煤炭地下气化不仅能解决目前常规采矿中的环境问题,真正实现绿色开采,又能为我国经济发展提供宝贵的清洁油气能源与化工原料,同时还可以用于回收井工难以开采或开采经济差的“三下”压煤和薄煤层以及深部煤层,故发展煤炭地下气化是环境保护的需要也是煤炭行业未来发展的重要技术方向之一,同时满足煤炭行业流态化发展和国家低碳发展的需求。本文通过数值模拟、理论分析、力学实验、现场实测及相似材料模拟相结合的研究方法,对无井式地下燃空区围岩的高温效应、燃空区围岩及地表移动与变形规律、气化炉和隔离煤柱宽度设计方法以及无井式煤炭地下气化地表沉陷预测方法等问题进行了系统的研究,主要取得如下成果:(1)无井式地下燃空区温度场对上覆岩层、燃空区两侧煤壁、底板等力学性质的影响范围是有限的。根据乌兰察布工业性实验现场资料分析,燃空区温度场对上覆岩层的影响高度不超过16.7m,对燃空区两侧煤壁的影响范围不超过8.7m,对燃空区底板岩层的影响深度不超过13.6m,为后续的研究提供了可靠的依据。(2)改进了无井式地下气化动静态数值模拟和相似材料模拟方法。在研究地表移动极值对不同岩体力学参数动态敏感性的基础上,提出了基于加权反演的数值模型动态岩体力学参数选取方法。为了保证模拟模型中燃空区围岩的强度变化规律与实际情况符合相似原理,研究了相似材料强度的时变特征并提出了其调控方法。(3)无井式地下气化燃空区尺寸效应、高温效应及不同气化煤种类均会影响燃空区上覆岩层变形、垂直应力分布、塑性区的分布以及地表沉陷。数值模拟结果表明:当地下气化燃空区宽度为8m、16m、24m时,且隔离煤柱宽度为8m、16m、24m及32m时,带状地下气化燃空区在上覆岩层中形成的波浪形下沉曲线发育高度介于13~43.1m。从采出率及地表沉陷控制角度出发,乌兰察布地下气化工程中隔离煤柱宽度宜为16m,此时带状燃空区宽度应控制在16m~24m。(4)“条采-面采”气化炉后退式控制注气地下气化工艺的燃空区形态与常规条带开采采空区形态有显著差异,导致其形成的“双曲线”型隔离煤柱与条带开采的矩型煤柱形态有显著差异。煤柱两侧双曲线拱高、煤柱宽度、煤柱高度以及高温效应均会影响“双曲线”型煤柱的稳定性。同时基于弹性地基梁理论和统一强度理论,结合燃空区围岩的高温效应,推导了在高温及煤柱支撑共同作用下燃空区顶板的极限垮距以及无井式地下气化隔离煤柱塑性区和弹性区宽度的计算公式,在此基础上提出了高温-地应力耦合作用下无井式地下气化炉和隔离煤柱宽度设计方法,为无井式地下气化设计及安全运行提供理论及科学依据。通过理论分析方法建立了“双曲线”型煤柱稳定性评价方法,并采用无井式地下气化工业性实验验证了该方法的可行性。(5)相似材料的抗拉强度和抗压强度随着含水率减小呈指数增加,且不同岩性的相似材料试块强度与其含水率的关系不同,即相似材料强度存在时变特征。且相似材料强度的时变特征对采空区覆岩裂缝带发育高度及下沉值均有显著影响。采用相似材料模拟方法研究无井式地下气化过程中燃空区覆岩及地表移动规律时,需考虑及调控相似材料的强度时变特征,使得模型中燃空区围岩的强度变化规律尽可能与实际情况符合相似比。可通过定期采样这一传统的方法监测相似材料的含水率,进而监测相似材料模型的强度,从而实现对相似材料模型强度的调控。模拟结果表明,乌兰察布矿无井式煤炭地下气化工业性实验区覆岩顶板未垮落、隔离煤柱未失稳、覆岩整体变形且连续,未出现明显的垮落带和裂隙带;其岩层移动形态与井工开采岩层移动形态相似。(6)建立了无井式带状地下气化地表沉陷预测方法。采用连续介质理论计算了顶板-煤柱-底板支撑体系上界面的沉陷盆地,同时将这个沉陷盆地虚拟为开采空间,基于三角形剖分方法,采用随机介质理论计算上方的地表沉陷,建立了基于连续-随机介质理论的带状地下气化地表沉陷预计方法。将该方法应用于乌兰察布矿无井式地下气化工业性实验场,预测结果与实测结果接近,随着气化范围增大,该方法的地表沉陷预计结果将更为准确。为了更加方便、准确、快捷的预测带状地下气化地表沉陷,根据无井式地下气化的特点,建立了基于“真实采厚”的带状地下气化地表沉陷预计方法。“真实采厚”为煤层厚度减去灰分厚度。数值模拟结果表明:当留设隔离煤柱稳定且采出率介于35%和70%之间时,带状地下气化的地表沉陷预计参数可参考相应常规条带开采的预计参数取定;不同煤种类地下气化对地表下沉系数和水平移动系数影响不显著,对地表主要影响角正切有显著影响,随着气化的煤由无粘结性煤转变为强粘结性煤时,主要影响角正切增加0.1~0.6。