我国煤层赋存地质条件多变、易自燃煤层数量较多,加之高产高效集约化综放开采不断推广以及煤炭自身氧化特性等原因,导致在煤炭的储藏、开采、运输和堆放过程中自燃火灾事故时有发生,已严重地影响了我国煤炭产业的持续健康发展,同时给国家和人民的财产带来严重损害。此外,我国90%以上的煤矿使用井工开采,若井下一旦发生煤炭自燃,大量的有毒有害气体及高温烟流极有可能窜入井下正常的通风系统并蔓延至各作业场所,导致相关作业人员发生中毒、甚至窒息死亡的群体性事故。而且随着我国矿井开采深度不断的下延,我国东部和东北部矿区的某些矿井已进入了千米矿井的开采水平,呈现出“低瓦斯矿井向高瓦斯矿井、高瓦斯矿井向突出矿井”转变的特征,使得由煤自燃引发煤矿瓦斯燃烧或爆炸等次生灾害的危险程度逐年升高。但是,无论是煤田露头自燃、地面储煤堆自燃还是采空区自燃或煤柱自燃,其高温火源都具有隐蔽性。因此,如果能够快速、有效、准确地对煤自燃高温火源区域进行精确定位,将会为我国的煤矿安全生产、资源环境保护带来重要的社会和经济意义。我国现有的煤自燃高温火区探测技术主要包括测温法、物探法、气体探测法和遥感法。测温法是一种传统方法,是基于煤体温度与煤自燃发生发展程度、煤自燃位置及范围的相互关系、利用接触式和非接触式探测仪器进行隐蔽高温火源定位的一种方法。此方法的不足之处在于:煤自燃高温火源点位置往往出现在距离煤体表面一定距离的深部,但其具体位置很容易受周围的空气流动、热弥散和气固之间的对流换热作用而随时间发生变化,定位高温火源点的位置一般不太容易;加之煤体的导热性能较差,当热量以热传导的方式由内向外传导到测温仪器的探测区域时,其内部火势实际已大规模形成,这种时间上的滞后性给隐蔽高温火源点的探测及其识别带来了极大的困难。气体探测法简单易行、探测范围广,但受漏风的影响较为严重。遥感法主要适用于煤田大面积的火灾探测,而且存在成本高、操作复杂等缺点。与上述方法相比,物探法在煤自燃高温火区的探测方面尚属于探索性研究阶段,但物探法固有的效率高、成本低、探测面积大、分辨率高、探采对比实证性强等优点,不仅引起国内外众多学者的广泛关注及研究,而且在国家安全生产监督管理总局最新提出的《煤矿火灾防治科技发展对策(2015)征求意见稿》中,也明确指出下一步将进行“基于磁法、电磁法的煤自燃隐蔽火区多元信息探测技术”方面的安全科技工作。目前,在煤自燃高温火区探测方面有一定应用案例的物探技术主要有:高密度电法探测技术、高精度磁法勘探技术、瞬变电磁法探测技术、微震法探测技术。上述物探方法大多应用于煤田火区的探测,而煤矿井下环境由于干扰因素多、人员工作空间有限和法律法规对矿用仪器的本质安全型要求,给煤矿井下自燃高温火区的物探技术及探测方法提出了新的要求。此外,煤岩的电磁特性参数研究主要集中于上世纪90年代以前,而且对于不同自燃倾向性煤样在自燃氧化与高温热解各阶段过程中的电磁参数测定技术鲜有研究,经高温氧化与干馏后煤体的电磁变化特征也了解不深,这些无疑增大了物探资料后期处理与解释难度。在分析了现有火源定位技术与众多的物探方法比较后,本文作者所在的科研团队提出将瞬变电磁探测技术应用于矿井火灾高温火源点的探测,并对自燃氧化与高温热解后的煤样开展了包含瞬变电磁探测频率在内的中低频电磁参数实验研究。研究内容涉及数字与信号理论、电磁场与电磁波理论、电介质物理学理论、煤自燃理论以及与之相关的实验方案和现场探测方法,并从理论和实践两个方面研究了这一探测方法所涉及的关键问题与关键技术。论文包括以下诸方面的内容:(1)全空间效应下的瞬变电磁法理论分析。