煤田火灾是全球各主要产煤国家共同面临的生态灾难,对各国能源安全以及经济可持续发展造成了严重威胁。我国是世界上遭受煤田火灾最为严重的国家,严重破坏了火区周边的生态环境,威胁了煤矿的安全生产,造成了巨大的经济损失。煤田火灾的探测工作对于煤田防灭火工程的高效性和经济性具有重要的意义,而由于地下煤火形成和发展历史不清、燃烧系统延燃状态不明,且地下地质影响条件复杂多变,导致煤田火灾的准确探测成为世界性的难题。本文针对自然电位法这一煤田火区探测的常用地球物理方法,采用集理论分析、沙箱实验以及数值模拟为一体的综合研究手段,分析了对煤田火区自然电位异常的产生机理,构建了火区地表自然电位与地下三维空间源电流密度的关联性本构方程,提出了源电流密度的三维紧致约束反演算法,测试了三维反演算法可靠性及精度并开展了现场实验。取得的主要成果和结论如下:构建了自然电位异常实验沙箱系统,采用理论和实验相结合的方法,分析得到了煤田火灾自然电位异常主要来自两个方面:分别是由火区与地表煤岩温度梯度所导致的热电位,以及由煤的燃烧产生的氧化还原电位。其中,热电位占主导地位,并且热电位随火区燃烧中心温度的升高而增大;氧化还原电位幅度较小,对总体异常贡献不大。提出了自然电位数据的三维反演解释算法,并通过数值模拟程序对反演算法的有效性进行了验证,结果表明提出的三维反演算法能够对不同量级的源电流密度异常进行有效反演。基于自然电位异常实验沙箱系统,采用电加热片模拟热源,针对不同的赋存条件(不同深度及分布方向)开展了五组实验,分别获得了偶极和单极自然电位异常,通过三维反演解释算法对各实验中采集的自然电位数据进行了迭代紧致约束反演,获得了非常紧致的源电流密度,结果表明依据源电流密度的分布能够较好的反演热源的位置。开展了真实煤火的自然电位异常实验和三维反演,采集了沙箱内的电阻率和自然电位数据,发现火区自然电位异常随着火区燃烧进程的减弱而衰减,在反演过程中源电流密度所在的位置与高温位置吻合,并且随着温度的降低,源电流密度的大小也随之衰减。在新疆煤田火区现场开展了综合地球物理探测试验,反演了火区源电流密度的分布,反演得到的源电流密度中心与磁、自然电位曲线以及电阻率异常相吻合,后期钻孔测温数据也验证了该火区燃烧中心位置的准确性。本文研究成果为正确认识煤田火灾自然电位异常成因及提供了理论支撑,所提出的煤田火区自然电位异常反演解释方法对于煤火的精准定位以及高效治理具有重要的现实意义。该论文有图32幅,表1个,参考文献130篇。