煤对甲烷的吸附-扩散性能是影响煤层含气量大小和煤层气开发潜力的重要储层参数,而煤的孔隙结构是影响煤层气吸附-扩散性能的重要因素。本文综合运用煤地质学、煤层气地质学和物理化学等学科的理论与方法,研究了不同煤阶煤的孔隙分布特征和变化规律及其对煤中甲烷气体吸附-扩散性能的影响,建立了不同煤阶煤的孔隙结构演化关系及随压力变化气体扩散系数变化模型,揭示了孔隙结构对甲烷吸附-扩散的影响因素和控制机理。取得了以下主要研究成果:(1)揭示了不同煤阶煤的孔隙变化规律。压汞实验结果显示,不同煤阶煤的大孔体积随着镜质组最大反射率(R_o,m)增加呈现先减小后增大的变化特征,不同煤阶煤的退汞效率随着R_o,m增大显示出先上升后下降的变化关系。低温N₂和CO₂吸附实验显示中孔、过渡孔和微孔的体积和比表面积,在R_o,mo,m>1.5%之后呈正指数式缓慢增大。(2)分辨了不同煤阶煤的孔隙形态特征。煤中的孔隙形态以圆筒形、细瓶颈形、墨水瓶形以及平行板状孔为主。低、中煤阶煤中的微孔含量较少且主要是一端封闭的圆筒形孔,过渡孔和中孔含量相对较高且连通性较好,以一端开口的平行板状孔为主。高煤阶煤主要含有大量连通性较好的微孔,以两端开口的圆筒形孔隙为主,中孔和过渡孔主要是四周开放的平行板状孔。(3)随着R_o,m的增大,甲烷的吸附能力不断增大,煤的Langmuir体积表现为线性增加,Langmuir压力则呈现为先减小后增大的变化特征。甲烷吸附的早期阶段主要受控于煤的微孔含量,随着吸附压力的增加,过渡孔和中孔对甲烷吸附量的影响不断增大。影响甲烷吸附的主要因素包括煤的变质程度、煤的分子结构、煤岩组分、温度和水分等。(4)不同煤阶煤的扩散系数呈先减小后增大的变化规律。低煤阶煤的孔隙体积相对较大,且甲烷主要是以游离态形式存在,因此其扩散系数也较大。中、高煤阶煤的甲烷主要呈吸附态存在,中煤阶煤的孔隙体积相对较小,甲烷的解吸-扩散相对较慢。高煤阶煤的吸附气含量最高,同时其含有部分内生裂隙,有利于气体的扩散,因此高煤阶煤的扩散系数又缓慢上升。(5)随着气体压力的增大,煤中气体的扩散系数可用类似Langmuir方程形式进行拟合,煤的扩散系数与气体压力呈正相关性,在压力小于3MPa时随压力增加扩散系数快速增大,当压力大于3MPa之后,气体扩散系数增加缓慢。吸附时间常数随着压力的增高而减小,服从负指数函数规律。(6)不同煤阶煤的压缩系数随着R_o,m增加呈先快速减小后缓慢增大的变化趋势。低煤阶煤的力学强度较低,受压力作用后容易发生变形,中、高煤阶煤的力学强度较高,受压力作用时压缩性变化较小,而高煤阶煤的压缩系数又缓慢增加主要与其微孔及部分内生裂隙有关。煤的压缩性主要受控于煤的变质程度、煤体结构与煤岩组成。(7)沁南东区块3号煤层除局部含气饱和度呈饱和状态外,整体呈欠饱和状态。整体上沁南东区块3号煤层的含气量、煤储层压力和含气饱和度,均随着煤层埋藏深度的增加而增高。构造运动对煤层气的生成和保存具有控制作用,是影响煤储层含气性的重要地质因素。