石膏矿采空区冒顶、塌陷事故时有发生，是我国非煤矿山的重要地灾形式。70％的石膏矿开采为地下开采，且多采用房柱法，留设的石膏矿护顶层和矿柱构成了采空区支撑系统。石膏岩因吸水软化和受荷流变损伤，致使矿柱-护顶层支撑体系的力学性能显著降低是石膏矿事故发生的关键原因之一。掌握石膏岩的水软化力学特性和流变特性，研究软化和流变影响下石膏矿采空区矿柱-护顶层支撑体系的变形破坏机理对于石膏矿采空区的设计和稳定性控制具有重要意义。为此，本文以湖北省荆门市荆花石膏矿采空区稳定性研究为依托，结合国家自然科学基金面上项目(51274188)“石膏矿矿柱-护顶层支撑体系破坏机制的突变理论研究”，通过实验研究、理论分析和数值模拟等方法，系统研究石膏岩的基本物理力学性质、水软化特性和流变特性，建立石膏岩的流变本构模型，分析石膏矿采空区支撑体系的破坏机制，主要成果如下:　　(1)石膏岩的矿物成分结构构造分析、含水率、密度等物理性质试验和单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂等力学性质试验表明，石膏岩具有局部发育微孔隙而整体孔隙率低、强度低和延性较好等特点。　　(2)石膏岩具有较强的水软化效应。强度软化表现为粘聚力显著下降而内摩擦角基本保持不变，饱水软化后石膏岩的脆性进一步降低，脆延临界转换围压更低。水对石膏岩软化程度随置于环境的时间递增，软化速率随时间递减。石膏岩的单轴抗压强度、单轴抗拉强度和弹性模量与置于水环境中的时间基本呈负指数关系。石膏岩的软化程度和软化速度与水的状态密切相关，相对湿度越高，石膏岩的软化越显著，软化速率也更快;被液态水浸泡时，石膏岩的软化最显著。　　(3)水对石膏岩的软化过程是水的物理作用与化学作用的耦合，化学作用是石膏岩发生长期软化的根本原因，水与石膏岩接触，石膏的溶解、重结晶作用持续改变着岩石的矿物组成结构，使其结构由紧密变得松散，孔隙增多，力学性能不断弱化。　　(4)石膏岩具有较显著的流变效应。当轴偏应力较低时，石膏岩的蠕变速率会衰减到一个恒定值，当轴偏应力较高时，石膏岩在历经一定时段的等速蠕变后进入加速蠕变阶段，等速蠕变的时间段长短与应力水平相关，应力越接近其强度，则等速蠕变时间越短。相同轴偏应力差的情况下，随着围压的增加，石膏岩的蠕变变形更小，蠕变速率更低。相较天然状态，饱水状态下的石膏岩其蠕变强度显著降低，相同应力状态下所产生的蠕变变形更大，蠕变速率更高。　　(5)基于损伤力学理论，利用流变元件模型方法建立了能够较好的描述石膏岩加速蠕变阶段的非线性流变本构模型，该模型的参数物理意义清晰，能够方便的推广应用于描述一般岩石的流变性质。　　(6)通过数值模拟研究石膏矿采场几何结构参数、石膏岩的水软化力学特性和流变力学特性对采空区支撑体系的变形破坏影响，结果表明随着石膏岩软化和流变损伤的发展，支撑体系首先在顶底板表层和矿柱与顶板联接部位产生局部拉伸破坏，随后矿柱发生X型剪切破坏并失稳，最终带动顶板失效。由支撑体系几何结构弱化所造成的支撑体系破坏发展过程与石膏岩力学性能弱化所造成的相似。　　(7)石膏矿矿柱-护顶层支撑体系的破坏具有明显的突变特征。当宽跨比和石膏岩的强度分别减小时，支撑体系塑性区体积随之增大，且存在拐点。当宽跨比或石膏岩强度大于拐点值时，随着宽跨比和石膏岩的强度的减小，支撑体系塑性区体积发展较小;当宽跨比或石膏岩强度小于拐点值时，随着宽跨比和石膏岩的强度的减小，支撑体系塑性区体积快速发展。