煤炭生产过程中伴随着大量的煤矸石废弃物的排放,而矸石山的长期堆积引发自然发火现象频发,为了对矸石山自燃火灾事故预防提供理论依据,采用现场调研、理论分析以及实验研究相结合方式,研究了煤矸石的基础物理化学特性、氧化动力学特性及官能团的演化规律,揭示煤矸石自燃的微观机理。采用工业分析、元素分析、X射线衍射、扫描电镜和傅里叶红外光谱等技术手段,研究了煤矸石的煤质、微晶结构和微观形态等基础特性,结果表明:煤矸石具有“高灰分,低挥发分”的特点,主要以石英矿物质的形式存在,矿物质以絮状形式相互渗透,结构相对疏松。通过TG-DSC联用的热分技术手段测试不同升温速率煤矸石热解和氧化燃烧热重曲线,发现不同气体氛围煤矸石反应过程呈现分阶段的特性,且随着升温速率的增大,热重曲线向着温度更高的方向偏移,导致特征温度出现“滞后”的现象;同时使用Starink方程计算煤矸石氧化反应的活化能,高转化率阶段(α>80%),活化能处于快速增长的趋势,而低转化率阶段(α<80%),活化能呈现先快后慢的降低趋势。运用原位漫反射傅里叶红外光谱分析不同气体氛围下的煤矸石中基团的实时变化规律:氧化过程游离的羟基随温度直线递减,分子间氢键和羟基面内弯曲振动一直稳定不变,芳香烃的C=C双键基团和取代苯类C-H基团缓慢递减,脂肪烃的亚甲基对称、反对称伸缩振动呈现先增后降的趋势,含氧官能团中C=O基团200℃后呈现先增后降的趋势,碳氧键和C-O-C基团缓慢递减,羧基的-OH伸缩振动呈现200℃之后呈现指数增长的趋势;而热解过程羟基、取代苯类C-H、碳氧键、C-O-C基团随温度的变化趋势与氧化过程一致,C=C双键、C=O双键和羧基的-OH伸缩振动基团基本稳定不变,脂肪烃亚甲基对称、反对称伸缩振动呈现先增后保持不变的趋势。