本文运用地质学、构造地质学、煤田地质学、岩石学、矿物学、地球化学和煤化学等相关理论知识,并借助统计分析方法,以华北和西北等地煤自燃现象为重点研究对象,研究了煤自燃的微观理化特性和宏观特征,论文取得了以下认识与成果:(1)前人对中国大陆自燃煤的分布规律及其煤炭燃烧量随年代的演变有过很多论述。本论文通过不同年代煤自燃的产生和熄灭,以及煤炭燃烧量的演变过程的较系统、全面的厘定和研究,得出自燃煤火主要分布在华北和西北地区的天山-阴山带南北两侧,华南地区的贵州等地也仅仅发现有限的煤火区。华北的石炭-二叠纪自燃煤火基本为井下开采引燃煤火后引发的地面煤火;以时代来看,更新年代的侏罗纪煤比更老年代产出的石炭-二叠纪煤分布区产生更多的煤自燃区,且石炭-二叠纪自燃煤火区主要由井下开采引发的。梳理和厘清了中国大陆煤自燃的燃烧面积为2998.4×104 m2,烧失资源量达4146.94×104t,根据煤火燃烧面积的统计,在充分考虑,煤种和煤层赋存条件的前提下,计算出中国大陆煤自燃CO2的排放量为 8728.28×1 04t。(2)惰质组含量高低对煤自燃的影响一直存在争议。本文采用低温液氮和C02气体吸附实验揭示了煤的微观孔隙结构特征;X-ray diffraction(XRD)表征煤微晶结构特征;通过固体核磁共振(13C NMR)表征化学结构特征;激光解吸电离飞行时间质谱(LDIMS)确定煤的分子质量;高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)获得晶格条纹信息,包括长度、角度、方向性、堆叠和曲率等信息,从全方位、多角度分析了富惰质组煤的物理和化学结构特征。通过孔隙结构的特性分析可知,富惰质组高的两个样品在微孔结构上具有着相似的变化趋势,但是通过液氮实验测得的孔隙结果发现,SEH样的孔体积和比表面积则比PLQ的孔体积和比表面积更大,而通过C02获得的孔隙结构特征发现PLQ样品的微孔比SEH的样品相对较高,较高的微孔体积与较低交叉点温度相对应,说明微孔体积对煤自燃起到了重要的促进作用,即微孔体积占比越高,自燃倾向性越低。通过对比同等煤级的微晶结构参数特征发现,说明惰质组通常具有比镜质组/腐殖组(褐煤称之为腐殖组)更高程度的结构有序性和较低晶格间距。因此,认为富惰质组煤比富镜质/腐殖组煤的化学结构更稳定,更不容易自燃。通过核磁共振的结果发现,两样品具有相似的芳香结构特征。通过从化学结构的角度对比发现,惰质组含量不同的两个样品在分子量分布,堆叠和曲率差别不大,但是挥发性物质产率,微晶参数和晶格条纹的定向性存在一定的差异。因此,认为微孔结构在富惰质组煤中的差异性较大,是导致两样品存在煤自燃倾向性差异的主要原因。(3)通过建立煤级与交叉点温度(CPT)之间的关系发现,煤级与交叉点温度存在较好的线性关系,随着煤级的增高,交叉点温度增高,煤的自燃倾向性越高。反射率的大小影响着孔体积的变化趋势,样品的镜质组反射率2.13%是孔体积变化的重要转折点,当反射率小于2.13%时,煤的平均孔体积随着煤级的增加而增加,此后,煤的平均孔体积随着煤级的增加开始逐渐下降,而平均比表面积则与孔体积的变化趋势相反。煤级对多重分形参数的影响相对明显,说明随着煤级的增加孔隙分布越均匀,孔隙的团聚现象越不明显,孔隙结构越复杂。煤的灰分和全硫成分与CPT呈现出一个倒转的“U”形非线性关系关系曲线,而煤的挥发分、氧含量、固定碳含量与CPT值有较好的相关性。煤质特征的灰分、挥发分和固定碳与Sierpinski和Menger模型计算的分形维数和多重分形计算的分形参数有较好的线性或非线性关系。总孔隙体积与CPT呈良好的线性正相关,V2和V3的累积孔隙体积与CPT之间存在线性或非线性关系,说明100 nm以上的孔径是可能是引起煤自燃的主要原因之一。(4)通过XRD分析新疆早中侏罗纪和山西石炭二叠纪煤的微晶结构,以及CPT实验获取煤自燃倾向性的指标,发现d002随煤级的增加而减小,煤级和层间距(d002)是影响煤自燃的主要因素之一。随着煤级的增加,耗氧量呈滞后趋势。侏罗系煤样耗氧量较石炭系煤样更强。随着煤级增高,煤中C=O结构逐渐减少,芳香结构增加。结构参数I和f的值均随煤化程度的深化而增高,说明随着煤级的增加,芳香结构取代及稠合程度增大,芳香度增高。对于低阶煤来说,酚羟基和醇羟基占很大比重,而高阶煤的芳香羟基和醇羟基占的比重较大。温度对低阶煤的芳香结构影响较明显而对高阶煤的影响相对较小。羟基受温度的影响在低阶煤中表现的十分明显,低阶煤的峰面积随着温度的增加而逐渐降低。高阶煤的羟基总的峰面积随着温度的增加呈波动变化。温度在120或140℃时,是脂肪(甲基和亚甲基)、官能团和羟基变化的重要节点。(5)运用构造地质学、煤田地质学等理论知识,总结概括了前人对新疆地质条件的研究成果,发现地质构造运动,特别是喜山期,不仅提供了热量有助于更高阶煤的形成,还将埋藏较深的煤层抬升到近地表甚至有部分煤层裸露与地表,这为煤与氧气的接触提供了良好的条件,有利于煤的低温氧化。通过对新疆地区气候条件,包括降雨、日照、植被、地表温度等条件分析,发现干旱少雨、日照充足、植被稀少的气候条件为新疆煤自燃提供了良好的蓄热条件,有助于低温氧化作用的进行,对煤自燃起到促进作用。通过分析山西地区的区域地质、人为因素,人为山西的煤田边界构造对井下开采有影响,同时采动效应对煤自燃的影响较大。选取了之前讨论的影响煤自燃的因素,即微观理化特性的影响因素,即煤级,显微组分、孔隙结构、微晶结构、化学结构;宏观特征,即气候条件、地质条件、变质作用、采动效应等角度等作为评价煤自然影响因素。通过层次分析法定量分析煤自燃因素的主要原因,发现煤级和气候条件是导致新疆发生大规模自燃的主要原因,而煤级和采动效应是影响山西煤自燃的主要原因。