巷道浅表易发生碎裂变形,围岩表面维护是支护体系中的重要环节。与现有金属网和厚层混凝土护表方式相比,喷涂柔膜在力学性能、变形能力、施工性能等方面具有其独特的优势。然而喷涂柔膜在煤矿巷道锚杆支护中应用较少,其支护作用机理研究尚存不足。本文综合运用理论分析、实验室实验、数值模拟、现场应用等方法,研究了典型喷涂柔膜材料的力学性能,揭示了其在锚杆支护体系下的作用和机制,进而开展了效果评价和分析,主要成果如下:(1)揭示了喷涂柔膜材料承载响应快、变形能力大、粘结强度高等力学特征。所测试的喷涂柔膜材料拉伸初期快速建立强度,决定了在岩体变形初期即可快速发挥力学作用;最大延伸率接近60%,适用于煤矿巷道的大变形条件;法向、切向粘结测试中均未发生膜内部或膜与岩石粘结界面的破坏,粘结性能好。(2)分析了喷涂柔膜提高表层岩体抗压强度、完整性的力学作用。通过数值模拟发现,施加喷涂柔膜后小尺度致密岩石和破碎岩体试样的侧限抗压强度有不同程度的提高;通过实验发现,喷涂柔膜后原煤基体的侧限压缩强度提高了25%。在压缩和拉伸实验中,试样基体发生破坏后喷涂柔膜未出现脱粘、剥离现象,保持与破碎岩体的良好粘结,体现了维持表层岩体完整性的作用。(3)揭示了喷涂柔膜抑制锚杆间岩体变形、防止块体垮落的护表作用。喷涂柔膜通过粘结,抑制了锚杆间“网兜”效应的出现。测试得到了喷涂柔膜的线性承载能力指标,所测材料理论上可实现752 kg松脱块体的自重,表明其具备防止顶板小块松脱岩石垮落的能力。(4)分析了喷涂柔膜抑制泥岩强度弱化,实现注浆壁面封闭的作用。基于低场核磁共振技术发现喷涂柔膜减弱了泥岩基体的吸湿,进而抑制了基体强度弱化。实验发现喷涂柔膜承受壁面内部压力时有三种破坏形式,最高封闭压力1.05MPa。通过与裂隙岩体注浆压力梯度模拟结果对比发现,喷涂柔膜具备注浆壁面封闭能力,具有改善注浆效果的潜在作用。(5)揭示了喷涂柔膜对锚杆支护的协同作用。通过对巷道锚杆支护数值模拟发现,施加喷涂柔膜后顶板表面及内部的下沉量得到抑制,顶板岩体内部y方向应力有所提高,顶板锚杆的最大轴力平均值明显降低,表明锚杆支护体系下喷膜提高了顶板岩体的完整性和自承载能力。(6)总结了喷涂柔膜在锚杆支护体系下的作用机制。锚杆发挥支护的主体作用。喷涂柔膜通过其特殊的力学性质,对所粘结的表层岩体具有增强作用,通过快速承载及时阻止锚杆间岩体的变形和块体的移动进而维持岩体的完整性;通过隔离密闭作用抑制岩体的弱化,具备防止金属支护构件锈蚀的潜力,同时具备注浆壁面封闭的能力。喷涂柔膜与锚杆的作用相互弥补,协同发挥围岩控制作用。(7)讨论了喷涂柔膜技术的工程特性,总结了喷涂柔膜的支护作用原理,对比分析了喷涂柔膜与喷射混凝土和网的支护性能和施工特点,提出了喷涂柔膜材料差异化开发方案,给出了施工工艺和装备原理的开发建议,分析了喷涂柔膜的应用限制,开展了喷涂柔膜的适用性评价。(8)开发了一种机械化浆体制备、喷涂工艺,实现了以井下压风作为动力、具备自行走能力的一体化施工装备,建立了装备的三维样机模型。开展了喷涂柔膜用于金属支护构件封闭和避难硐室壁面瓦斯封堵两个工程实践,验证了喷涂柔膜的密闭作用。论文共有图124幅,表30个,参考文献186篇。