本发明公开了一种煤矿采空区涌水井下深度处理方法，包括以下步骤：步骤一，矿区水质检测；步骤二，膜系统设计；步骤三，污水处理设计；步骤四，地下空间支护；步骤五，围岩矿压观测；步骤六，沉淀及初步处理；步骤七，浓水后续处理；本发明，根据进水水质设计膜系统并对应增加预处理工艺，通过膜分离实现煤矿采空区涌水的高品质出水，形成了矿区水资源的循环利用过程；通过构建煤矿采空涌水井下复用水仓围岩结构，为矿井水地下处理提供了安全可靠的场所，节约煤矿采空涌水运送至地面的费用；复用水仓施工后进行围岩收敛变形观测、顶板数字离层观测和围岩深部位移监测验证结构的稳定性，保障了煤矿采空涌水地下处理场地的防渗漏特性。