性,探索了旋喷加固技术抑制巷道流变机理,为研究与治理松散煤体巷道提供了新的思路。本文的主要研究内容和成果如下:(1)搭建了煤岩体参数反演的算法模型。在分析参数的反演必要性前提下,采用人工智能手段对本文松散煤体研究涉及的两类物理力学参数即“构建参数”和“流变参数”进行反演模型搭建。将机器学习的支持向量机算法和高效寻优的生物启发式天牛须算法有机结合起来,进一步的建立起基于天牛须搜索的进化支持向量机参数反演模型(BAS-ESVM),确定了该模型反演实现的主要步骤。其中天牛须算法不仅对支持向量机的参数(核参数和罚参数)进行调优形成进化支持向量机(ESVM),还对待反演参数进行寻优输出。利用该模型对室内煤体构建的参数和巷道煤体的流变参数进行了精确反演。(2)提出了室内构建煤试件等效于现场松散煤体的方法。鉴于典型的松散煤层实际赋存状态,常规手段难以对其开展煤岩物理力学试验。该法以松散煤体坚固性为纽带,旨在将室内的成型煤体的孔隙率和强度与现场煤体孔隙率和强度等效。实验室测定了现场煤体的孔隙率(9.8%)和坚固性系数的反算强度(2.5MPa),并提出了成型煤体的孔隙率测定方法。理论分析确定了“成型压力、成型时间和成型水分(含水率)”为煤体成型过程中的关键影响参数,确定了煤体成型工艺并分析了成型机理及影响成型效果的因素,得到了煤体成型过程中的三阶段曲线即“初始压密变形、塑性变形及弹性变形阶段”。通过试验得到成型煤体的孔隙率和强度样本数据,揭示了成型煤体破坏的五阶段曲线即“孔隙裂隙压密、弹性变形、稳定破裂、加速破坏和峰后破坏阶段”。基于“BAS-ESVM”模型反演得到了现场原煤孔隙率和强度下的实验室型煤体构建参数即成型压力23.7MPa,成型时间33.5 min,含水率4.82%。按照该参数成功建立起试验煤体,成型煤体测试强度为2.52 MPa,孔隙率为10%,与原煤高度接近,验证了该模型和参数的合理准确性。(3)揭示了松散煤体流变特性并建立了相适应的流变模型。基于已构建的高度等效现场的松散煤体试样,采用分级加载方法,测得其单轴流变全过程蠕变曲线,揭示了松散煤体的流变变形特性即松散煤体存在“瞬时变形、减速蠕变、等速蠕变及加速蠕变阶段,卸载后存在残余变形”。得到了试样轴向四阶段应力应变规律即“孔隙裂隙压密阶段、线性变形阶段、裂隙孔隙发育阶段、加速破坏阶段”,分析了蠕变煤体受长时蠕变损伤下的等时应力应变曲线和瞬时加载变形模量规律。在松散煤体流变元件模型选取原则指导下,提出了适合松散煤体流变特征的改进型CVISC流变模型,推导了相关蠕变方程及其差分形式。提出了对添加的粘性单元参数计算方法,对松散煤体的流变参数进行了辨识,后经数值模型分析,验证了所提出模型的合理与正确性。(4)反演了深部巷道松散煤体流变参数并揭示了巷道流变机理。基于一个具有典型流变性质的松散煤层巷道工程案例,分析了其流变规律即该松散煤巷具有“前期减速大流变和后期等速大流变”特征,确定了帮部软弱松散煤体长时流变是巷道失稳破坏的关键因素。理论分析选取了适合松散煤体的流变模型及相关流变参数的取值范围,通过正交流变参数组合设计,并经三维巷道数值模拟计算,得到含有时间序列的巷道位移。基于现场流变位移数据,通过“BAS-ESVM”模型反演得到了实测变形下的巷道煤体流变参数,经正算验证了所反演的流变参数及整体模型的建立是合适与正确的。进一步,通过对该流变巷道围岩水平与垂直位移、最大主应力与最小主应力、塑性区扩展随时间的演化规律分析,揭示了松散煤体巷道的不稳定变形时间长,煤体内高应力积聚,塑性区扩展范围远超支护范围等破坏机理。(5)提出了高压旋喷加固流变巷道的技术对策并试验其对松散煤体的扩孔成桩效果。理论分析了控制流变巷道的根本是提高松散煤体的自身性质,探索性的提出通过高压旋喷技术深度改性松散煤体,从而抑制巷道流变。深入分析了高压旋喷的“剪切、拉伸及内损伤”破煤机理,讨论了高压射流在煤体中扩孔范围与关键影响因素,分析了水泥浆旋喷成桩作用与改性固结煤体机理。讨论了旋喷技术在深部松软煤层适用的可行性,计算选取了旋喷相关设备,分析了射流流量及压力对煤体作用,并在地面预先验证了设备和参数设置合理性。确定了两套旋喷工艺及流程,现场试验结果显示高压旋喷射流技术对坚硬的泥岩体扩孔范围有限,而对松散煤体扩孔成桩效果较好,尺寸在400 mm～500 mm左右,满足预加固支护要求,但也仍需优化选取试验地点和部分旋喷参数。(6)探索了旋喷加固控制松散煤巷方案并分析了其抑制流变机理。基于旋喷注浆成型桩体在松散煤层中的存在状态,实验室内构建了旋喷煤浆固结体,理论计算确定了煤与水泥浆液的合理比例为1.3,设计了煤浆混合物并测定了其坍落度。从宏观微观角度试验分析了水泥浆对煤体的改性作用,认为煤浆固结体是介于混凝土和煤体之间的在强度和延展性上具有优异性能的复合材料,试验确定了该材料力学参数的尺寸效应和抗流变的特性。提出了旋喷注浆加固巷道的设计思路、原则和关键技术,建立了以“旋喷改性加固为主体,联合喷射混凝土和U型棚强化”的松散煤层巷道控制方案并确定了相关参数,概括为“浅表改性、预先加固、提高承载、边放边抗、柔中有刚、多重支护”的基本控制思想。建立了含有旋喷加固体的三维数值模型,合理选取了本构模型和相关参数。探索了两种旋喷方案在巷道流变变形抑制、围岩应力优化及塑性区扩展控制上的机理,综合对比分析认为旋喷注浆加固松散煤体技术可以明显降低顶板和帮部变形,最大分别减小69%和78%;减少巷道稳定时间,从60天减少至15天;优化围岩应力,应力集中系数可最大降低35%;大幅度减小围岩塑性区,顶板塑性区范围减小84%,帮部塑性区范围最大降低42%;对松散煤巷流变的研究与治理进行了新的尝试并提供了新的思路。该论文有图130幅,表39个,参考文献282篇。