在阅读国内外大量文献的基础上,研究了瞬变电磁法(人工可控源)的探测原理;针对矿井瞬变电磁法这种新兴的电磁勘探方法,研究了瞬变电磁法收发线圈装置的多种布置方式、多匝小回线装置对观测信号的影响和“全空间响应”下的瞬变电磁探测理论;研究了瞬变电磁激发场源的矩形电流波、梯形电流波、半正弦形电流波和三角形电流波的波形特点;研究了双极性波的噪声抑制原理,从数字与信号理论理论角度分析了瞬变电磁探测系统采用双极性波信号电路的必要性,并分析了开展瞬变电磁探测时所选择的频率值范围;利用傅里叶频谱分析理论分析了各电流波形在频率域的频谱特征;根据毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律(Biot-Savart-Laplace Law)推导了单匝矩形线圈的磁场分布公式,通过电磁学中的互易定理变换亦可计算圆形线圈的磁场分布;数值分析了瞬变电磁场的一次场传播和衰减特性,并对多匝小矩形回线的一次场特性进行了计算分析,得出通过增加线圈的匝数可以有效提高小尺寸线圈的电磁响应范围。(2)煤自燃低温条件下的临界温度实验研究。通过自建的煤自燃低温程序升温系统,对3类不同自燃倾向性、5种不同变质程度煤样进行了30~250℃温度范围内的氧化实验,借助气相色谱仪研究了各煤样在氧化升温过程中的气体产物的释放速率与受热温度间的关系,并以此作为煤低温氧化阶段特征温度划分依据之一,之后根据燃烧动力学分析理论得到了氧化反应速率与煤体温度之间的动力学关系式,并用线性拟合手段对不同温度段下的耗氧速率进行分段拟合,获得了不同温度段表观活化能突变点,确定了各煤样在自燃低温条件下的临界温度。(3)煤高温阶段特征温度实验分析。利用热重法分析了高温自燃阶段内的燃烧特性和变化规律,确定了各煤样失水温度TO1、吸氧增速温度TO2、着火点温度之前的质量极大值温度TO3、着火点温度TO4、煤样的最大失重温度TO5、燃尽温度TO6;利用热重法分析了高温热解阶段内的热解特性以及温度阶段特征,得到了脱水脱气最大失重速率点温度TP0、热解初始温度TP1、热解开始温度TP2、热解失重最大速率点温度TP3和半焦完成温度TP4;利用均匀差值法对上述特征温度进行插值,得到了9组通氧和10组通氮条件下的煤样加工温度点。(4)特征温度下的直流电性实验研究。在分析现有国内外缺乏针对煤岩电磁学参数(电阻率、介电常数)测量标准、现有测量仪器无法在高温条件下进行测量以及样品在高温氧化及热解状态下易发生变形等诸多不利于实验开展的现状下,通过对相关文献查阅及测试技术比较,确定了分别在氧化与热解条件下制得相关特征点温度煤样、并在室温条件下对各样品的电磁学参数进行直流电与交流电测量的实验方案。通过对加工得到的共计95组样品进行相关电学特性实验及分析,得到了各特征温度点下的高压直流电阻率的变化规律;根据目前工程中常见的交流电法工作频率范围,实验得到了煤氧化升温过程中的电阻率-温度模型、热解升温过程的电阻率-温度模型,之后通过引入阿伦尼乌斯公式,对上述两个拟合公式增加了物理环境温度修正因子,可半经验地表示实际升温过程中的电阻率变化情况;对实验得到的复相对介电常数随变化变化规律进行了拟合,得到了相关数学模型;通过上述的电性变化特征规律,为使用交流电法(如瞬变电磁法)在探测煤自燃高温火区的有效性上提供了物性条件。(5)相似物理模拟实验。推导了瞬变电磁法探测条件下的相似模拟准则,设计了相似模拟实验用的模型支架、制备了相似材料以及制作了瞬变电磁信号采集发射的小型天线。根据高温火区异常体的不同设置参数进行了瞬变电磁响应特征模拟。实验得出高温火区异常体的埋深、范围以及异常体电阻率的差异均会产生不同的电磁响应效果。(6)现场试验。通过对北祖煤矿4+9#煤层现场瞬变电磁法实际探测,提出了使用超前探测和剖面探测相结合的探测方式,以消除探测结果的不唯一性。通过地质资料和红外探测结果,验证了使用瞬变电磁法探测煤自燃高温火源方法的有效性,为今后使用瞬变电磁法探测煤自燃高温火区时提供了技术参考及理论依据。