在我国数量庞大的废弃矿井中,高瓦斯矿井占绝大多数。由于废弃矿井井下各项维护设备停止运行,人员无法实地进入井下对其地质结构与残存的瓦斯量进行有效考察,对井下瓦斯缺乏长期有效的监测措施,并且在进行废弃矿井采空区煤层气抽采时无法有效圈定井下瓦斯的富集区,因此现如今在废弃矿井中开采瓦斯存在盲目性较大,抽采率较低的问题。本文采用了相似模拟手段模拟了在煤层倾角40°的条件下K₃^b与K₂^b煤层的分层开采过程;又分别在FLAC^3D与UDEC数值模拟软件中基于重庆市松藻煤矿的工程背景建立了数值模型,模拟了三种开采角度(30°、40°、60°)条件下煤层的分层开挖过程中的应力及裂隙场规律;再利用COMSOL数值模拟软件对瓦斯富集区域进行数值模拟实验,对大倾角煤层群覆岩裂隙场发育规律及井下瓦斯富集区域进行深入探究。主要工作及结论如下: (1)相似模拟实验结果表示:单煤层(K₃^b)开采时,覆岩初次垮落步距为50cm,周期来压步距为20cm,裂隙带发育高度达到43.46cm;多煤层开采时,K₂^b煤层开采导致覆岩裂隙贯通性增强,裂隙带高度提升至65cm,且受到K₃^b煤层覆岩的压实影响,K₂^b煤层的初次来压步距缩小至35cm,周期来压步距缩短至15cm;破断角呈现非对称特征(切眼侧35°、工作面侧45°);并运用DIC技术定量揭示了开采过程中覆岩的最大下沉量达到3.6cm,位移场的分布形态依次经历“峰形-梯形-平行四边形-不规则阶梯形”四个阶段。 (2)FLAC^3D数值模拟研究显示:随着煤层回采长度的增加,采空区上方形成拱形应力释放带,其高度随倾角增大而减小(30°时最高,60°时最低),煤柱应力集中呈现非对称性(下侧煤柱应力范围更大但集中度更低),同时,应力释放速率与倾角负相关(30°时0.12×10?Pa/1000步),顶板拉应力峰值(0.43MPa)表明局部发生拉伸破坏;UDEC数值模拟研究显示:多次采动导致裂隙网络贯通,K₂^b煤层开采后裂隙带扩展至K₃^b采空区覆岩,形成跨煤层的立体“O”型裂隙区(水平环状分布、垂直延伸达38.7m),其范围随着煤层倾角的增大而增大,且此裂隙场也为瓦斯运移提供了高效通道,因此可以确定这为井下瓦斯的富集区域。 (3)基于相似实验、数值模拟和采场覆岩上三带高度计算分析结果说明:瓦斯在升浮作用下会顺着覆岩裂隙向上运移至最顶部采空区,并在左上隅角富集。结合理论计算、数值模拟和相似试验结果,确定松藻煤矿遗留煤层气钻井抽采靶区位于K₃^b煤层采空区左上端10.19~46.03m范围内。再利用COMSOL数值模拟软件对瓦斯富集区域进行数值模拟实验,实验结果表明:抽采初期,煤层钻孔周围的瓦斯压力下降速率最大,钻孔周围裂隙发育贯通,有较好的连通性,而在抽采后期煤层瓦斯压力下降速率减缓。 本论文包含图56幅,表15个,参考文献96篇。