水平井多级扩孔是构造煤原位煤层气地面井高效开发的基本技术保障和工艺前提,构造煤具有富气、低渗、松软等突出特性,研究构造煤水平井多级扩孔工艺、构造煤井壁围岩损伤特征及细观结构演变,对于构造煤原位卸压抽采开采具有重要的现实意义和理论意义。本文在测试构造煤基本物理力学性质的基础上,以煤粉、石膏、石英砂和水为相似材料,利用相似配比试验和控制变量法研究了相似材料中胶结剂和辅料所占比例对构造煤抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角和孔隙度等物理力学性质参数的影响;在以上各参数相似比为1的情况下,确定构造煤相似材料最佳配比方案为:煤粉:石膏:石英砂:水=5:1.6:0.8:1.2。之后设计了一种往复式三级扩孔钻进方案,通过物理相似模拟实验研究了构造煤围岩在多级扩孔条件下的渗透性变化规律;利用离散元模拟软件PFC研究了构造煤在多级扩孔条件下的结构变化规律。结合物理相似模拟与数值模拟得出以下结论:(1)多级扩孔对于构造煤围岩的结构和渗透性具有重要影响。一级扩孔后,构造煤内裂隙条数3023条,裂隙贯通区域半径0.05m,未生成明显的贯通裂隙;二级扩孔后,构造煤内裂隙条数6154条,裂隙贯通区域半径0.08m,生成2条明显的贯通裂隙,呈X型分布;三级扩孔后,构造煤内裂隙条数9450条,裂隙贯通区域半径0.115m,生成3条明显的贯通裂隙;且在竖向载荷作用下,钻孔截面围岩垂向变形破坏较横向变形严重。(2)每级扩孔过程中,随着钻进长度增长,构造煤围岩裂隙发生扩展与贯通,裂隙贯通区的范围逐渐沿钻孔轴向延伸,孔隙率也呈直线式上升;钻孔结束后,裂隙贯通区范围会随时间趋于稳定,致使构造煤渗透性具有随钻进进尺长度变长而变大,但增长趋势会越来越小的特点。(3)每级扩孔钻孔完成后,构造煤围岩的变形并未结束,而是处于残余变形阶段,随着时间逐渐达到新的应力平衡状态,构造煤渗透性在残余变形状态下具有随时间逐渐变大并最终趋于一个稳定值的特点,而且随着扩孔半径越大,构造煤围岩渗透性达到稳定所需的时间越长。(4)随着扩孔半径的增大,裂隙贯通区域半径逐渐增大并形成明显的2-3条贯通裂隙,呈X型分布,构造煤孔隙率随着半径的增加线性上升,构造煤围岩渗透性呈指数性增长。一级扩孔后,构造煤渗透率是初始渗透率的4.25倍;二级扩孔后,构造煤渗透率是初始渗透率的17.5倍;三级扩孔后,构造煤渗透率是初始渗透率的31.5倍。(5)构造煤裂隙-渗透性变化机理:在多级扩孔过程中,构造煤围岩经历了多次应力释放,导致构造煤围岩应力重分布并发生剪切破坏,构造煤内部裂隙扩展、贯通,在钻孔周围形成明显的裂隙贯通区,并伴有贯通裂隙生成,构造煤孔隙率呈直线式上升,诱发构造煤渗透性的突变。钻孔结束后,构造煤围岩处于残余变形阶段,随着时间构造煤裂隙贯通区范围逐渐趋于稳定,导致构造煤渗透性具有随时间先增大后趋于稳定的特点。