大采高一次采全厚开采技术作为厚煤层开采工艺的重要发展方向之一,在我国晋城、神府及东胜煤田等煤层赋存厚度6.0m左右的矿区得到广泛应用。但由于开采高度及开采强度的增加,造成工作面瓦斯涌出强度增大且涌出规律呈不均衡性,作为煤炭伴生清洁能源的瓦斯在采场和回风流中浓度却极易超限,严重制约了煤炭安全高效开采。当前,大采高采场由于多采取“两进一回”、“三进两回”等多巷通风系统风排瓦斯,一定程度上降低了采场及采空区瓦斯浓度,但存在采空区通风的安全隐患,并与《煤矿安全规程》规定的“采掘工作面的进风和回风不得经过采空区或冒顶区”严重不符,且矿井瓦斯随乏风排到大气中,污染了空气,浪费了煤层气资源。因此,研究解决大采高采场的瓦斯超限问题,改变现有多巷通风系统格局,实现矿井瓦斯抽采利用,不但可消除安全隐患,提高矿井安全条件和经济效益,也可减少煤柱损失,对减少温室气体排放,保护环境等具有重要意义。本文运用理论分析、实验室试验、数值计算、现场实测及工程应用等综合研究方法,结合瓦斯抽采-渗流模型研究了大采高采场卸压瓦斯运移特征,借助卸荷岩体力学等理论对大采高采场顶板瓦斯通道与采高的关系及其卸荷损伤演化进行了详细的探究,取得的主要结论和创新性成果如下:(1)现场地应力测定表明长平矿σH最大为7.85MPa,侧压系数小于1,以垂直应力为主,3#煤层顶板中粒砂岩单轴抗压平均75.7MP;钻孔窥视发现,超前工作面5.4m、距煤层顶面5.1m时岩体间存在断裂距离约10mm的断裂裂隙,直接顶在采场前方5.4m处出现断裂;距煤层顶面18m、工作面后方11m的采空区处存在错断裂隙,错距大于25mm,垮落带至少18m,裂隙带高度在30～55m之间。(2)基于采动力学试验分析了采空区顶板裂隙的演化发育,结果表明:采高越大,采空区顶板煤岩体支承压力越大,裂隙越贯通发育;结合关键层理论及裂隙带计算的经验公式,得出裂隙带理论上限高度为39～51m,可结合“砌体梁”结构及关键层位置在裂隙带贯通发育的瓦斯过渡流通道区内精准布置高效抽采钻孔。(3)根据顶板岩体的采动力学过程,应用卸荷岩体力学理论分析了采高对采空区顶板裂隙岩体应力卸荷及瓦斯通道损伤演化的影响,推导了损伤因子与卸荷量的关系,应用离散元软件3DEC模拟计算了不同采高下采空区顶板卸荷及瓦斯通道演化规律,基于煤岩渗透-力学实验及有效应力概念,建立了损伤因子与渗透率的关系,得到了不同采高下瓦斯通道的卸荷损伤范围,并指出:①采高增加,采空区顶板卸荷量增加,损伤因子增大,卸荷对顶板裂隙岩体及瓦斯通道的损伤破坏加剧,裂隙发育数量增多;当卸荷应力或卸荷量达到一定值时,瓦斯通道的损伤扩展及渗透性将失稳突变;较普通采高,大采高采场的卸荷应力及卸荷量增速变缓,采空区顶板裂隙岩体的卸荷应力及卸荷量随采高增大呈非线性增长;采高增加,采空区顶板卸荷应力及卸荷量增大导致深部水平位移增加,大采高开采更利于顶板裂隙及瓦斯通道的横向贯通发育。②随采高增加,采空区顶板裂隙岩体卸荷损伤后渗透率增加;随距煤层顶面距离减小,岩体渗透率逐渐增大,当裂隙岩体距煤层顶面降低至一定值时,渗透率突变骤增,且采高越大,采空区顶板裂隙扩展发育及渗透率突变点的高度越大,瓦斯通道发育高度的上限越高;采空区顶板卸荷损伤的渗透率突变点可作为确定大采高采场裂隙带发育及瓦斯通道高度的依据。(4)基于大采高采场通风系统及瓦斯抽采现状,建立了大采高采场采空区瓦斯治理模型,应用采空区瓦斯扩散和运移的抽采-渗流定解模型分析了不同通风系统下大采高采场的瓦斯分布特点,应用Fluent数值软件计算研究了不同通风系统下大采高采场的瓦斯运移特征及治理效果,并得出:①采高增大后,采空区流场高度增加,岩石碎胀系数变化,不同通风系统和抽采方式下采场涌出瓦斯将产生不同程度的扩散和运移;通过风排瓦斯、定向钻孔抽采或穿透钻孔抽采改变通风系统的边界条件可系统改变大采高采场的瓦斯扩散和运移,并影响采场上隅角及采空区瓦斯分布。②抽采钻孔的导向作用系统改变了采场及采空区流场,高浓度瓦斯随抽采作用运移至抽采钻孔入口处并使采场附近的采空区下部形成低瓦斯区域;而穿透钻孔抽采对上隅角风流的强导向作用使流经上隅角和瓦斯排放巷内的风流强度大幅减弱,瓦斯浓度大幅降低;采用中高位定向钻孔及穿透钻孔配合U型通风系统抽采时沿煤层垂向采空区下部形成了较大范围的低浓度瓦斯区域,治理效果最好。(5)根据大采高采场多巷通风系统特点,分析了多巷通风的弊端,提出了应用中高位定向钻孔及穿透钻孔相结合的采空区大流量抽采技术,运用多巷布置思路解决U型通风系统的关键技术难题,现场工程应用优化确定了中高位定向钻孔及煤柱内穿透钻孔的布置参数,结果表明:①在中高位裂隙带内采用Φ 153mm大直径钻孔抽采流量为Φ96mm的2-3倍,中高位瓦斯通道发育区内钻孔瓦斯抽采浓度约为中低位钻孔的2.4倍,大采高开采利于采空区顶板瓦斯通道的卸荷损伤演化及优势瓦斯通道的形成;②间距5m的Φ250mm大流量穿透钻孔瓦斯抽采效果最好,其配合中高位裂隙带定向钻孔抽采后,上隅角瓦斯浓度维持在0.55%～0.6%,避免了瓦斯超限,并成功实现了长平矿U型通风系统下大采高采场的安全高效开采。