我国“富煤、贫油、少气”的能源结构决定了煤炭仍将长期占据我国能源供给市场的主体地位,同时,为保障国家资源安全和可持续发展,习主席提出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。”。然而,我国煤层的低渗透性导致煤矿瓦斯灾害频发,严重威胁着安全生产和行业发展,“深部开采”可能变“危险开采”。冀中能源集团下属的九龙矿是以高阶低渗煤为主的典型深部矿井,被确定为本文等离子体致裂增渗技术基础的研究对象,籍以该矿2^#煤层15249N工作面所取煤样进行等离子体击穿实验,发挥等离子体能量密度高、破坏力度强、环保便捷的优势,为形成有效改善九龙矿煤体渗透性的关键技术体系提供理论依据。本文立足九龙矿低渗煤瓦斯难抽问题,结合现场调研资料和专业科技文献掌握气体分子运动理论、结构物理学和结构化学等相关学科知识,研发击穿煤粉装置并将其接入试验平台,开展了等离子体击穿九龙矿低渗煤的实验研究,拟通过解决不同强度等离子体击穿能量对大孔-裂隙结构的影响规律和中小孔结构影响规律两个关键问题,深入探讨等离子体作用低渗煤体孔裂隙增渗机制,并提出在九龙矿应用的潜在技术方案,主要研究成果如下:(1)组建了击穿能量计算公式组,阐明了不同强度等离子体击穿能量对九龙矿煤大孔-裂隙结构的影响机制。结果显示,随着击穿能量的增加,煤样被明显破碎化,表观形态从明显大裂隙构造出的少量大煤块向大量散碎小粒径煤颗粒发展,在超声波波形上表现为波幅、波速锐减;同时,大孔-裂隙结构受击穿能量影响显著且主要分三个阶段发展;而从全尺度孔隙来看,九龙矿煤孔隙结构发育以微米级优先,超大孔-裂隙为主,纳米级为辅。(2)搭建了等离子体击穿煤粉试验平台,多角度、定量化分析了以等离子体击穿能量作为变量时,九龙矿煤体中小孔的结构演化机制,揭示了等离子体对煤体中小孔的改造机理。结果表明,随击穿能量的增大,煤体纳米尺度微观形貌朝着更为发育的微孔隙网络结构发展;具体表现为以小孔为过渡向中孔增扩,最终形成中孔孔容渐大,数量渐增,而小孔发育微缓的结构配置;同时,增大击穿能量使得孔隙表面更加光滑,占据空间复杂性降低。(3)探讨了等离子体击穿引发温度升高和冲击应力的推论,分析了高温高压环境导致大分子结构响应的机制。结论如下:等离子体击穿煤体内部所形成温度、冲击压强分别达到290℃和50 MPa以上,极端环境导致煤体微观矿物质发生转化,同时加速了大分子结构的芳构化,使微晶结构的发育更加稳定、有序。(4)研究了不同强度的等离子体击穿能量对煤体瓦斯解吸特性和渗流特性的影响规律,分析了孔裂隙结构改善致使气体运移更加高效的原因,探讨了等离子体致裂增渗技术在九龙矿应用的潜在方案。结论如下:击穿后煤样的瓦斯解吸总量呈阶段性变化且均高于原煤;煤样受到击穿能量越大则瓦斯解吸速率越快,初始瓦斯扩散系数越高;此外,击穿能量的增大也使得煤样渗透率明显提高,且能量较大时提升速度加快。本文的研究成果完善了等离子体对低渗煤体致裂增渗机制的研究理论,提出了等离子体技术在提高煤层渗透性领域的应用方案设想。基于以上研究成果,硕士期间共发表学术论文3篇,其中以第一作者发表SCI论文1篇(JCR一区),影响因子6.609;申请发明专利7项,已授权4项。本论文共有图58幅,表14个,参考文献117篇。