扩散在瓦斯运移产出过程中发挥着重要作用,针对以往构造煤瓦斯扩散特性研究多采用颗粒煤样和解吸扩散法进行,实验煤样和方法不能客观反映原始煤层物性特征和储层条件,控制机理缺乏结合煤的微观结构分析内外因素的耦合作用,现有扩散模型存在理想化程度高、准确性低、适用条件不明确等问题,从煤层在井下的实际赋存状态出发,采用气相色谱扩散法和解吸扩散法两种扩散系数测定方法,开展了模拟地层条件下构造煤瓦斯扩散规律实验,分析了两种方法反映构造煤瓦斯扩散规律的差异性和适用性,探讨了围压、气压、温度、煤质、煤体结构、微观结构等因素对瓦斯扩散规律影响及耦合控制机理,构建了反映不同地层条件下的构造煤瓦斯扩散模型,并对新模型进行了验证和应用,论文取得了以下主要研究成果:(1)探讨了四类煤体结构原煤柱状煤样制作方法,针对碎粒-糜棱煤柱状煤样制作困难这一难题,提出了构造煤等静压制作柱状煤样方法。(2)采用压汞、液氮吸附、小角X射线散射、扫描电镜等方法获取了构造煤微观孔裂隙的特性,提出了构造煤全孔径分形维数定量表征方法,为揭示构造煤瓦斯扩散控制机理奠定了基础。①无烟煤、贫煤孔容主要集中在微孔和过渡孔,肥煤孔容主要集中在过渡孔和中孔,而孔比表面积均集中在微孔;无烟煤、贫煤、肥煤的总孔容、总比表面积、退汞效率随破坏程度增大而增大,中值孔径、排驱压力随破坏程度的增大而减小,但在不同的破坏阶段,增加或减小的速率不同。②相同孔径段,小角X射线散射测定的孔比表面积明显大于液氮吸附所测结果,高出1.7~8.8倍左右,以无烟煤增幅最大,可能由封闭孔隙含量增多导致。③定义并提出了构造煤全孔径分形维数计算方法,实现了不同有效测试范围内压汞和液氮吸附分形维数的有效统一,便于对构造煤非均质性进行定量表征。④无烟煤、贫煤、肥煤显微裂隙发育总数随破坏程度的增大呈现先增大后减小的变化规律,以碎裂煤最为发育。(3)采用气相色谱法对柱状煤样和解吸法对颗粒煤样进行了扩散系数测定,研究了两种方法反映构造煤瓦斯扩散规律的差异性和适用性,探讨了围压、气压、温度、破坏程度等不同地层条件下构造煤瓦斯扩散规律。①搭建了气相色谱法模拟原始地层条件瓦斯扩散系数测定试验平台。②气相色谱法采用原煤柱状煤样进行测试,可同时施加有围压、气压、温度影响,解吸法采用颗粒煤样进行测试,仅施加有气压、温度,未考虑围压影响,两种扩散系数测定方法都反映了构造煤的瓦斯扩散规律,但属于不同的地层赋存状态,两者不能简单替代;前者主要应用于原始煤层扩散速率预测与评价,后者主要应用于瓦斯含量测定过程中损失量计算。③气相色谱法测定的无烟煤、贫煤、肥煤四类煤扩散系数随围压的增大呈现指数关系减小;随气压的增大呈现指数关系增大;随温度的升高呈现指数关系增大;在相同围压、气压、温度条件下,无烟煤、贫煤、肥煤四类煤扩散系数随着破坏程度的增加呈现先增大后减小的变化规律;相同破坏程度煤样随着变质程度增大呈现出先增大后减小的变化规律。④解吸法测定的无烟煤、贫煤、肥煤四类煤扩散系数随气压的增大呈现指数增大;随温度的升高呈线性关系增大;在相同的气压和温度条件下,无烟煤、贫煤、肥煤四类煤扩散系数随着破坏程度的增加而增大;相同破坏程度煤样随着变质程度增大而增大。这与气相色谱扩散法测定的构造煤扩散规律显著不同,反映了构造煤在不同地层条件下的瓦斯扩散规律。(4)分析了围压、温度、气压、煤质、煤体结构、微观孔裂隙结构等内外因素对瓦斯扩散规律的耦合影响及控制机理,构建了反映不同地层条件下的构造煤瓦斯扩散模型,并对新模型进行了验证和应用。①温度对不同地层状态下构造煤瓦斯扩散的影响基本一致,扩散系数均随着温度升高而增大,作用机理主要通过改变气体分子的均方根速度和平均自由程。②气压对构造煤扩散规律影响,宏观上均呈现扩散系数随气压升高而增大,但控制机理不同,分两种情况,一是当扩散煤样施加有围压影响时,受力学作用、吸附作用综合控制,其主控因素为有效应力作用;围压条件下构造煤扩散系数具有效应力负效应。二是当扩散煤样未施加围压影响,相当于卸压状态,气压主要改变吸附气体内外浓度差和气体分子均方根速度和平均自由程;卸压作用对煤样本身的微观孔隙结构也会产生重要影响,可能导致部分封闭、半封闭孔隙打开。③相同温压条件下,气相色谱法测定的扩散系数随着变质程度和破坏程度的增高呈现先增大后减小的变化规律,主要受微观孔隙结构和显微裂隙共同耦合控制。解吸法测定的构造煤扩散系数随着变质程度和破坏程度的增高而增大,主要受原始孔隙结构特征和原始微观结构受外界环境变化影响后再分布特征控制,其中微孔、细颈瓶孔、部分封闭孔起主导作用。由此可见,两种方法测定的扩散系数虽然都反映了构造煤的瓦斯扩散特性,但关键控制因素不同,各有特定的适用条件,两种方法测定的扩散系数不能简单替代使用。④依据影响构造煤瓦斯扩散规律的主控因素,选择不同的建模工具和原理,构建了反映不同地层条件下的构造煤瓦斯扩散模型:基于气相色谱法建立的构造煤瓦斯扩散耦合数学模型,可以实现对原始煤层条件下构造煤的瓦斯扩散系数预测与评价;基于解吸法的建立的构造煤分形-时效-Fick扩散模型,主要应用于瓦斯含量测定过程中损失量计算;新模型经理论和实践检验精度较高,满足生产要求。