煤自燃是煤炭开采中的主要灾害之一,煤自燃高温区域探测与圈定是提高煤自燃防治效果、实现精准防控的关键。目前煤自燃区域探测与圈定主要采用指标气体法、测氡法等,但这些方法都属于间接法,准确性低。电磁法是直接探测与圈定煤自燃的方法,能实现精准探测。与常规电磁波段相比,太赫兹具有波长短、带宽广和指纹谱性等优点,能提高探测空间和时间分辨率,实现精准探测。在煤自燃探测领域尚未有人利用太赫兹技术进行研究。论文对自燃过程煤太赫兹频段介电参数动态响应规律进行了研究,有重要的理论和实践意义。论文主要成果和结论如下:(1)采用主成分分析法确立了影响煤太赫兹频段介电常数的主控因子和非主控因子,研究了工业组分(水分、灰分、挥发分、固定碳)和元素组分(碳、氢、氧、氮、硫)对介电常数的影响规律,建立了煤的介电常数精确表征模型。研究表明:第一主成分(PC1)能表征太赫兹频段煤介电常数的平均值;水分、碳与PC1分值呈线性关系,挥发分、灰分、固定碳、氮、氧与PC1分值呈二次或三次多项式关系;PC1分值随水分增大单调增大,表明水分对煤样太赫兹介电常数影响显著,氢、硫元素与PC1分值未呈现明显的规律性,故其对煤样介电常数影响最小。(2)研究了升温氧化对煤太赫兹频段介电常数的影响,根据煤低温氧化过程分段特征和温度临界值,提出了基于介电谱和机器学习方法的煤氧化程度准确识别方法,分析了介电谱类型、频率、机器学习方法对识别准确率的影响。研究表明:氧化升温对不同含水率煤的作用效果有显著差异,当含水率小于1%时,氧化升温造成煤的介电常数实部、虚部增大,当煤含水率大于1%时,氧化升温造成煤介电常数实部、虚部减小;煤氧化前后介电常数虚部差异比实部更明显,因此采用介电常数虚部识别煤氧化程度的准确率高于实部;75~110 Ghz介电频谱的识别效果优于140~220 Ghz、250~325 GHz和325~500 GHz频段,平均准确率为75%;基于径向基核函数(RBF)的SVM方法整体识别准确率最高,准确率为87.5%;因为对氧化煤识别准确率高同时结果最稳定,所以基于线性核函数的SVM方法是最适合在生产现场进行煤氧化程度识别的方法。(3)研究了氧化升温过程煤中官能团的变化规律。研究表明:氧化后林西焦煤和单候长焰煤中的羟基(-OH)含量分别减小了20.67%和26.10%;碳氧单键(C-O)含量分别增大了13.35%和8.24%;羰基(C=O)含量分别增大了17.93%和4.72%;烃类(C_mH_n)含量分别减小了51.69%和1.18%。林西焦煤羟基减小量(20.67%)小于羰基与碳氧单键的增大量(31.28%);单候长焰煤羟基减小量大于羰基与碳氧单键的增大量(12.96%)。(4)基于固体介电质极化理论,阐释了水和主要官能团对煤介电参数影响机制。水分子是具有较大偶极矩的自由偶极子,在外电场作用下产生强烈的偶极取向极化。煤是一种交联大分子,仅含有少量运动自由度较小的偶极子,故取向极化效应很弱。因此,在升温氧化过程中,对于高含水率的煤,水对介电特性变化起主导作用。高含水率原煤介电常数较大,氧化升温失水后,介电常数减小。对于低含水率煤,官能起主导作用。氧化升温致使极性较低的烃类(C_mH_n)断裂,同时极性较高的碳氧单键(C-O)和羰基(C=O)等含氧官能团生成,煤的取向极化和诱导极化随之增强,进而增强了煤的介电响应。(5)自主设计并搭建了煤自燃高温区域探测相似模型实验平台,研究了煤火一维燃烧蔓延规律。研究表明:煤火一维燃烧发展过程主要分三个阶段,第一阶段整体变化不明显,主要表现为煤阴燃产生大量灰分,阴燃区域附近煤岩水分蒸发;第二阶段煤层顶板垮落,沿燃烧方向顶板斜上、下方分别出现楔形空气区域和灰烬区域;第三阶段上覆岩层垮落,形成塌陷区;燃烧锋面温度超370℃,且上部燃烧速度快于下部;形成了以锋面为中心,长轴约18 m,短轴约9 m的椭圆形失水区。(6)研究了自燃特征区域对电磁回波的影响,提出了基于介电特性差异的反射波分析方法。对于正在燃烧的煤火,燃烧锋面前后呈现“强—弱—强”的反射特征,锋面后为空洞产生的强反射信号,特征信号为双曲线,锋面前为煤层产生的水平的强振幅反射回波。对于燃尽区域,除了在塌陷区边缘的错断面空洞附近形成了较为明显的空洞反射回波,在大部分区域呈现复杂的反射特征。