构造煤发育的区域往往是煤与瓦斯突出的危险地带,原因是构造煤特殊的煤体物性和包括甲烷解吸滞后在内的甲烷吸附解吸特性。因此,研究构造煤的甲烷解吸滞后行为及其微观机理,对认识构造煤吸附解吸规律和煤与瓦斯突出的防治具有重要意义。本文运用分子动力学、煤岩学、构造地质学和瓦斯地质学等学科领域的理论和方法,以贵州西部月亮田煤矿构造煤样品为研究对象,通过手标本和镜下观察,研究构造煤变形特征;基于多种流体注入技术,结合分形理论,探讨构造煤孔隙结构特征,分析封闭孔发育情况;通过甲烷吸附/解吸的低场核磁共振实验,利用面积模型计算甲烷解吸滞后指数,定量评价甲烷解吸滞后行为;基于吸附势和表面自由能理论,揭示甲烷解吸滞后行为的能量变化规律;最后,将甲烷解吸滞后指数与各个因素进行相关性分析,综合阐述构造煤甲烷解吸滞后行为的微观机理,主要取得以下成果。(1)构造煤样品可分为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。样品的煤岩煤质差别不显著,主要差异在于构造变形程度。随着构造变形程度的增高,微孔、极微孔和超微孔的孔比表面积均逐渐增大,中孔和大孔的孔比表面积则呈波浪式变化。强变形煤(碎粒煤和糜棱煤)的微孔分形维数大于弱变形煤(碎裂煤)和原生结构煤的微孔分形维数,表明强变形煤具有更加粗糙的微孔。(2)相对于弱变形煤和原生结构煤,强变形煤拥有更多的封闭孔。封闭孔的成因可以归结为非均质收缩、挤压作用、剪切作用和碎屑堵塞。甲烷解吸引起煤基质均质收缩,可能造成封闭孔的孔壁破碎,形成新的开放孔,并再次吸附/解吸甲烷。甲烷的解吸滞后行为与此密切相关。(3)构造煤样品中均出现不同程度的甲烷解吸滞后现象。造成解吸滞后的甲烷都是吸附态而非游离态。构造煤的甲烷解吸滞后指数介于0.41~0.73之间,随着构造变形程度的增高而增大,仅在碎裂煤处降低。(4)解吸过程的吸附势、表面自由能变化值及其变化率均大于吸附过程的能量变化参数,解吸过程的Langmuir压力和Langmuir体积均小于吸附过程的Langmuir参数,证明煤基质吸附、解吸甲烷后发生膨胀和收缩,且最终综合表现为煤基质膨胀,引起煤基质之间的孔隙(尤其是微孔)被压缩,孔径减小,导致微孔吸附势的叠加程度增高,吸附势增强,色散力增大。(5)构造煤的甲烷解吸滞后行为主要受到构造变形、微孔分形维数、吸附势和封闭孔的影响;而其他因素的影响几乎可以忽略,包括煤岩煤质、孔比表面积、孔容、最高吸附压力和表面自由能等。(6)实验误差、甲烷溶解到残余水分中或甲烷吸附到煤基质中均不足以解释样品的解吸滞后现象。甲烷解吸滞后的直接原因是解吸前期煤基质膨胀导致孔隙直径小于甲烷分子动力学直径而封闭甲烷解吸运移通道,解吸后期煤基质收缩引起封闭微孔转化为开放微孔而再次吸附/解吸甲烷,其根本原因是孔隙结构和吸附势的改变。相对于原生结构煤和弱变形煤,强变形煤具有更低的煤体强度,更大的微孔分形维数和吸附势,更多的封闭微孔,在甲烷吸附解吸后,强变形煤孔隙结构收缩和吸附势增强的幅度更大,从而表现出更强的甲烷解吸滞后行为。本文定量评价中煤级构造煤的甲烷解吸滞后行为,系统对比煤岩煤质、孔隙结构、吸附参数和能量变化对解吸滞后行为的影响,综合阐述构造煤甲烷解吸滞后行为的微观机理,为煤层气开采、煤与瓦斯突出防治提供相应的理论基础和实验支持。该论文有图77幅,表8个,参考文献180篇。