随着煤炭安全、高效、绿色开采技术的发展,低渗透不饱和煤层因高强度开采而导致的瓦斯超限问题日益被重视。同时,我国普遍存在的近距离煤层群条件,使得上邻近层随顶板垮落直接进入采空区垮落带,卸压瓦斯大量解吸,加剧了采空区瓦斯涌出,引起工作面上隅角及回风流瓦斯频频超限。断裂带瓦斯抽采是工作面上隅角及回风流瓦斯治理的主要方法之一,其中抽采位置的选择是抽采效果好坏的重要保证。抽采位置的确定受到覆岩裂隙发育形态、覆岩渗透率、层间距及卸压瓦斯运储规律等多种因素的综合影响。为了实现抽采位置的精确定位,实现煤与瓦斯的高效共采,以申南凹煤矿为例,开展了深入的研究。本文综合运用理论分析、数值模拟、实验室实验、现场实测等多种方法,充分运用煤矿开采学、矿山压力与岩层控制、矿山岩体力学、弹塑性力学、损伤力学、断裂力学、流体力学、计算流体力学、渗流力学、空间立体几何、地下水动力学、图像分析技术等理论知识,从实验室细观尺度和工程宏观尺度两个层面系统阐述了采动覆岩裂隙的形成与扩展机理;基于申南凹煤矿实际工程背景,研究了采动覆岩裂隙场的三维形态特征及其随工作面推进的演化规律,初步构建了采动裂隙环形体三维空间模型,并提出其表征参量和判别方法;针对采动覆岩不同区域物性特征的差异,提出了采动裂隙环形体渗透率计算模型,并对其分布特征进行了实验室研究和现场测试;基于构建的采动裂隙环形体三维模型和渗透率计算模型,分析了采空区瓦斯在抽采前后的运储规律,提出了钻孔优化方案,并指导了申南凹煤矿20104工作面初采期和正常回采期的瓦斯治理工作。通过本文研究主要得到以下结论:（1）采场围岩垂直应力的变化可分为两个大过程（增压过程和卸荷过程）,四个小阶段（轴压增加阶段、轴压卸荷到围压阶段、轴压从围压卸荷到零阶段,轴压变为拉应力阶段）。实验室尺度上,在轴压增加阶段,随着轴向应力的逐渐变大,微裂隙将先后发生滑动摩擦、自相似扩展、弯折扩展、失稳扩展;轴压卸荷到围压阶段,微裂隙将会发生反向滑移变形;轴压从围压卸荷到零阶段,当σ1≤σ1f时,微裂隙发生起裂扩展;在轴压变为拉应力时,一部分微裂隙要张开,一部分微裂隙要发生闭合。工程尺度上,离层裂隙的形成与否可通过上下相邻两岩层弯曲下沉时的最大曲率和最大挠度进行判断;竖向破断裂隙的形成需要满足破断变形强度条件和变形协调条件;采动覆岩在采空区外侧,存在侧向裂隙发育区,侧向裂隙在近采场区域发育不明显,在远离采场区域发育明显,侧向裂隙的形成与扩展可以认为是主弯矩、岩体卸荷拉裂、岩体蠕变等共同作用的结果。（2）初步构建了采动裂隙环形体三维空间模型、表征参量及其判别标准（表征参量有内延角、外延角、环宽、环高）。水平方向上,根据采动裂隙环形体四边所处位置的不同,将其划分为采场环体、回风环体、切眼环体、进风环体;垂直方向上,服从采空区覆岩“三带”的划分,将其分为采动裂隙环形体-垮落带（环体-垮落带）、采动裂隙环形体-断裂带（环体-断裂带）。（3）从顶板初次来压到采空区一次见方再到采空区二次见方,采动裂隙环形体的空间形态将先后经历帽状、方环体、长环体的过程。在平行采场的垂直切面上,覆岩采动裂隙的边界形态并非传统认识中的呈正梯形分布,而是在近采场区域呈现正梯形分布、在远离采场区域呈现倒梯形分布,呈倒梯形分布的距离约在采场后方150～200m以外;切眼环体的外延角经历了从90°,到95°再到99°的过程,说明随着工作面的不断推进,切眼侧的覆岩破断角在不断的变大;采空区一次见方时采场环体的宽度为64.5m,二次见方后为37m,经历一个先增大后减小再到稳定的过程;采场环体内延角与采场环体外延角近似一致,稳定在57°左右;近采场60m范围内,顶板覆岩的垂直应力大多处于拉应力区,采场环体拉应力区的长度约为切眼环体拉应力区长度的2.5倍;远离采场区域,采空区覆岩的应力恢复过程从上往下传递,随着远离采场距离的增大,平行工作面方向采空区应力恢复的宽度逐渐变大,应力恢复区的宽度与距工作面的距离呈对数关系增长。（4）在采动覆岩裂隙演化及分布特征的研究中,相似材料模拟实验表明:沿工作面推进方向,覆岩破裂范围以“（?）”字型向外扩展,覆岩破断线与水平面之间的夹角基本保持不变,采场侧覆岩破断角约为50°;平行工作面方向工作面两侧存在宽度为25～26m的裂隙发育区,环形体的内延角为63°;使用非接触式应变位移视频测量仪,对开挖过程中覆岩的采动区进行监测发现,沿工作面推进方向,回采过程中采动区的影响边界先后呈现拱状—类双曲线状—倒梯形状。现场实测表明:回风环体-断裂带采动裂隙以高角度裂隙为主,a>75°的垂直裂隙占比27.5%,倾角45°≤a<75°的高角度裂隙占比61.1%,倾角15°≤a<45°的低角度裂隙占比10.2%,a<15°的水平裂隙仅占比1.2%。（5）提出了采动裂隙环形体渗透率求解模型,指出环体-垮落带的渗透率使用Blake-Kozeny公式进行求解,环体-断裂带的渗透率使用裂隙岩体渗透张量理论进行求解;引进了水力学中使用钻孔全景成像技术求解裂隙岩体渗透率的方法,现场实测回风环体-垮落带上部的渗透率为4.43 × 10-5m2,回风环体-断裂带的渗透率为3.81 × 10-8～3.01 × 10-5m2,覆岩渗透率随距离采空区底板高度的增加呈减小趋势;覆岩渗透率实验表明,采动影响下采空区覆岩的水平渗透率较原始水平渗透率增加了 400～2050倍,覆岩上部的水平渗透率低于下部的水平渗透率;竖直渗透率受竖向破断裂隙影响明显,当因亚关键层破断导致上覆软岩成组破断时,此区域竖直渗透率较低。采空区两边的竖直渗透率明显大于采空区中部的竖直渗透率,采动影响下采空区覆岩的竖直渗透率较原始竖直渗透率增加了 125～1900倍;Fluent模拟中,环体-垮落带的渗透率可近似按k1=-7e-6z+0.0001进行计算;环体-断裂带的渗透率可近似按k2=-1e-6z+6e-5进行计算。（6）通过对不同抽采层位和水平错距的抽采方案进行对比分析,发现钻孔布孔位置在高度为35m,内错距离为30m时,抽采效果最优。20104工作面初采期前150m范围内设置5组钻场,各钻场的平均终孔高度依次增高,分别为15m、18m、24m、34m、38m;距离回风巷的平均内错距离依次为21m、22m、25m、28m、30m。正常回采期,每组钻场设计6个φ153mm的钻孔,钻场间距为30m,为保证高位钻孔的有效抽采长度,钻孔终孔平均高度为40m,内错距离以30m为中心扇形布置。