我国现有煤田火区200多个,其中北方7省火灾总面积已经达到720km2,煤田火灾严重污染大气环境,造成珍贵煤炭资源的烧失和冻结。为保障煤炭安全开采,保护生态环境,开展煤田火区形成机理与识别方法研究具有十分重要的意义。煤田火区形成与演化是在温度场、化学场、应力场、流场等多场耦合作用下由浅部向深部发展的循环动力学过程。本论文以实验研究为基础,结合理论分析、数值模拟和数理统计等方法,根据火区煤氧化自燃特性及上覆岩层热力耦合特性,研究了煤田火区火源中心形成与识别方法,主要研究内容和结论如下:通过煤自然发火实验,研究了火区煤样在低温氧化阶段的放热强度、升温速率、耗氧速率、特征温度、最小浮煤厚度、下限氧浓度、上限漏风强度。根据实验结果拟合了最高温度点与时间、煤样放热强度、煤样耗氧速度、CO、CO2产生率与温度的函数关系,其中放热强度与温度服从指数关系。通过TG、DTG和DSC实验研究了火区煤样热分解和燃烧阶段特性及发生发展的过程机理,得出氧化升温期间煤样质量随温度变化服从Boltzmann曲线。采用MTS815.02电液三轴伺服岩石力学实验系统,对火区煤岩试件从常温升至600℃过程中的力学特征曲线进行了研究。温度升高超过400℃后,峰值应力最大值从29.95MPa降到了15.65MPa,峰值应变增加57%;温度从250℃升至400℃,弹性模量的下降幅度超过90%;岩样随温度从室温升至600℃的过程中产生裂隙形成供氧通道。通过CT扫描获取了不同温度下煤岩样的二维断面图,分析了煤岩样在热应力作用下的图像特点,拟合得出煤岩体各物理参数(应力、应变、弹性模量、泊松比)与温度之间的函数关系。自主研发了煤田火区动态演化过程多参数正交试验相似模拟平台,基于该平台模拟研究了火区在不同供风量、上覆岩层厚度、煤层厚度、燃烧深度和加热速率因素及不同水平下的动态演化过程,对结果进行了因素敏感性分析。在A-A测试层,垂直位移量最大为0.46m,应力最大为24MPa;应变在燃烧面后变化较明显,最大值为0.15。在B-B测试层,垂直位移量最大为0.5m,应力最大为19MPa,应变最大为0.067。在C-C测试层,应力、应变、垂直位移量在燃烧深度为0.8m、煤层厚度为0.3m时变化最大,分别为32MPa、0.095和0.095m。煤层厚度和燃烧深度对应力和垂直位移影响最大。依据原型尺寸对火区温度场、化学场、传热、传质和动态ODEs方程直接耦合,模拟了二维多场耦合条件下火区发展演化规律,在模拟时间达到400小时后,渗透率最大值从2.3226×10-10m2增加到9.0579×10-10m2,最小值从1.1724×10-10m2增加到4.0959×10-10m2;孔隙率的最大值从0.3667增加到0.4634,最小值从0.3581增加到0.3822。以CT扫描所得的火区裂隙图片为基础建立了抽象化的三维模型,分析了火区在温度、化学反应、传热、传质、结构应力等多场条件下的动态耦合演化过程。von Mises等效主应力峰值达到60.392MPa,第一主应力的拉应力最大为23.5MPa,位移场的最大值为-3.2429×10-7m,负值表明烧空区发生下沉,这是由于火区煤燃烧前后体积变化较大,形成了烧空区,上覆岩层产生垮落裂隙。通过火源中心温度红外成像测定实验,研究了火源中心温度场向地表传播的规律。火源中心向地表传递过程持续4小时后,表面最高温度比1小时的最高温度升高近20℃;持续8小时后表面最高温度升高程度开始减少,持续32小时后,地表最高温度点的温度趋于稳定。当火区火源中心的燃烧状态为线性时,表面温度场以最高温度为中心呈椭圆形状分布,火源中心温度与表面温度场存在相关性。提出了火区燃烧状态的“四区”理论及定量划分标准。火区燃烧状态按照危险程度由低到高依次划分为:若0≤Fc<1/243,则为安全稳定区;若1/243≤Fc<1/32,则为火区警戒区;若1/32≤Fc<1,则为火区危险区;若Fc≥1,则为燃烧中心区,并给出了判定步骤和颜色标识规范。对火区煤自燃危险度概率函数进行了广义推广,给出了具有任意多个因素的煤田火区状态判定条件。