我国煤层气高效开发依然面临单井产量低、开发效益差等难题。沁水盆地和鄂尔多斯盆地煤层气形成商业化开采规模后,高煤阶煤层气进入赋存条件复杂化的中深层开采阶段,低煤阶煤层气因埋深大、渗透低、吸附性弱等特点尚不具备适应不同地层条件的开发技术。在复杂应力条件下不同煤阶煤层,注CO2提高煤层气产量(CO2-ECBM)的增产机制亟待完善。本文通过压汞、低温氮吸/脱附实验和X-ray μCT扫描技术对5种不同变质程度煤的孔隙进行多尺度定量分析、空间结构重建及表征,结合数值模拟探讨煤孔隙瓦斯渗流-扩散微观机理,此外依托自主研发的实验系统进行受载原煤注CO2置驱CH4分步实验,揭示煤微观孔隙结构对CO2-ECBM的应力响应特征的影响规律。主要研究成果如下:基于压汞和低温氮吸/脱附实验对煤孔隙发育特征进行了多尺度联合定量分析。结果显示随煤变质程度增加,微孔和过渡孔占比升高,渗流孔开放程度和连通性降低,孔径分布由多峰形态向极化形态转变。低阶煤渗流孔发育程度更好,分形维数更高,具有良好的渗透性能。高阶煤芳香片层秩理性的增加使微孔大量发育,从而吸附孔拥有更高的占比、更均匀的分布规律和更复杂的空间结构,因此瓦斯贮藏能力和温室气体封存能力更强。采用X-ray μCT扫描技术重构了煤微观孔隙空间结构并建立了阈值模型和等效孔隙网络模型,分析了煤微观孔隙的空间结构、形状因子、逾渗规律、连通性、分形特征和PNM拓扑结构。结果表明高阶煤孔隙形状更加复杂,中低阶煤更接近球形。孔隙形状因子与表面积呈线性关系,但对等效直径更敏感,它们之间具有指数关系。随煤变质程度增加,连通孔隙团的体积、逾渗概率和欧拉数逐渐降低,但其偏心率逐渐升高,空间形态特异性增强。此外,PNM孔隙和喉道的体积、等效半径的减小是导致渗透性降低的主要因素。建立了煤微观连通孔隙团逆向优化结构和数值模型,开展了瓦斯微观渗流数值模拟。数据表明孔隙压力在微尺度的局部波动随梯度增大而更明显。随煤变质程度增加,高速渗流区面积减小。煤孔隙内的瓦斯单向和多向微观渗流均存在优势方向,喉道尺寸对其影响更大,在中低阶煤更稳定,在高阶煤受孔隙结构影响更显著。开展了受载原煤注CO2置驱CH4的分步实验,分析了煤微观孔隙结构对煤体CO2和CH4的渗流、吸附及CO2-ECBM应力响应特征的影响规律。结果表明煤微观孔隙结构会影响应力对渗流的扰动,其尺寸越大敏感度越高。CO2和CH4的极限吸附量随孔喉半径的增加指数降低,吸附速率放缓。CO2-ECBM产出浓度的应力敏感度随孔喉半径增加而降低,但突破时间和置驱效率的应力敏感度呈对数上升,注气压力的增加能降低其应力敏感度。CH4产量的应力敏感度随孔喉半径增加指数降低,提高注气压力能增加其应力敏感度。该论文有图88幅,表17个,参考文献224篇。