加快煤层气和页岩气的勘探开发,对增加清洁能源供应、调节国家能源消费结构、促进节能减排、减少温室气体排放具有重要意义。研究煤岩-气相互作用机制与构建煤岩双重孔隙介质力学模型,掌握煤岩变形过程、气体运移规律具有重要理论价值。基于有效应变的概念,建立了裂隙有效应变、基质有效应变、孔隙有效应变和全局应变及其相互作用数学模型,解释吸附性气体作用下煤岩微观结构重新排列及诱发煤岩力学性质劣化的力学机理;解释气体运移过程煤岩渗透率演化规律。此外,气压致裂尤其是超临界二氧化碳压裂技术不仅能够增加甲烷产量,而且可为实施二氧化碳地质封存提供可能。采用超临界二氧化碳进行煤层和页岩气储层压裂被认为是一种非常具有前景的无水增透方法,但目前对于这种压裂导致渗透性演化及裂缝萌生、扩展的机理尚不是很清楚。鉴于此,本文以煤岩-气相互作用机制为研究核心,建立了严格的双重孔隙介质损伤模型。以此为基础开展了气体吸附诱发煤岩力学性质劣化和注气过程渗透率演化规律实验研究和数值分析,气压致裂及定向射孔压裂数值分析,主要研究内容包括:(1)基于有效应变的概念,分别给出了裂隙、基质孔隙的孔隙度和渗透率模型,考虑煤-气相互作用及损伤演化过程,构建了煤岩双重孔隙介质损伤模型,并编写了双重孔隙介质损伤模型分析程序。(2)开展向煤岩注入不同气体实验,分析其应力-应变孔隙压力响应曲线。通过将数值结果与实验结果的对比分析,验证数值模型的正确性和适用性。进一步分析了气体吸附诱发煤岩力学性质劣化的力学机理及其对渗透性变化的影响。(3)向煤岩中分别注入氦气、氮气和二氧化碳(超临界二氧化碳),在不同的应力状态和孔隙压力条件下,分别测试其渗透率数值。获取不同应力水平下渗透率演化规律,不同孔隙压力水平下渗透率演化规律。分析了惰性气体、弱吸附性气体和吸附性气体及二氧化碳相变分别对应的不同渗透率演化过程。(4)探究注气过程煤岩裂隙压力、基质压力和孔隙压力的平衡过程,分析煤岩局部平衡和整体平衡的时间效应。研究基质扩散系数对渗透率演化过程影响,气体吸附应变常数对应的不同渗透率演化曲线及其作用机制分析。(5)开展气压致裂过程及定向射孔压裂裂缝转向数值分析。首先,通过与实验结果对比,验证了气压致裂模型和定向射孔压裂力学模型的正确性和适用性。其次,分析了压裂液对裂纹扩展过程,起裂压力、破裂压力的影响;射孔角度、地应力条件和压裂液黏度对压裂裂缝萌生、扩展和裂缝形态的影响。