二氧化碳相变致裂技术作为一种新型煤层卸压增透技术,适用范围广、致裂效果好。本文主要采用理论分析和数值模拟相结合的方法,系统地研究控制孔在二氧化碳相变致裂中的作用机理。主要研究内容和结论如下:(1)分析二氧化碳相变致裂技术的基本原理,将二氧化碳相变致裂过程划分为高压气体作用阶段与应力波作用阶段。计算二氧化碳相变致裂的TNT当量,分析二氧化碳相变致裂中压力与时间的关系。研究了控制孔在相变致裂过程中应力波作用阶段的力学效应,分析了含控制孔相变致裂粉碎区和裂隙区的影响范围。(2)构建二氧化碳相变致裂煤体固气耦合数学模型,在有效应力方程中引入控制孔参数,用含控制孔煤岩体变形场方程、单元损伤方程和透气性方程表示煤体损伤演化的数学模型。结合煤层中气体运移方程、质量守恒和能量守恒方程,构建了含控制孔有效应力的二氧化碳致裂煤体固气耦合数学模型。(3)对二氧化碳相变致裂过程进行了 COMSOL数值模拟,模拟相同致裂压力对不同力学性质煤岩体的影响及不同致裂压力对同一煤体的影响;模拟控制孔不同位置对致裂效果的影响,及不同控制孔孔径对裂纹的影响规律。结果表明:设置控制孔比不设置控制孔裂隙区的半径增大了 1 0.2%,设置控制孔位于裂隙区和应力扰动区边界处致裂效果最佳,控制孔孔径较大的裂纹发育更快、裂纹网影响范围更广。(4)通过对二氧化碳相变致裂技术的现场应用,结果显示设控制孔条件下二氧化碳相变致裂的有效影响半径为5m~6m,与数值模拟结果相近。表明该技术能够有效改善煤层透气性,提高瓦斯浓度与瓦斯抽采量。研究结果可为二氧化碳相变致裂中控制孔参数的优化提供新的分析方法,丰富了二氧化碳相变致裂基础理论研究。