瓦斯是赋存于煤层及围岩中的与煤炭共生的非常规天然气资源,储量丰富,它是一种优质的清洁能源,但瓦斯事故高发也严重影响着煤炭行业的发展。钻孔瓦斯抽采是现阶段治理瓦斯灾害的主要技术手段之一,抽采钻孔密封性劣化导致抽采浓度快速衰减是目前钻孔瓦斯抽采遇到的主要问题之一,钻孔密封质量的好坏直接影响着瓦斯抽采的浓度、孔内负压、甚至整个钻场的抽采效果。瓦斯抽采钻孔密封段是由煤体-封孔材料-抽采管组成的异质结构体,受到应力扰动及封孔材料性质差异的影响,钻孔密封段异质结构变形损伤,漏风加剧,抽采浓度降低。论文采用理论分析、数值模拟、实验室及现场实验相结合的方法,研究顺层瓦斯抽采钻孔密封段煤体-封孔材料异质结构的损伤演化规律。研究过程中主要获得的研究成果如下。1)分别从围岩应力、煤体结构、异质结构及封孔材料的粘度、膨胀率、析水率、强度对钻孔密封性的影响进行了分析。得出应力扰动导致钻孔周边煤体超过其屈服强度产生塑性变形,裂隙发育,密封性降低。钻孔注浆过程中浆液粘度上升速度越快,流动性降低越快,浆液难以封堵裂隙。封孔材料的膨胀特性可为钻孔围岩提供一定的支护力,提高钻孔密封段稳定性和完整性,若表现出析水特性,水分挥发后钻孔壁面和封孔材料分离,漏气通道增加,密封性降低。钻孔密封段煤体-封孔材料异质结构界面两端的材料特性不同,在应力作用下,钻孔密封段异质结构损伤产生裂隙,抽采后期钻孔密封性降低。2)对高河能源3~#煤层采集制取的煤-水泥组合试件、煤单体和水泥单体试件进行单轴和三轴声发射试验。得出煤-水泥异质结构试件的峰值应力介于煤单体试件和水泥单体试件之间,煤单体试件的强度是水泥单体试件强度的2.1倍。煤-水泥组合试件的振铃计数峰值约为水泥单体试件振铃计数峰值的112倍。单轴实验组合试件的破坏是由于水泥裂纹的快速扩展释放出大量能量,裂纹延交界面扩展到煤体结构中,导致煤-水泥组合试件整体失稳。三轴实验中组合试件受到围压作用,水泥只能产生塑性变形,随着轴向应力的增大,最终导致了组合试件的整体失稳。3)对瓦斯抽采钻孔密封段异质结构的类型进行了分类,采用厚壁圆筒理论对钻孔密封段异质结构进行了受力分析,得出钻孔密封段煤体弹性区圆环、煤体塑性区圆环及水泥封孔材料圆环的应力分量、应变分量与位移方程。在交界面处由于煤体-封孔材料性质差异,煤体和封孔材料变形不一致,交界面处产生摩擦约束应力,煤体和封孔材料的强度将产生变化,将钻孔密封段异质结构的破坏形式分为六种。4)采用COMSOL Multiphysics数值分析方法,分析了不同主应力条件下和封孔材料性质的钻孔密封段异质结构损伤规律。得出在围岩受载均等条件下,随着围岩应力的增大,损伤首先出现在煤体、封孔水泥圆环交界面附近,随着围岩应力的增大,损伤在钻孔煤体塑性区及封孔水泥圆环中扩展。侧压系数影响钻孔密封段煤-水泥异质结构的损伤,侧压系数越大,钻孔围岩单位面积应力大、上升快,应力集中程度越高,越易损伤,损伤形状整体呈现出“蝶形”。在相同弹性模量和泊松比条件下,围岩应力越大,钻孔封孔材料内部单位面积应力越集中,受力越大。而且随着弹性模量和泊松比的增大,封孔材料内应力也在逐渐增大。5)钻孔封孔时,应根据矿区煤层的赋存情况、煤体孔裂隙特征及强度挑选符合煤层条件的封孔材料,提高钻孔密封质量。得出封孔材料前期需要流动性好、高渗透性的注浆材料,中期注浆完成后需要具有高膨胀性,后期需要钻孔密封材料具有环境自适应性。在高河煤矿进行了PCG封孔材料和水泥封孔材料的封孔效果现场对比试验,得出采用相变凝胶(PCG)材料密封的钻孔平均浓度和抽采纯量都高于水泥材料密封的钻孔,说明相变凝胶(PCG)材料比水泥材料密封效果好。