以煤矿开采过程中常见的碎裂煤岩体注浆治理工程为背景,采用常规物理力学试验、四周约束型压缩试验和理论分析相结合的方法,对不同类型碎裂煤岩体的力学特性及变形破坏特征进行了系统研究。同时,结合室内注浆模拟试验、多场耦合数值模拟、力学分析和三维重构技术,对浆液在碎裂煤岩体内的扩散规律及机理进行了详细分析,并将所得研究结论成功地应用于现场处置。所取得的主要研究成果如下:(1)受结构效应的影响,裂隙对岩体的损伤程度与裂隙倾角呈负相关,与裂隙数量呈正相关,且裂隙数量对岩体的损伤效果受到倾角的有效制约,而结构效应则随裂隙数量的增加和倾角的减小而逐渐减弱;裂隙倾角对岩体的力学变形特性具有明显的分区影响特征,并决定其最终破坏模式,而裂隙数量可提高岩体破裂程度,但对破坏模式的影响程度有限;注浆加固对裂隙岩体的补强效果同裂隙数量、充填程度和浆体固化强度呈正相关,而与裂隙倾角之间为负相关。充填浆体可有效缓解由裂隙引起的应力集中,从而改善岩体内部的应力分布状态,但受“节理”效应影响,注浆加固并不能完全消除裂隙对岩体的原有损伤;此外,借助裂纹三维重构技术可以更加直观地反映出岩样内部的裂纹扩展形态,实现了对其破裂模式的无损可视化研究。(2)从微细观角度着手,把浆液在裂隙中的扩散过程细分为对裂隙中部的充填和对裂隙面的润湿两大部分,提出以浆液的润湿特性来对其可注性进行评价,并得出了浆岩理化性质、裂隙面结构和浆液粘度对可注性的影响规律。同时采用多场耦合数值模拟,得出了注浆压力、裂隙开度和浆液粘度对浆液在岩体裂隙内扩散效果的影响程度。之后,建立裂隙开度与浆液压力之间的本构方程,推导得出浆液扩散速度和扩散半径的计算表达式,并进一步分析了浆液扩散的影响因素;此外,通过对不同浆-岩组合体试件进行常规压缩试验,得到了固化浆体在岩体裂隙中的作用机理。(3)将破碎岩体的压缩变形过程分为滑移流动变形期、压裂充填变形期和压密弹性变形期三个阶段,并结合约束型压缩试验和声发射监测结果,得到了块体粒径、强度、加载速率、煤岩比C/R和循环加卸载次数对破碎岩体承载变形特性的影响规律,同时,采用AE事件计数和绝对能量的增长变化情况来反映破碎岩体内部结构重组的激烈和复杂程度;并采用分形理论对压缩后的岩块粒径进行分析研究,得出分形维数D与岩块碎裂程度之间的相关关系;随后,对不同类型破碎固结体试件进行常规单轴压缩试验,得到岩体强度和浆体固结强度对胶结体试件承压变形特性的影响规律,提出了浆-岩耦合作用承载机制。(4)采用室内注浆模拟试验和浆液形态三维重构技术对破碎岩体内部的浆液扩散规律进行分析,得到浆液粘度、岩块粒径、加载压力、注浆压力与浆液扩散规律之间的关系,发现了浆液扩散过程中的“重力效应”及其改善方式。同时,将浆液在破碎岩体中的扩散过程归结为一种两相流多孔介质渗流现象,经推导得到浆液及气体的饱和度、等效平均水力半径的表达式;基于平均水力半径孔喉模型,得到浆液在破碎岩体内的扩散能量损失情况及相关影响因素,并进一步与Forchheimer公式对比,得到破碎岩体渗透率的计算表达公式。(5)根据碎裂煤岩体的承载特性和注浆补强效果,提出裂隙煤壁快速加固技术、大冒顶片帮区快速处置技术和柔性护巷技术,并将三者成功应用于煤矿事故的现场处置,所得结果可为碎裂煤岩体自承特性的有效利用及注浆加固技术的工程应用提供一定的事例补充及技术完善。