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地面井瓦斯抽采具有地面施工与井下采掘活动互不干扰,利用采动卸压作用提高煤层透气性,连续进行采前预抽、采动抽采和采空区抽采,地面抽采周期长、施工作业安全性好等显著特点,但受煤炭开采采场上覆岩层移动所产生的剪切、挤压、离层拉伸等作用对地面瓦斯抽采钻井的稳定性和井身结构安全性产生严重影响,往往导致地面井套管的错断、破裂和变形失效。因此,研究采动影响下地面瓦斯抽采井变形破坏时空规律及其在典型矿区的试验应用,具有理论和现实意义。 本文以采场上覆岩层移动和地表沉降规律为基础,通过基础理论、数值分析、现场案例剖析与验证,分析地面井套管变形破坏形式,采用极限分析方法系统研究地面井变形破坏规律、主控因素的作用机制及时空效应,为地面井的工程布井、钻井井型结构及其安全设计、套管局部防护提供了理论依据和科学指导。论文的主要研究成果包括: (1)详细总结了采场上覆岩层的移动和地表沉降规律,分析了地面井套管的层间滑移剪切、径向挤压和离开层拉伸的三种破坏形式;引入极限分析原理,采用安全系数法建立了基于复合等效岩梁理论的拉剪综合破坏理论模型。 (2)通过对上覆岩层移动的动态和静态分析,研究了基于组合岩层划分的地面井在采场水平、垂向方向的空间分布规律,提出了覆岩移动对地面井安全性影响的时间迟滞系数C,建立了基于地面井随回采工作面推进速度和地表沉降速率的时间变化规律。 (3)分析了地面井变形破坏的影响因素,研究提出了工作面尺寸、采高、采深、工作面推进速度、采场顶板管理方法等回采工艺和表土层厚度、煤岩层倾角、断层和陷落柱等地质条件为造成地面井变形破坏的主控因素,研究得出了主控因素的作用机制及其时空效应,给出了地面井就开破坏的解析计算式和数值分析方法。 (4)深入分析了单一煤层大采高开采条件下的晋城矿区、厚表土层深埋煤层群保护层开采条件下的淮南矿区和浅埋多主采煤层重复卸压煤层群开采条件下的宁煤矿区等三个典型矿区的地面井变形破坏时空规律及主控因素,提出了三个典型矿区地面瓦斯抽采井安全防护措施。 (5)研究提出了采动影响下地面瓦斯抽采井的工程布井、安全防护和钻井结构优化设计的技术原则。