裂隙的发育改变了煤体力学性质,可能引发煤与瓦斯突出、煤体自燃等煤矿灾害,也是钻孔发生抽采漏气的根本原因。针对目前煤矿常用堵漏材料中存在的不足,本文制备一种溶液型高分子发泡密封材料(PS)。通过开展钻孔注浆堵漏模拟试验,揭示PS材料对煤体的堵漏作用机制,并在山西焦煤集团屯兰煤矿开展钻孔堵漏工程试验,考察该PS材料的实际应用效果,主要得到如下结论:通过开展煤体三轴-渗流实验分析了钻孔周围不同区域内煤体渗流特征变化,在考虑蠕变效应的基础上建立钻孔漏气量动态演化模型,利用数值模拟的方法研究钻孔漏气量演化规律及其影响因素。并针对工程中常用的水泥浆和化学材料的流变特性,推导不同流体的柱-半球形注浆扩展模型,三维数值模拟结果表明对于低渗透性的煤层注浆更适合采用牛顿流型的化学浆材。在理论分析的基础上,选择一种氨基树脂为基料,通过苯酚聚合物对其改性,并配以交联剂、发泡剂、稳泡剂、增韧剂制备一种高分子发泡密封材料。采用单因素法考察各组分对材料性能的影响,利用L25(56)正交试验的方法探究了材料各组分之间的相互影响机制,结合材料宏观力学实验确定A3B1C1D1E2F3为材料的最优配比。针对煤体憎水特性,通过分析液滴铺展过程中系统吉布斯自由能变化,建立浆-煤体界面孔隙率模型,讨论不同接触角对界面孔隙率的影响机制;并选择4种湿润剂对材料进行亲煤性改性研究,通过煤粉沉降、煤粉吸湿量和接触角的方法确定WS3作为材料的湿润剂,其添加量为0.4%。利用自主研制的PS材料开展钻孔注浆堵漏模拟试验,并选用传统的超细水泥(SC)作为对比,结合核磁共振、三轴蠕变-渗流和宏观力学实验的方法揭示PS材料对煤体的堵漏作用机制:(1)浆-煤固结体宏观形貌结果表明SC和PS材料在试验煤屑中的固结体积分别达到46.92%和90.73%,说明PS材料在被注煤体中充填率更高、浆液渗透能力更强。(2)核磁共振实验结果表明PS固结体内孔隙结构主要为闭合型小孔和中孔,而SC固结体富含有大量连通型的大孔和裂隙;且PS固结体孔隙分形维数DL和DS均低于SC固结体,说明PS固结体内孔隙结构较为简单,更多孔、裂隙被PS材料浆液所填充。(3)固结体三轴-渗流实验结果发现PS和SC固结体试样平均初始渗透率分别为5.13 mD和12.84 mD,两者在加载过程中渗透率分别增长了 2.73和4.65倍;固结体蠕变-渗流实验研究结果表明PS在峰后阶段未发生明显的宏观破裂,渗透率增幅较小;而SC固结体在峰后阶段加载过程中蠕变速率迅速增加,稳态蠕变持续施加较短,这就加快了内部裂纹的汇合与扩展,形成大量漏气通道导致渗透率急剧增加。(4)采用SC和PS材料注浆煤体后的固结体平均单轴抗压强度分别为4.224 MPa和5.573 MPa,相应加固系数分别为10.416和13.741;根据单结构面理论推导固结体内破裂面在临界状态时受到侧向约束力σ3的表达式,并结合原煤结构面直剪实验求得PS固结体在临界状态时σ3是SC固结体的1.6倍,说明PS材料对煤体的加固效果更为显著。(5)根据电镜扫描结果对不同固结体的浆-煤界面模型进行划分,SC材料在浆-煤界面处结构较为疏松,其界面强度主要取决于水化产物的种类、数量及存在方式,与被注介质本身性质相关性不强;而PS材料与煤体的结合更为紧密,表现出良好的分子相容性,FTIR分析结果表明PS分子与被注煤体之间发生了物理及化学反应,使得PS材料分子在煤体表面上形成了牢固的化学覆盖,提高了材料对煤体堵漏效果的改善。工程试验结果表明:12507运输巷试验钻孔在堵漏处置后平均钻孔瓦斯浓度由25.68%提高至43.24%,18402运输巷试验钻孔在堵漏处置后平均钻孔瓦斯浓度由60.42%提高至71.45%,且在其后抽采时间内未发生明显的衰减趋势;说明PS材料能有效封堵钻孔周围大量裂隙、改善钻孔抽采效率,提高了钻孔周围煤体稳定性,具有优越的堵漏效果。