本发明提供一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法，包括高压空气泵、制冷管道、制冷装置、制热管道、制热装置、进气套筒和出气套筒。高压空气泵安装于煤矿巷道内，通过三通管分别连接制冷管道和制热管道，用于向进气套筒泵送经降温或加热后的空气；进气套筒和出气套筒分布在目标层的两侧，高压空气经由制冷管道和/或制热管道，自进气套筒穿过目标层后由出气套筒处排出。该治理系统及方法能够使目标层的岩层在循环冷热冲击以及风化作用下发生碎裂，由大块破碎为小颗粒。破碎后的颗粒状岩层间隙缩小并在重力作用下堆积，形成新的防水层，增加了煤矿上覆岩层中的隔水层厚度，达到有效降低岩层透水性的目的。