我国的煤层常以煤层群的形式出现,煤炭开采常常伴随着瓦斯突出的危险,保护层开采作为目前一种有效的安全开采技术,是目前最为有效的区域防突措施。依据保护层开采作用机理,保护层开采研究工作的关键在于保护范围的划定。本论文依托鱼田堡煤矿工程实际背景,首先进行相似材料三因素四水平对相关物理力学性质影响的正交试验,再利用试验结论对鱼田堡煤矿下保护层开采保护范围划定进行了物理相似模拟试验研究,通过测点的膨胀变形量来进行下保护层开采保护范围划定。然后通过现场考察试验得到矿井实际下保护层保护范围,再将实验数据与现场数据加以比较分析。本论文取得的主要研究结果和结论如下:(1)采用三因素四水平正交试验对相似材料的物理力学性质进行研究,确定了沙胶比、密度和残余含水量对相似材料的物理力学性质影响的程度;研究结果表明:沙胶比对单轴抗压强度和弹性模量的影响效果最显著,残余含水量对泊松比的影响最大;根据研究结果和工程实际的地层条件,通过调整三因素参数得到了满足物理相似条件的相似材料,为下保护层开采物理相似模拟试验奠定了基础。(2)利用了相似材料配比试验的结果,得到鱼田堡煤矿模拟地层相似材料,并进行了倾向开挖相似模拟试验,得到了开挖后下保护层采空区上覆岩层膨胀变形的状态和模型垮落稳定后出现的“三带”特征。(3)通过相似模拟试验测得的测点应力和应变值,得到下保护层开采应变曲线图和保护范围划定的卸压角,即上山方向卸压角为92°,下山方向卸压角为74°。(4)在鱼田堡煤矿现场进行了考察,确定了5#煤层下保护层的上山方向卸压角为88°,下山方向卸压角为73.4°;将相似模拟实验划定结果与现场考察划定结果进行对比,得到的保护范围基本一致,说明了通过室内物理相似模拟试验来划定保护范围是可靠的。通过对相似材料不同因素不同水平的正交试验得出的对相似材料相关物理力学性质的影响规律较准确,并且利用这个规律来进行了配比大型相似模拟实验材料,能提高大型相似模拟试验的准确性。