瓦斯抽采是矿井瓦斯治理的核心技术,但在碎软低透高瓦斯煤层中面临深孔钻进塌孔的技术瓶颈,制约煤层气开发效能。井下钻孔过程中,裂隙水及水力钻孔水流侵蚀冲刷孔壁煤体,导致其软化、泥化。伴随抽采时间延长和含水量变化,煤体蠕变促使裂隙扩展,在应力及流固耦合作用下形成微裂隙,最终引发钻孔围岩结构性失稳。本文结合理论分析、实验研究和数值模拟,以五阳矿3#煤层为背景,研究水作用下此类煤层抽采孔变形机理。 依据XRD、SEM-EDS、BET试验研究煤体矿物组成与微观结构对煤含水率和力学性质的影响,依据单轴压缩实验研究表明水分显著弱化煤体力学性能。单轴压缩试验结果表明,饱水煤样单轴抗压强度、弹性模量和泊松比分别较干燥煤样下降22.2%、33.5%和50%,且相同变形下所需载荷更低。理论分析基于摩尔-库伦准则建立孔壁失稳破坏准则、钻孔坍塌条件及变形方程,从力学角度揭示水作用下抽采孔变形原理。同时,水锁效应阻碍瓦斯运移,导致气体有效渗透率随润湿程度呈指数衰减,进一步降低煤层渗透性。结合煤体变形方程与瓦斯渗流方程,研究了水作用下高瓦斯煤层抽采孔变形特征及煤体应力分布、变形与瓦斯渗流场的演化规律。 利用COMSOL Multiphysics模拟干、湿状态抽采孔变化,结果显示湿润条件下,位移量比干燥条件高25%~50%,位移范围更大;有效应力水平略微降低,应力进行了释放和重分布;因煤体强度降低,塑性区范围扩大20%~50%;瓦斯压力升高10%~30%。孔周水渗流速度随时间先快升后衰减至稳定,影响范围扩展先快后慢,且抽采过程中孔周瓦斯压力整体衰减,近孔区下降最显著,随径向距离增加而减弱。本研究为提升碎软低透高瓦斯煤层抽采效率、保障矿井安全提供了科学依据。