明确高压条件下煤中甲烷的吸附特性对深部煤层气资源的勘探开发有重要意义。本论文开展了不同煤阶煤样的高压等温吸附实验,研究了甲烷在煤中的吸附特性;基于低温二氧化碳吸附实验、低温液氮吸附实验、压汞实验对煤岩的孔隙结构进行了全孔径表征;基于傅里叶变换红外光谱实验(FTIR)对煤岩表面化学结构进行了研究。采用数值分析方法分析了煤中甲烷吸附特性的影响因素,明确了随吸附压力变化甲烷在煤中的动态吸附过程。取得的主要成果如下:(1)对煤岩的全孔径孔隙特征进行了表征。煤岩孔隙体积主要由超微孔、中孔、大孔组成,比表面积主要由超微孔提供。孔隙分形维数随孔径的增大而增大。超微孔分形维数小且稳定,受孔隙几何形态的控制。微孔和小孔分形维数受孔隙几何形态和表面化学结构的控制,与煤化跃变有较好的对应关系,中孔和大孔分形维数最大。(2)半定量分析了煤表面化学性质随煤阶的变化规律。随煤阶的增大,煤岩成熟度、芳香性、芳香环的聚合程度、含氧官能团相对含量和羟基(氢键)相对含量逐渐增大;脂肪侧链相对长度逐渐减小;C-O/C=O比值呈先减小后增大趋势。(3)甲烷在煤中的吸附量在11-15MPa处达到最大值。吸附平衡压力大于11MPa以后,游离甲烷密度不断增大导致煤基质收缩效应增强,煤样具有的有效吸附位数量减小,部分甲烷从煤表面脱附,甲烷在煤中的吸附量开始减小。(4)对影响煤中甲烷吸附特性的因素进行了研究。超微孔、微孔的体积和比表面积主要通过控制煤岩所能提供吸附位的数量,控制煤对甲烷的吸附能力;超微孔和微孔的孔隙分形维数、孔隙类型、煤样的芳香环缩合度、脂肪侧链相对长度、不同含氧官能团相对含量通过控制煤岩表面的吸附势,影响煤对甲烷的吸附能力。(5)基于在不同吸附压力下,甲烷在煤中吸附位置不同,将吸附过程分为4个阶段:阶段一,在超微孔表面的单层吸附和微孔中的“鸡窝状”填充吸附;阶段二,在超微孔中的填充吸附;阶段三,微孔中的层状填充式吸附;阶段四,吸附量达到最大值,停止吸附。