煤炭作为我国的主体能源具有长期性和不可替代性。瓦斯作为煤的伴生气体,既是矿井灾害的主要来源,同时也是优质的清洁能源。目前,矿井瓦斯抽采已经成为煤矿井下瓦斯灾害防治和煤层气资源开发的主要方式,其中,钻孔瓦斯抽采由于其形式灵活、成本低、环境适应性强等,是煤矿井下瓦斯抽采的主要工艺方法。钻孔瓦斯抽采的核心基础是钻孔的密封性,其直接决定着钻孔瓦斯抽采效率和抽采瓦斯利用率。但是,随着我国煤矿开采深度的增加,高应力、构造煤及低渗煤层等逐渐增多,现有钻孔密封材料出现明显的煤层适应性制约,钻孔密封性普遍变差,由此导致的低浓度瓦斯抽采问题日趋凸显,严重制约着我国煤矿煤与瓦斯安全高效开采和瓦斯资源规模化利用进程。基于上述钻孔瓦斯抽采现状,本论文以工程实际需求出发,在分析国内外相关研究成果的基础上,采用实验室试验、理论分析、数值模拟及现场试验相结合的方法,对瓦斯抽采钻孔密封性控制理论及技术这一课题进行深入研究,研究过程中主要获得如下成果:(1)基于煤的孔隙和裂隙结构特征,在分析钻孔瓦斯流场分布的基础上,应用Darcy渗流理论,推导了均质煤层钻孔叠加流场下的稳态与非稳态瓦斯涌出量控制方程,并以高河能源3~#煤层瓦斯赋存参数为条件,数值上分析了钻孔瓦斯涌出量随时间的变化关系及主要影响因素和影响尺度,得出钻孔瓦斯涌出过程主要分为急速衰减期、快速衰减期、缓慢衰减期及稳定期四个阶段,且随着瓦斯压力和透气性数的增大,各衰减周期跨度延长,稳定期涌出量增大;增加3倍的钻孔直径后,钻孔平均瓦斯涌出量仅增加1.32倍,且每增加10kPa抽采负压后,钻孔瓦斯涌出量仅增加0.0025m~3/min。(2)基于煤岩体的物理力学性质和受载变形特性,根据统一强度理论及Kelvin蠕变模型,建立了考虑中间主应力效应、煤岩塑性软化、扩容及蠕变特性的圆形巷道及钻孔围岩粘弹性-塑性软化-塑性流动力学变形模型,理论推导了塑性各区损伤半径、最小钻孔密封深度及钻孔径向理论密封半径解析解,得出了巷道及钻孔围岩随时间的变形损伤主要发生在其形成初期,且中间主应力系数及煤岩力学强度对其采动半径具有主要控制作用,煤岩软化扩容特性对无支护条件下的钻孔围岩影响较为明显,平均可达5%左右;在此基础上,结合钻孔密封后密封段结构特征及钻孔围岩随时间的变形特性,分析了典型接触型层状异质结构模型下的钻孔密封段的变形损伤特征,得出钻孔密封段异质结构损伤裂隙的生成是由于界面两侧材料挤压和摩擦损伤所形成的,而且塑性流动区残余应力及钻孔密封材料强度越低,密封段异质结构随时间的损伤裂隙越发育。(3)基于钻孔密封段接触型层状异质结构模型,在分析钻孔密封段气体渗漏流场的基础上,利用Darcy渗流定律,推导了考虑煤壁和钻孔围岩塑性损伤条件下的钻孔密封段气体渗漏量控制方程,得出密封段漏气量随时间的变化主要发生在钻孔瓦斯抽采初期,10天左右后达到一个稳定值;当钻孔围岩塑性流动区实现完全密封时,钻孔密封段漏气量可控制在60%以上。(4)基于钻孔密封性评价模型,通过联立钻孔瓦斯涌出量和密封段漏气量控制方程,推导了考虑时间效应的钻孔瓦斯抽采浓度控制方程,并以高河能源3~#煤层数据为条件分析得出,钻孔抽采瓦斯浓度的下降主要分为快速下降期、减慢下降期和稳定期三个阶段,且当密封率达50%时,在相同低渗煤层条件下可将瓦斯浓度提高至25%以上;同时结合钻孔密封段理论漏气量和实际漏气量的关系,提出了钻孔密封质量评价模型,并将其分为密封性差、中等和良好三个类型。(5)通过对钻孔密封环境特征、密封注浆参数及现有钻孔密封材物理力学性质进行测试分析,提出采用相变凝胶材料密封钻孔的方法来实现提高钻孔密封性的目的;根据相变凝胶钻孔密封理论核心思想,通过对水溶性高分子材料进行基料筛选、改性,给出了相变凝胶密封材料的基本配方,并对材料性能进行实验测定的出,PCG材料在密封性、渗透性、胶结性、可降解性及成本等方面均优于当前钻孔密封材料。(6)以山西高河能源3~#煤层南北翼典型难抽采煤层为条件,在分析其密封性劣化因素的基础上,对相应条件下的瓦斯抽采钻孔实施相变凝胶密封技术,并与膨胀水泥基“两堵一注”密封技术进行对比可得,钻孔瓦斯抽采纯量平均提高1.5倍,抽采浓度提高2~4倍,相变凝胶对提高钻孔密封性效果明显。本论文系统地回答了钻孔密封性控制机理这一科学问题,开发了具有可降解前景的新型相变凝胶钻孔密封材,实现了提高钻空密封性的目标,为改变当前低浓度瓦斯抽采及利率用困境提供了科学的理论指导和可行有效的技术途径,对于完善我国矿井钻孔瓦斯抽采科学理论体系,提高钻孔瓦斯抽采效率和利用率,降低钻孔瓦斯抽采成本等均具有十分重要的科学价值及工程意义。