中国煤炭资源分布广泛、储量丰富，是推动国民经济持续发展的能源支柱。然而在现有开采的煤层中有一半以上属易自燃煤层，超过半数的国有煤矿和地方重点煤矿存在自燃发火危险，尤其是近年来随着综采放顶煤技术的大力推广，使井下煤炭自燃发生更加频繁，成为制约矿井安全生产的主要灾害。煤炭自燃过程的复杂性使目前对火灾的预测预报相对滞后，基于放热经验公式建立的模拟、预测机制对不同煤种的自然发火过程针对性不强，在应用方面受到一定限制。因此深入揭示煤炭低温氧化机理，建立快速准确的自燃预测预报机制，消除潜在火灾隐患是矿井安全生产迫切需要解决的问题。　　本论文选择了六种变质程度不同的煤种做为研究对象。首先对不同煤样的物理、化学结构进行了表征，结合现场发火历史和煤自然发火实验台的测试结果探讨了煤炭自燃倾向性与不同煤样结构特征之间的内在关联，发现煤中含氧官能团多少决定了煤的氧化活性和自燃倾向性，煤的孔隙结构及比表面积等精细物理结构对高变质煤的自燃倾向性影响较为显著。　　在微观机理方面，运用红外光谱分析及差谱处理及电子自旋共振波谱分析手段量化研究了煤分子表面官能团和自由基浓度在低温氧化过程中的演变规律，对煤炭低温氧化的历程进行了推断。低温时，煤分子中亚甲基桥键和一些含氧官能团易受到氧分子攻击，生成羟基、羧基和醚键等含氧官能团，高温时部分含氧官能团发生分解而主要以相对稳定的羧基、酯类和酸酐形式为主。　　在宏观动力学方面，根据热分析测试和耗氧速率实验结果分阶段讨论了煤低温氧化到自燃全过程的化学动力学机制，建立了各阶段的化学动力学方程，对相关动力学参数进行了计算，为量化模拟煤炭自燃过程奠定了基础。对热分析曲线上的一些特征温度点与煤自燃倾向性的关系进行了讨论，发现过去采用的着火点判据与煤的变质程度间关联性较高，与煤自燃倾向性关系关联性不大，而测得的活化能大小与煤实际自然发火危险程度相符，首次提出了煤炭自燃倾向性的活化能判据。　　对影响煤炭自燃的因素进行了实验研究，分析了煤样比热容、导热率、扩散系数随温度的变化规律。运用控制体积单元法针对煤炭自然发火实验台及采空区煤炭自燃过程中传质、传热规律进行了分析，结合化学动力学方程建立渗流场、温度场及氧浓度分布的偏微分方程组，利用自适应有限元方法通过Matlab编程对非稳态耦合场进行求解，动态直观地显示了采区及自然发火实验炉中煤自燃过程的温度场和氧浓度变化规律，预测了煤炭自燃发火期等参数与实际情况接近，并模拟了供风量、环境温度对煤自燃过程的影响。从方法上为建立快速、准确的煤自燃预测、预报机制奠定了基础。