采用定向长钻孔抽采煤层瓦斯是煤矿井下区域瓦斯治理的有效手段之一,而我国松软煤层分布广泛,钻孔过程中塌孔事故时有发生,极大地降低了成孔率和瓦斯抽采治理的效果。因此,钻孔稳定性问题是值得深入研究的重要课题,文中以山西长治余吾煤矿掘进工作面抽采钻孔为研究对象,通过弹塑性力学理论分析、有限元数值模拟和实例计算的研究方法,围绕钻孔塌孔机理展开研究,并基于研究结果优化钻孔布置方式和钻孔轨迹设计方法。主要结论如下:(1)建立了考虑岩石应变软化特性的弹塑性力学模型,得到该力学模型下钻孔围岩弹塑性解;理论计算表明余吾煤矿松软煤体钻孔的塑性区半径为钻孔半径的1.99倍,巷道塑性区半径和应力影响半径的平均值分别为5.02m和17.09m,且分别是巷道等效半径的2.01倍和6.84倍。根据解析解提出了软化综合系数N,其值是煤岩体抗剪强度特性参数、变形特性参数和原岩应力的函数;将N作为钻孔失稳破坏的指标,表征孔壁软化程度,其值越大钻孔越容易失稳;确定的煤岩体存在临界值,当钻孔围岩达到临界值时,即出现破裂区,进而失稳破坏;余吾煤矿煤层钻孔围岩软化综合系数的临界值为2.5。(2)运用COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析软件对钻孔围岩应力应变规律进行模拟研究得到:煤岩体强度越低、原始瓦斯压力越大、钻孔半径越大、抽采时间越长,钻孔围岩塑性区越大,钻孔稳定性相对越差;钻孔开挖后,孔壁围岩切向应力距钻孔中心2.3r左右达到应力峰值,应力集中系数均小于2;当地应力侧压系数不为1时,钻孔围岩塑性区和应力不再呈现圆形分布,余吾煤矿抽采钻孔在水平方向上孔壁两侧更容易产生应力集中、导致破坏,塑性区域呈长轴在水平方向的椭圆状。(3)通过对弹塑性力学模型及其解析解和数值模拟结果综合比较分析得到钻孔塌孔机理:钻孔围岩应变软化效应导致煤体强度下降;瓦斯压力和吸附膨胀应力下降,引起钻孔围岩有效应力急剧增大和应力集中;当应力超过煤体极限强度时,钻孔围岩产生极不稳定的破碎区,进而发生塌孔。(4)基于塌孔机理及钻孔围岩弹塑性区应力应变变化规律,为了预防塌孔,结合余吾煤矿S2108掘进工作面采掘条件,提出了采用顶(底)板梳状定向长钻孔“横向”或“纵向”布置方式掩护预抽掘进巷道围岩瓦斯方案,亦即将抽采主孔布置在稳定的岩层中,分支孔则深入煤层从而保证抽采效果。(5)针对顶(底)板梳状定向长钻孔,提出了“直线—圆弧—直线”三段式斜平面钻孔轨迹设计方法,将空间钻孔轴线简化转换至平面内设计,简单快捷,满足工程精度。(6)提出的钻孔布置方式与钻孔轨迹设计方法很好地指导了余吾煤矿煤层瓦斯治理,对于类似的煤层具有推广意义。