煤田火灾是一种全球性的灾难,在各主要采煤国家均有发生。我国是世界上最大的产煤国和煤炭消费国,也是世界上遭受煤田火灾最为严重的国家,尤其以新疆、内蒙古、山西和宁夏最为突出。煤火具有燃烧温度高、燃烧面积大以及持续时间长的特点,它不仅直接烧失大量不可再生的煤炭资源,造成巨大的经济损失,还会严重破坏生态环境,威胁火区周边居民的生命财产安全。煤田火灾已成为威胁我国能源战略安全以及生态和谐发展的重大问题,相关研究工作和工程实施迫在眉睫。煤火研究的最终目的是扑灭燃烧煤层,而灭火施工的前提是要找准燃烧煤层的位置,从而有针对性地实施注浆注水、剥离覆盖等灭火工程,提高防灭火工程的有效性和经济性。因此,煤火的探测是煤火研究的重点。煤田火灾是一个涉及地质、矿山安全、地球物理、生态环境及工程热物理等多学科交叉领域的复杂问题,加之其形成和发展历史不清、燃烧系统不明、影响因素繁杂,导致煤田火灾的准确探测一直是一个世界性的难题。本文针对煤田火灾探测的难题,通过采用集理论分析、实验测试、数值模拟、沙箱实验以及现场探测为一体的综合研究手段对煤田火灾的磁、电异常成因,煤火发展不同阶段的磁、电异常演变特征以及火区多元地球物理探测技术与数据融合方法开展研究,取得的主要成果和结论如下:以地磁学相关理论为基础,以实验测试为手段,揭示了煤田火灾磁异常的来源,综合分析了高温影响下的岩石磁化率、剩余磁化强度和铁质矿物成分变化对磁异常的贡献。采用数值方法建立了煤田火区地磁模型并开展了正演模拟,探析了煤田火灾不同发展阶段的磁异常响应特征,得到了煤田火区的磁异常形态随燃烧温度、埋深以及燃烧时间的演变规律。在新疆和什托洛盖国家重点火区5号子火区开展了磁法探测工作,对磁异常数据进行了化极、向上延拓等多种滤波技术处理,消除了近表层效应,在测区北部和南部清晰地分辨出了火区分布,且与地表踏勘结果相吻合,同时也指出了磁法对在燃高温火区不敏感的缺陷及其弥补办法。结合煤田火区实际地质条件及地球物理理论,阐明了煤田火区以热电位为主的自然电位异常来源。设计了煤田火灾自然电位异常综合模拟实验系统,物理模拟了煤田火区的热电位和氧化还原电位异常产生过程,明确了火区自然电位信号的来源及影响因素。在新疆和什托洛盖国家重点火区5号子火区开展了自然电位法探测工作,采用向上延拓滤波处理技术优化了自然电位数据质量,圈定了三个分布于地表踏勘所圈定的火区范围内的自然电位异常区,同时也指出了自然电位异常不能完整地反映出火区分布的缺陷。提出了基于磁异常和自然电位异常数据融合的火区综合指数F来表征火区,弥补了磁法和自然电位法单独探测火区的缺陷。以岩石物理学为基础,通过开展实验探析了岩石电阻率随温度的变化规律及其影响因素,揭示了载流子浓度升高以及热破裂发展的耦合作用是岩石电阻率在高温条件下的变化机制。以数值方法为手段建立了煤田火区地电模型并开展了正反演计算,得到了不同发展阶段煤火的电阻率异常演变特征,掌握了火区电阻率异常形态及其动态发展过程。在山西安家岭露天矿火区实施了高密度电法现场探测,在电阻率断面图上清楚地观察到了由火区导致的低阻异常,验证了高密度电法探测煤田火灾的有效性。基于地球物理相关理论,阐明了煤田火灾激发极化异常的形成机制,指出了高温导致的煤的电子极化能力的增强以及煤中载流子交换效率的提高是导致煤田火灾激发极化异常的原因。设计并开展了煤田火灾激发极化沙箱实验,验证了煤火比原煤本身能够引起更强的激发极化信号。采用自行开发的反演程序对二次电压数据进行了迭代反演和综合标准化处理,还原了煤火的原始真实位置。在美国Lewis煤田火区开展了激发极化法、高密度电法以及自然电位法多元地球物理探测,在测线断面上观测到了与地表踏勘所确定的煤火位置相吻合的高极化率异常以及低阻异常,验证了激发极化法能够用于煤田火灾的探测。针对反演后的极化率和电阻率数据进行了数据融合,提出了一个标准化的火区燃烧前缘指数IB,排除了在电阻率和极化率断面中的其它干扰,且与地表测温以及自然电位探测的结果相吻合。本文研究成果为正确认识煤田火灾磁、电异常成因及煤火不同发展阶段的磁、电异常响应特征提供了理论支撑,所提出的基于多元地球物理探测的数据融合方法对于准确定位煤田火灾进而有针对性地实施灭火工程具有重要的指导意义。