采空区自燃火灾是井下重大灾害之一，也是矿山安全领域重点研究的问题。由于现场监测及相似模拟实验都存在难题，因而数值模拟成为研究采空区自然发火的主要手段。本文通过实验研究了氧浓度、粒度以及挥发份等对煤自燃的影响；分析了采空区内的产热与散热规律，提出了采空区自然发火的能量迁移理论，实现了采空区最高温度的理论预测；揭示了采空区自然发火的多场耦合机理与过程，建立了三维多场耦合数学模型；确定了四面体单元控制体的合理圈划方案，提出了精度很高的有限体积法新算法；利用新算法离散自然发火模型，编制了“采空区自然发火的三维仿真系统”，结合河东矿31005工作面的现场参数，模拟得到了注氮前后的采空区自然发火情况，并分析了推进速度、遗煤厚度对自然发火的影响；现场布线观测了该采空区的温度变化，结果表明注氮参数选择合理，达到了防火目的；实测温度与模拟温度吻合较好，也说明数值模拟结果较为可靠。该成果将能在采空区自然发火的预测预报以及防火技术参数确定等方面得到应用。