本文针对深部煤层气开发面临的高温、高地应力、高孔隙压力等问题,从深部煤层的赋存条件出发,通过针对性实验装置的开发,系统开展了低变质程度的长焰煤、中等变质程度的气煤、焦煤和高变质程度的无烟煤高温高压扩散特性实验,研究了粒径、气体压力、温度、变质程度对甲烷扩散的影响,建立了煤粒甲烷高温高压扩散模型,并推导出新模型的简化算法,进一步探讨了煤粒甲烷扩散的控制机理。论文取得了以下主要研究成果:(1)四种煤样在压汞实验低压段和液氮吸附实验高压段均具有明显的分形特征,分形维数随着煤的变质程度的增高呈现先降低再升高的变化趋势。(2)开发了一套高温高压甲烷扩散模拟测试装置,实验装置最大可增压至60MPa,最高温度150℃,可对四个样品同时测定。(3)高温高压甲烷扩散实验结果表明,随着煤样粒径的增加,甲烷扩散量、初始扩散速度和扩散系数均逐渐减小,并优选出0.17-0.25mm为实验合理粒径;甲烷累计扩散量和扩散系数均随着压力的增加而增大,随着温度的增加也逐渐增大,煤样初始扩散速度最大,扩散速度随时间的延长逐渐降低,扩散速度与时间符合幂函数关系;煤的变质程度越高,在相同扩散时间内甲烷累积扩散量越大,扩散系数先减小再增大,扩散速度随时间的延长单调递减,高变质程度的煤样甲烷初始扩散速度远高于低变质程度的煤样;压力与温度对甲烷扩散率互为负效应关系,在低压阶段(2-6MPa)压力控制扩散作用明显,而中高压阶段(6-20MPa)温度控制用更为显著。(4)长焰煤甲烷吸附和扩散的分子模拟研究表明,随着温度的升高,吸附量和等量吸附热均逐渐降低,甲烷的自扩散、校正扩散和传递扩散系数逐渐增大。(5)基于扩散系数动态变化构建了高温高压甲烷扩散模型,并推导出新模型的简化算法。(6)探讨了煤粒甲烷扩散的控制机理,结果表明,煤的孔隙结构越复杂,表面越粗糙,对甲烷扩散系数影响越大;气体压力增高促使煤基质表面浓度梯度增大,甲烷扩散系数随之增加;温度增高导致气体分子平均自由程和气体分子的平均动能增大,煤粒内部原有孔隙发生热膨胀效应,甲烷更容易扩散;甲烷扩散系数衰减特性主要是受煤粒孔隙中甲烷扩散运移的路径和阻力控制。