物化型软岩是指含有大量黏土矿物,在工程扰动下易于发生失水-吸水产生胀缩性和工程特性持续降低的软弱岩体,它是矿业工程、岩土工程、水电工程、地下储库等领域经常涉及到的重大岩石力学问题之一。由于物化型软岩具有水化膨胀、强度降低和软化崩解等物理力学特性,对许多重大工程的稳定性产生了极大的影响,并造成巨大的经济损失。已有的软岩工程稳定性控制理论与方法均集中于被动支护与锚固,研究的重点放在对已破碎或软化崩解的软岩的加固上。实践证明,支护与锚固方法仅对应力型软岩和结构型软岩有明显的控制效果,而对物化型软岩的水化膨胀、碎胀扩容、强度降低收效甚微。由于地下水、应力及其它恶劣环境的作用,支护系统不能承受巨大膨胀与碎胀应力,而锚固系统又没有足够的着力点,导致支护和锚固系统在物化型软岩工程中往往失效。本文在对国内外相关理论与技术充分研究与分析的基础上,改变以往一味追求被动支护或锚固的方式,提出通过改性材料改变物化型软岩的物性,达到防止、减弱或减缓物化型软岩物理力学性能的易变性,达到提高工程软岩长期稳定的软岩工程稳定性控制理论及技术,并围绕这个主题进行了深入的研究,所进行的工作及取得的创新成果主要有:1、通过X-射线衍射、X-射线荧光光谱分析、扫描电镜等先进的技术手段,对取自8个典型软岩矿区的15种物化型软岩样品的矿物组成、化学成分、微结构形态等矿物学特征进行了系统研究,在此基础上选取以蒙脱石含量为主和以高岭石含量为主两类软岩作为研究对象,通过氮气等温吸附、红外光谱分析以及岩石的物理化学测试等手段对其表面凹凸形貌特性、孔裂隙分布特性等表面特性与表面润湿性、表面能、表面官能团、表面电性等表面性质进行了定性和定量研究,为软岩改性提供了矿物表面结构和表面物理化学基础。2、基于对物化型软岩的物质组成、矿物结构及其失水-吸水过程的物理力学机制的研究,提出了物化型软岩由硬质砂粒—黏土矿物叠层构成的四面体微结构单元的胀缩几何模型,建立了相应的胀缩几何方程,为定量进行软岩的胀缩性能研究提供了理论基础。3、采用自由基溶液共聚和溶胶-凝胶法合成了一种室温固化的新型改性材料,探讨了其在软岩表面的成膜机理,并对它的结构、疏水性、膜层牢固性、防水性等性能进行了研究。同时鉴于硅烷偶联剂的优异性能,选择其作为改性材料,对其防水性、强度特性进行了研究,为软岩包覆改性提供了材料基础。4、在合成新型改性材料性能研究的基础上,选择配比3作为改性材料,进行了改性前后软岩颗粒自由膨胀性、块度崩解性等对比试验研究。结果表明改性后软岩颗粒自由膨胀性和块体崩解性明显减弱。5、通过理论分析和不同配比浆液流动性、固化强度特征的对比试验,研究了硅烷偶联剂与水泥和萘系减水剂的化学结合原理、结合特性及其稳定性,并将研究成果应用于屯兰煤矿12206工作面瓦斯尾巷,成功解决了屯兰矿瓦斯尾巷支护的技术难题,取得了显著的技术经济效益与社会效益,为物化型软岩工程稳定性提供了新的控制理论和方法。