采空区漏风、有毒有害气体涌出、自然发火等是制约煤矿安全高效生产的主要危害因素。采煤工作面是一个动态系统,随工作面推进,工作面和采空区边界移动,采空区从无到有,长度不断增加,采空区几何边界及区域范围变化的同时采空区物理材料即冒落煤岩量也逐渐增多,采空区中任意区域随开采的持续进行其埋入采空区深度动态增加,从而决定着采空区及与其相关的各种问题都是动态变化的,是几何坐标系和材料坐标系共同移动的动态非稳定问题。本文在研究变形几何理论的基础上提出基于变形几何方法建立采空区相关问题研究的COMSOL Multiphysics动态数值模拟模型;以瑞安公司014N1-1综放工作面为工程背景,开展现场实测并对监测数据进行分析,以实测数据指定模型的边界条件和初值,以现场监测数据为基础分析所建动态模型的可靠性,开展采空区冒落煤岩碎胀系数、遗煤厚度、孔隙率、渗透率、风压分布、漏风流场、采空区瓦斯及CO涌出和积聚、遗煤自燃三带、采空区最佳瓦斯抽采口位置和最佳注氮口位置等动态演化规律数值模拟研究,通过与已有研究成果及常规数值方法研究结果的对比论证了所提方法的合理性,主要研究工作和成果如下:变形几何方法可以实现采空区动态演化过程中几何与材料坐标系的共同移动和变形,以瑞安公司014N1-1综放工作面为例,基于变形几何方法建立仅有工作面始采线固定,切顶线、煤壁随工作面推进动态移动,采空区上下道边界随工作面推进自由延长,采空区区域范围随工作面的推进和切顶线移动逐步增长的COMSOL Multiphysics动态数值模拟模型,通过数值计算与现场实测和监测结果的对比证明所建动态数值模型是合理可靠的。工作面动态推进、采空区边界移动和区域范围动态增长过程中,采空区中任意点或区域的碎胀系数、遗煤厚度、孔隙率、渗透率等材料参数以及漏风速度随开采时间动态衰减,工作面推进速度越大衰减越慢,残余量越大;采空区达到一定长度后在其深部区域出现沿倾向风压梯度为零区域,该区域至始采线范围采空区上下道风压梯度逆转,呈现下道风压低于上道的现象。工作面推进过程中,采空区瓦斯、CO涌出量动态变化,开采初期涌出量较低,随开采的持续涌出量增加到最大值后逐渐衰减并趋向于稳定,开采初期推进速度越大采空区瓦斯、CO涌出量越大,开采一定时间后反之;在工作面开采初期风量越大采空区涌出CO越小,短期开采后反之,整个开采期间风量越大瓦斯涌出量越大;采空区积聚的瓦斯和CO在开采初期以靠近始采线处最大,随工作面的推进最大浓度区域远离始采线,整个采空区中由切顶线至始采线出现瓦斯、CO浓度由低增加至最大再降低的现象。遗煤自燃“三带”随开采的持续动态变宽,氧化带宽度随开采时间具有近似“S”形增长变化趋势,开采前期阶段风量越大氧化带宽度越小,氧化带宽度稳定后受风量影响规律反之,推进速度对氧化带宽度影响复杂,但推进越快氧化带宽度与推进速度比值或占采空区长度比例越小;采空区最佳瓦斯抽采口位置和最佳注氮口位置随开采时间的延续逐渐远离切顶线,推进速度越大偏离切顶线越远;建立了采空区动态非间隔注氮数值模拟模型,证明本文所提方法不但可以实现采空区上述动态演化规律的仿真计算还能用于各项防治技术参数的动态优化,动态非间隔注氮可以在小流量条件下保证采空区氮气连续均匀分布,对采空区遗煤自然发火和工作面瓦斯、CO积聚等具有优越的防治效果。