我国多数煤矿中煤层赋存和开采条件十分复杂,致使下保护层开采卸压增透效果具有很大的差异性和局限性。在一些层间距大、保护层厚度小、层间有关键层存在的煤层中,可能会出现保护效果不足、甚至失效的问题;而且,现有的下保护层开采措施的防突增透效果显现缓慢,不利于煤矿的高效生产。因此,充分掌握下保护层开采过程中扰动区上覆煤岩的变形损伤规律,探索复杂地质条件下保护层开采辅助增透技术,是促进下保护层开采技术大面积推广使用的关键,也是实现煤矿安全高效绿色生产的保障。本文以突出煤和煤系地层中典型砂岩为研究对象,以其微细观结构分析为基础,利用宏观力学试验,研究了固-气耦合作用下多种因素对煤体力学特性的影响规律,揭示了复杂采动应力场下突出煤的能量演化特征、损伤渗透特征和砂岩基于声发射技术的变形损伤特征;建立了突出煤渗透率与能量耗散率间关系方程,建立了可反映砂岩变形全过程特征的统计损伤演化模型;利用理论分析和数值模拟方法探讨了多种因素对层状岩石预制裂纹扩展规律的影响;通过数值模拟方法分析了上覆岩层预裂区几何参数和分布参数对被保护煤层卸荷增透效果的影响规律。以上研究内容为探索新的防治煤与瓦斯突出灾害技术奠定了理论和技术基础。通过本文研究,在以下几方面取得一些进展。(1)系统分析了突出原煤的微细观结构特征和强度特征。对比分析了突出原煤与非突出原煤在物质组成、微细观形貌特征和孔隙结构特征上的差异。基于煤岩声发射产生机理和缺陷分布规律的假设,建立了突出原煤单轴压缩条件下的损伤演化模型。(2)以突出型煤为试验材料,研究了围压、瓦斯压力和加载速率对突出煤力学特性的影响。试验表明围压能够抑制煤体变形、提高煤体强度,瓦斯压力降低了煤体的有效应力,而加载速率对含瓦斯突出煤的力学强度的改变存在一个阀值。此外,围压作用下含瓦斯突出煤的变形存在塑性硬化特征,并建立了以内摩擦角和内聚力表征的硬化系数与含瓦斯突出煤塑性应变的定量关系。(3)开展了系列含瓦斯突出煤的分阶段加卸载试验。分析了突出煤在复杂扰动应力场中的力学特性、渗透特征和能量演化规律,揭示了含瓦斯突出煤卸荷恒压段的蠕变变形特征,提出用能量耗散率来描述煤样渗透特性的变化规律,并建立了不同卸荷条件下煤样渗透率与能量耗散率间的函数关系。(4)研究分析了煤系地层中典型砂岩在复杂采动应力场下的变形损伤特征和剪切破坏规律。基于统计损伤理论和D-P破坏准则,建立了可反映砂岩变形全过程特征的统计损伤演化模型;基于声发射技术,分析了砂岩多步剪切试验过程中的损伤演化过程,揭示了砂岩在不同加载速率下的声发射绝对能量概率密度函数均符合幂定律分布,并利用最大似然估计方法得到了砂岩绝对能量幂定律分布的临界指数。(5)采用弹性力学和断裂力学理论分析了预制裂纹起裂与扩展的力学机制,建立了平面应力条件下裂纹的开裂角与裂纹初始尺寸、构件受力情况、裂隙角度和断裂韧度之间的关系。并利用数值模拟方法进行了含预制裂纹的层状岩石三点弯曲试验,分析了预制裂纹的几何参数、分布参数和层状岩石的组分、结构以及外部加载速率等因素对预制裂纹的穿层扩展规律以及层状岩石的变形破坏规律的影响。(6)采用Flac3D数值模拟软件对比分析了采用上覆岩层预裂技术与否对被保护煤层应力卸荷量、竖向膨胀变形量和卸荷范围的影响规律,研究了预裂区几何参数和分布参数设置对被保护煤层卸荷增透效果的影响规律,为下保护层开采过程中采用上覆岩层预裂辅助增透技术提供了理论指导。