我国煤层地质条件复杂,在目前逐渐进入深部开采模式的背景下,由于地应力较大、煤层透气性低和瓦斯含量高导致矿井下瓦斯动力灾害发生的可能性激增,采用穿层钻孔抽采的方法降低煤层瓦斯压力是目前矿井下有效且常见的一种瓦斯治理手段。煤岩属于典型的沉积岩,具有明显的层理结构,这使得同一煤层内煤体在不同层理方向的瓦斯渗流性能和力学特性差异较大,然而目前针对煤岩层理效应的研究较少且不全面,并且在研究穿层钻孔抽采煤层瓦斯时往往以煤岩是均匀介质为前提,与井下生产实际存在较大差异。因此,考虑层理效应对煤体力学变形损伤破坏特性以及瓦斯渗流规律的影响对穿层钻孔瓦斯抽采效果和规律开展研究,对高效精准治理井下瓦斯灾害具有实际价值,同时还为揭示煤层瓦斯动力灾害机理提供了科学依据和实验参考。本文将官地矿9#煤层所取层理明显的煤块按照与层理面夹角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°制取煤样,对煤样进行单轴加载破坏,同时监测加载过程中的声发射特性,全面了解单轴加载下层理角度对煤样力学变形损伤破坏特性的影响;其次对不同层理角度煤样进行三轴加载下的力学、渗流实验,探究不同围压、不同瓦斯压力下煤体的力学和渗流特性随层理角度的变化规律;最后,通过数值模拟手段揭示了层理效应对煤层中穿层钻孔有效抽采区域的影响,为解决工程问题提供了理论依据和科学方法。主要的研究结论有以下几点:(1)煤体的单轴抗压强度随层理角度的增大总体呈“V”型变化趋势,弹性模量则是随层理角度的增大而增大,但增速逐渐放缓;煤样的破坏形式随着层理角度的增大从拉张破坏变为剪切破坏,75°和90°层理煤样则呈现张剪复合破坏,破坏程度逐渐提高;加载过程中的声发射信号特征与煤样的变形破坏特征基本相符,信号定位点的分布与信号源幅值强弱也能反映煤样的实际损伤破坏情况,这也证明利用声发射技术监测煤岩损伤变形破坏并预测井下动力灾害的方法是可行可靠的。(2)在三轴加载下,煤体抗压强度、弹性模量远高于单轴压缩下,随层理角度的增大同样呈“V”型;围压作用下不同层理角度煤样的破坏形式与单轴下有所不同,近平行层理煤样发生膨胀拉张和剪切变形破坏,30°和45°层理角度煤样沿层理面呈剪切破坏,大于45°层理煤样则呈现不规律的“X”型共轭剪切破坏。煤体抗压强度和弹性模量随围压的增大而增大,煤样失稳破坏后的破碎程度随着围压的增大而提高。(3)在三轴加载力学、渗流实验中,测算了不同层理角度煤样在不同围压条件下加载过程中的渗流特性,渗透率随轴向加载的进行呈先减小后增大的趋势,在煤样弹性变形阶段末到屈服阶段初期达到渗透率的最小值,而后随着煤体的屈服破坏,渗透率开始逐渐回升。分别拟合得到了在不同围压下煤样层理角度与其初始渗透率的函数关系,在极坐标内拓展得到煤层竖直剖面内一点各方向的渗透率分布规律,并与基于等效驱替原理的渗透率矢量合成算法进行对比分析。煤样渗透率随瓦斯压力的增大先减小后增大,由于Klinkenberg效应的影响,使得在瓦斯压力较低时得渗透率相对较大,在1MPa左右出现渗透率最小值。引入围压敏感性系数来评价围压的变化对不同层理角度煤样的渗透率的影响程度,拟合得到了不同层理角度煤样渗透率随围压变化的函数关系。(4)进行了煤体瓦斯气固耦合数学模型与穿层钻孔抽采煤层瓦斯模型的构建与求解,结果表明:经过相同的抽采时间,在考虑层理效应造成的煤层渗透率各向异性下,倾角较小穿层钻孔的有效抽采半径和区域相较于渗透率各向同性时明显偏小,证明层理效应影响了穿层钻孔抽采效果。此外还模拟了在煤层不同初始渗透率和不同初始瓦斯压力条件下穿层钻孔抽采效果的变化规律,分析发现煤层初始渗透率对于穿层钻孔的抽采效果影响最为显著。