突出矿井开采进入深部后,矿井的瓦斯动力灾害越来越严重,在深部煤层群开采中,保护层开采是突出矿井瓦斯防治首选区域措施。受高地应力、高瓦斯压力及煤层低透气性影响,深部煤层群保护层开采保护范围的变化规律比浅埋煤层情况更加复杂。为了研究深部煤层群保护层开采保护范围的变化规律及其划定方法,本文以煤岩体弹粘塑性损伤断裂本构理论为切入点,以煤层瓦斯多场耦合及层间瓦斯越流理论为基础,采用理论分析、实验室实验、物理相似模拟试验、现场考察试验相结合的研究方法,研究了在高地应力、高瓦斯压力和煤岩蠕变破坏断裂条件下深部煤层群上保护层开采保护范围的变化规律;并结合南桐矿区砚石台煤矿的现场工程试验,开展了深部煤层群上保护层开采保护范围划定方法的对比分析研究。本文的主要研究成果和结论有:(1)为了精确描述深部煤层低渗透性、煤体瓦斯解吸过程中温度变化对煤层瓦斯流动的影响,建立了考虑启动瓦斯压力梯度的热流固(THM)多场耦合模型;为了减少模型方程的未知量个数,基于热力学的两能态理论推导了瓦斯排放过程中温度场控制方程的解吸微分热能项的理论表达式,并对模型进行实验验证分析,为上保护层开采被保护层瓦斯越流奠定了理论基础;研究结果表明,启动瓦斯压力梯度对上保护层开采煤层瓦斯流动具有重要影响。(2)考虑到深部保护层开采煤岩层损伤断裂、垮落和煤岩蠕变特性,建立了考虑广义Kelvin流变特性和基于Hoek-Brown屈服准则的煤岩体弹粘塑性损伤特性的本构模型,并推导了本构模型的三维应力更新形式,同时,对本构模型进行了二次开发;利用巴西劈裂、单轴压缩实验及物理相似模拟实验对弹粘塑性损伤本构模型进行了实验验证;通过数值模拟分析求解单个单元的结果与一维模型的理论求解结果进行对比,从实验和理论上验证了本构模型及二次开发代码编写的正确性;在验证模型正确的基础上,将本构模型应用于保护层工作面开采后煤岩体损伤、流变、断裂、垮落的数值计算分析研究,研究结果表明,在煤岩体流变特性的影响下,倾向卸压角所确定的保护范围有增加的趋势。(3)利用弹粘塑性损伤本构模型和煤层瓦斯流动多场耦合模型研究了深部不同倾角煤层群上保护层开采保护范围的变化规律;将弹粘塑性损伤本构模型和煤层瓦斯流动多场渗流与越流理论相结合,采用数值模拟分析方法,得出了考虑煤岩体流变、断裂、垮落以及煤层瓦斯多场耦合运移情况下被保护层内的瓦斯参数分布规律;研究结果表明,上保护层开采煤岩体裂隙分布在工作面顶板倾向上下边界处及采空区中部和底板倾向下部机巷处裂隙较为发育,从倾向底部到采空区中部裂隙分布逐渐减小;这些裂隙为保护层开采的瓦斯运移提供了通道,有利于瓦斯从层间裂隙排放到保护层采空区,使得被保护层保护范围向倾向下山方向偏移。(4)利用物理相似模拟方法研究了不同倾角煤层群上保护层开采煤岩变形破坏规律和保护范围变化的影响,得到了煤层群上保护层开采保护范围随煤层倾角变化的规律;研究结果表明,随煤层倾角的增加,上保护层工作面上边界卸压角呈减小趋势,下边界卸压角先增大再降低,且卸压角的变化幅度较大;保护层开采保护范围的位置均有向下山方向偏移的趋势,偏移的大小随煤层倾角的增大呈先增大后降低的趋势。(5)以砚石台煤矿保护层开采为工程背景,现场试验测定了矿井保护层开采的保护范围,将现场保护层开采保护范围考察结果与数值模拟和物理相似模拟研究结果进行对比分析,验证了多场耦合数值模拟和物理相似模拟的相对正确性;由于影响深部保护层开采保护效果的因素众多,两种方法划定保护范围的结果有一定误差,但仍能相互补充。