我国构造煤广泛发育且构造煤煤层气资源丰富,传统的水力压裂等技术难以有效促使煤体原生裂隙打开并相互贯通,同时新裂隙又极易被构造煤颗粒充填堵塞,无法有效改善构造煤的渗透性。因此,构造煤水平井钻井和扩孔造洞穴应力释放煤层气开发理论技术成为煤层气高效勘探开发的新的技术方向,也逐渐成为制约中国煤层气产业规模化发展的技术瓶颈之一。本文依托国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目“构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发模拟试验系统（41727801）”,采用试验测试、理论分析、地质力学模型试验、数值模拟分析相结合的方法,测定了构造煤的物理力学性质,分析了构造煤多级扩孔过程中钻进参数的动态响应特征,建立了构造煤水平井多级扩孔地质-工程模型,在此基础上自主研发了水平井往复式多级扩孔钻进与构造煤层作用试验系统,通过模拟试验系统研究了构造煤多级扩孔全过程中的钻进特性、围岩应力演化规律及井孔变形损伤特征,揭示了钻进与构造煤层相互作用机理。取得的主要成果如下:（1）得到了研究区构造煤物理力学性质及其与原生结构煤的差异。构造煤受构造应力作用孔裂隙系统发育且形态各异,分布极不规律。构造煤的超声波波速和电阻率均小于原生结构煤。原生结构煤的强度和抵抗变形能力明显高于构造煤,单轴应力下的峰值强度和弹性模量分别为构造煤的9倍和22倍,三轴应力下峰值强度和弹性模量分别为构造煤的2～3.7倍和12～25倍。原生结构煤的峰后变形以应变软化为主,而构造煤的峰后变形随着围压的增大逐渐由应变软化向理想塑性过渡。（2）揭示了构造煤在单一孔径钻进和多级扩孔条件下钻进参数的动态响应特性。通过单一孔径钻进试验分析了钻进推力、回转速度、钻头直径、煤体强度及应力状态对进尺速度、钻进扭矩的影响规律,试验结果表明进尺速度随着回转速度和钻进推力的增大而增大,切削扭矩随着钻进推力、钻头直径、煤体应力和强度的增大而增大。通过多级扩孔试验分析了钻头进尺速度和钻进扭矩、构造煤的声发射能量和煤体应变随孔径逐级增大的的变化规律,结果表明进尺速度变化规律为:初始钻进阶段<一级扩孔阶段≈二级扩孔阶段,切削扭矩变化规律为:初始钻进阶段<一级扩孔阶段<二级扩孔阶段,声发射能量在初始钻进、一级扩孔和二级扩孔阶段呈“台阶式”增大,应变变化幅度随距孔壁距离的增加而减小,随着孔径的增加而增大。（3）阐释了构造煤井孔围岩变形特征及多级扩孔应力演化机理,在此基础上建立了构造煤水平井多级扩孔地质-工程物理模型,自主研发了水平井往复式多级扩孔钻进与构造煤层作用试验系统。（1）研究了构造煤井孔围岩变形特征及井孔收缩机理,分析了抗压强度、弹性模量、内摩擦角、泊松比等力学参数以及地应力和钻井液液柱压力对井孔收缩程度的影响规律;（2）分析了多级扩孔条件下煤体应力演化机理,初始井孔形成时的集中应力对井孔周围煤体造成破坏,使煤体结构发生改变,煤体的极限承载力降低,因此在对初始井孔进行扩孔时,煤体损伤范围增大,新平衡状态下的集中应力降低;（3）水平井往复式多级扩孔钻进与构造煤层作用试验系统能够实现模拟不同埋深的煤体并在其中进行不换钻头的多级变径扩孔模拟,同时能够完成对进尺速度、回转速度、钻进推力、钻进扭矩等状态参数和模拟煤层应力参数的监测与采集;（4）根据相似理论制备了构造煤及其顶底板相似材料并制作了地质力学试验模型,同时优选了适用于构造煤地层的暂堵成膜钻井液。（4）探究了钻井液作用下构造煤水平井往复式多级扩孔钻进过程中钻进参数变化规律和钻井液的携屑效果。结果表明钻进扭矩在多级扩孔过程中依次增大,钻进推力变化不明显。与初始钻进相比,一级扩孔时钻井液的携屑效果先变差、反排受阻,随后携屑效果增加;在二级扩孔阶段,钻杆与井壁的间隙增加,钻井液反排阻力降低。扩孔阶段的钻井液的环空返速比初始钻进时明显降低。钻进及扩孔后的井孔为近似规则的圆柱形,井壁上钻井液附着均匀,造壁能力显著。（5）揭示了水平井往复式多级扩孔条件下井孔周围构造煤体的应力、变形演化特征和多级扩孔钻进与构造煤层作用机理。钻进时井孔前方煤体出现明显的应力重分布,钻头前方煤体应力首先增大,在钻头经过之后逐渐降低。一级和二级扩孔后井孔周围煤体应力释放范围逐步增加,集中应力逐渐向煤体深部转移。视电阻率与煤体应力演化规律相匹配,视电阻率反演结果得到了不同井径下井孔周围煤体的破坏范围。通过构造区煤层中水平井钻进与扩孔的数值模拟研究,比较了不同地质条件下的构造煤和原生结构煤中井孔周围煤体的应力分布及损伤破坏的差异性,进而从多级扩孔钻进与构造煤层相互作用的两个视角阐释了多级扩孔钻进与构造煤层作用机理,研究结果可以为水平井施工过程中构造煤井壁的稳定控制提供理论基础。该论文有图178幅,表30个,参考文献286篇。