我国采空区煤层气资源丰富,但采收率低。经典“三带”理论认为:采空井的井底布置在“裂隙带”内即可高效地抽采煤层气。但采空区煤层气压力低,抽采范围小,煤层气抽采面临“不产气”、“产气少”和“产气量差异大”等难题。而针对垮落带煤层气抽采的研究较少,且仅将垮落带假设为“黑匣子”,“经验性”设置采空区不同层位空隙率,研究“黑匣子”内煤层气的渗流。本文通过数值模拟、实验及现场实测的方法研究了采空区不同层位空隙率的分布特征,及低压力的煤层气在空隙内的渗流特性。主要研究成果如下:在拉格朗日框架下采用软球模型中的Hertz-Mindlin无滑动接触模型进行受力分析,描述岩块与岩块之间及岩块与壁面之间的碰撞作用力,并综合考虑岩块的重力,建立垮落岩体的受力压缩数学模型;对于气相中含空气的煤层气,则采用离散单元法在欧拉框架下建立了气相流动方程。联立上述所构建的方程,即可建立垮落岩体内煤层气渗流的数学模型。基于垮落岩体的受力压缩模型,模拟了大尺度岩块组成的垮落岩体的压实过程。在压实过程中,应力主要通过强力链自上向下传递,导致上部岩体应力明显大于下部岩体应力。随压缩量增大,强力链向下延伸距离增长,覆盖范围变大,导致高应力范围逐渐向下扩展;由于垮落岩体下部岩块受外力扰动小,岩块受力向下滑移的距离也较短,使垮落岩体下部岩块间的接触网络较疏松,配位数较小,导致垮落岩体自上而下空隙率逐渐增大;垮落岩体空隙与力链空隙均呈现双峰分布,随压缩量增大,力链出现断裂,力链空隙进行重组,导致垮落岩体内部分大空隙分裂为小空隙。基于垮落岩体内煤层气渗流的模型,模拟了低压煤层气在垮落岩体空隙内的渗流过程。垮落岩体空隙为煤层气自下而上流动提供了流动空间,岩块间空隙越大,煤层气气体的流动速度越大;而颗粒排布越密集,对煤层气气体流动的阻碍能力越强。由于垮落岩体底部岩块间的空隙较大,储存大量煤层气,导致垮落岩体底部煤层气压力较大,流动速度也较大;随距垮落岩体底部距离的增大,岩块间空隙逐渐减少,煤层气压力逐渐降低,煤层气的流动速度基本趋于平稳。在垮落岩体相同的层位上,随煤层气浓度的增大,煤层气气体的流动速度也在逐渐增加。本文选取了三口地质条件相似的关闭矿井采空区,其中#1号钻井、#2号钻井及#3号钻井分别位于裂隙带内、垮落带上部及垮落带底部。#1号采空井、#2号采空井及#3号采空井的煤层气抽采量依次增大,表明#3号采空井的井位是适合低压采空区的最佳抽采井位。这是由于采空区煤层气的压力较低,有效抽采范围小。当采空井的井底布置在裂隙带,采空区内低压煤层气较难流入钻井抽采范围。而垮落带的底部空隙较大,储存着大量煤层气,钻井位于采空区底部,能够快速有效地抽采遗煤解吸出的煤层气。