煤炭地下气化作为一种深部煤炭资源的原位清洁转化技术已成为煤炭无害化开采技术创新战略方向。深部煤层地下气化技术的稳定性尚需进一步研究,其中深部煤层气化工艺、顶板冒落就对深部煤层地下气化的稳定性及安全性有着重要影响。本文以大城勘查区地质条件为背景,采用岩石热物理性质实验、相似模型试验、数值模拟相结合的方法。通过热物理性质实验得到了典型岩石关键参数随温度变化规律,使用控制注气点后退工艺实验台得到气化工艺参数,借助相似模拟实验获得了覆岩层温度场、压力场、冒落行为的发展规律,在此基础上构建温度-应力耦合方程和高温下的岩石损伤方程,使用COMSOL Multiphysic软件对深部地下气化过程覆岩温度、主应力、损伤情况进行模拟研究,最终取得以下成果:(1)大城勘查区10煤顶底板五种典型岩石(砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、泥岩、中砂岩)的比热容随温度的升高整体呈上升趋势,导热系数随温度升高整体呈下降趋势,抗压强度和弹性模量随温度变化规律差别较大,但各自的抗压强度和弹性模量随温度变化规律相似。(2)通过控制注气点后退模型试验,最佳气化剂组分为富氧60%。富氧60%气化试验时,煤气中有效组分平均含量为64.7%,煤气热值可达到8.5 MJ/Nm~3左右,冷煤气效率为65.20%。(3)通过冷态开采和气化过程相似模型实验,掌握了大城勘查区地层条件下煤层覆岩变形、移动和破坏的规律;获得了老顶关键层初次垮落步距和周期来压步距;获得了冒落带、导水裂隙带、弯曲下沉带的发育高度。气化过程顶板垮落特征优于冷态开采过程,气化过程“三带”高度均小于冷态开采过程。(4)通过冷态开采相似模型实验,掌握燃空区形成后进出气管的受力规律。在出气管(采空区初始侧)两侧应力值随采空区扩展先轻微下降,然后明显增大,且左右两侧应力差距较大,容易造成套管弯曲折断。因此在进、出气孔设计时应避开应力集中区。(5)根据相似比,可以预测大城勘查区现场进行煤炭地下气化时,直接顶初次垮落步距为170 m;老顶关键层初次来压步距为20 m、周期来压步距平均为48 m;冒落带高度为24.2 m,导水裂隙带高度为39.8 m,弯曲下沉带高度为71.4 m;整体垮落高度136 m;顶板最大沉降量约为6.44 m。(6)基于COMSOL Multiphysics软件,模拟得到大城勘查区地层条件下冷态开采过程中覆岩压力场分布规律。数值模拟结果与相似模型实验结果吻合度较高,证明了数值模拟结果的基本准确性。在采空区两端会出现压力集中,且随采空区长度增加,压力集中愈加明显;采空区上方会出现大面积零压力区。(7)在冷态开采数值模拟中得到覆岩主应力场、损伤区分布规律。主应力最大值和滞后支承压力区主应力最大值均随采空区长度呈指数型增长。采空区上方及两端均出现损伤区,且相互连接形成呈“凹”字型的大面积损伤区。(8)利用损伤变量作为“桥梁”得到岩石属性、埋深等因素对顶板冒落的影响规律。结果表明煤层深度降低、覆岩抗折强度增加、泊松比增加可以减轻覆岩的冒落行为。(9)对气化过程进行数值模拟,与冷态开采数值模拟结果进行对比,得出热应力对应力分布的影响。在深部煤层地下气化过程中,相对于高地层应力,气化过程高温造成的热应力几乎可以忽略不计,只在气化初期对覆岩有一定影响。温度对覆岩的损伤变量有一定影响,尤其在气化初期温度升高会明显降低岩石的损伤程度,使其更加难以发生垮落。(10)对气化过程温度场进行数值模拟,得到温度影响范围与气化时间呈指数关系。根据温度场模拟结果,结合实际深部煤层气化技术工艺,温度对覆岩的影响范围约为4.7 m,会对直接顶的垮落造成显著影响,进而影响顶板冒落规律。