我国煤层的强吸附、低孔隙和难润湿的特点,给我国煤层气/煤矿瓦斯抽采和粉尘治理带来了很大的困难。从安全、能源和环境三方面考虑,强化煤层气抽采的研究具有十分重要的现实意义。煤对气体的吸附主要受煤应力、孔裂隙结构和煤表面性质的影响,但已有工作主要集中在卸压方面,在改变煤的孔裂隙结构和煤表面性质,特别是对高变质无烟煤的相关研究鲜见报道。鉴此,本文对采自晋城无烟煤集团寺河煤矿无烟煤样进行了物理（温度）、化学和电化学改性的实验研究,通过对改性方法和改性前后煤特性变化的对比分析,取得了如下主要成果:（1）提出了基于力学测试确定变温条件下非均质煤岩材料表面能的方法,并进行了不同温度条件下无烟煤中半亮煤、半暗煤和炭质泥岩样表面能的测试与分析。结果表明,随温度升高煤样的表面能呈线性规律降低,且测试结果的离散系数随温度升高呈指数规律增大;表面能受试样的宏观煤岩类型、煤岩组分和试样的表面粗糙度的影响,炭质泥岩试样的表面能最大,其次为半暗煤和半亮煤,且表面能随试样表面粗糙度的增大呈负指数规律降低;温度对表面能影响的机理是煤岩分子的热运动和热膨胀的结果,不同煤岩成分对温度响应的差异性导致了试样表面能的离散系数随温度升高呈指数规律增大;本文提出的基于力学测试确定固体表面能的方法,弥补了采用光学方法只能获得测试点的静态接触角和表面能,难以准确评价非均质固体材料块体试样整体接触角和表面能,使得测试结果存在偏差较大,且测试过程中不易调节和维持温度的缺陷,为非均质多孔固体材料表面能的确定与评价提供了一种简单而准确的方法。本文所得出的煤表面能及其随温度和煤岩成分的变化和所揭示的机理,为增温强化煤层气抽采提供了理论依据。（2）在对添加剂溶液对煤表面作用机理研究的基础上,选用无机电解质硫酸钠和阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）对无烟煤样进行了化学改性研究。结果表明,化学作用改变了煤样的表面形貌,增大了煤的微孔隙直径,提高了煤的孔隙率;使煤表面基团发生了变化,硫酸钠溶液和SDS溶液改性使煤中的Si-OH键增多,煤中的C=C和脂肪烃含量降低,煤基本结构单元中的桥键和芳香烃发生断,在煤表面形成新的含氧官能团,导致煤表面亲水性增强;改变了煤表面的Zeta电位、动态接触角和表面能,且随着温度的升高,两种溶液改性煤样的表面Zeta电位均呈指数规律正向增大,动态接触角均呈线性规律降低,表面能呈二次多项式规律先增大后降低;随着浓度的增大,硫酸钠溶液和SDS溶液使煤表面的Zeta电位分别呈指数规律正向增大和指数规律负向减小,动态接触角均呈指数规律降低,表面能均呈指数规律增大;改变了煤粉在水中的沉降速度,硫酸钠溶液促进了煤粉在水中的沉降,且随改性液浓度的增大,煤粉沉降速度呈指数规律上升,SDS溶液则有阻止煤粉在水中沉降的作用,且随改性溶液浓度的增大,沉降速度呈负指数规律下降。也改变了煤粉在水中的溶胀度,硫酸钠溶液促进了煤粉在水中的溶胀,且随改性溶液的浓度增大,煤粉的溶胀度呈指数规律上升,而SDS溶液则抑制了煤粉在水中的溶胀,且随改性液浓度的增大,煤粉的溶胀度呈负指数规律下降,但煤粉的溶胀度随两种改性液温度的上升均呈线性规律增大;揭示的机理为:改性溶液分子与煤分子间的作用力大于液体分子间的作用力,润湿热改变了煤样表面微小颗粒的形貌,另外,煤中的黏土矿物遇水膨胀,使煤样表面形貌发生改变;SDS溶液改性增强了煤样表面的负电性,使其Zeta电位降低,系统的稳定性增强,煤粉沉降速度下降,而硫酸钠溶液则具有相反的效果,增大了煤表面的正电性,使煤表面Zeta电位变大,系统聚合能力增强,煤粉沉降速度增大;经硫酸钠改性煤样表面含有硬酸Na⁺和硬碱SO₄^2-,二者都不易被极化,对煤显示较强的电荷作用,促进煤的溶胀,而经SDS溶液改性的煤样,表面包覆有SDS分子,其在水中亲水基与水分子紧密结合,疏水基则指向煤表面,水分子逐渐被排出,在重力和压力的共同作用下,煤颗粒之间的空隙逐渐缩小,导致溶胀度降低。（3）基于电化学氧化还原及电渗电泳电动原理,自行搭建了电化学改性煤样的实验装置,对圆柱状、块状和粉状煤样进行了改性实验。结果表明:电化学作用改变了煤样的表面形貌,并且阴极区域效果优于阳极区域、SDS电解液效果好于硫酸钠溶液;改变了煤的孔隙结构,SDS电解液优于硫酸钠电解液,可将孔径为2.9μm的孔隙的平均孔径和孔隙率分别提高54.93%和119.4%。电化学作用改变了煤表面基团,使煤表面芳烃和脂肪烃含量减少,含氧官能团增多,且随着电位梯度和电解液浓度的增大,煤表面的氧化作用加强,会产生新的含氧官能团。改变了煤表面Zeta电位,随着电解液浓度的增大,硫酸钠电解液阴、阳极区域煤表面Zeta电位均呈指数规律正向增大,SDS电解液阴、阳极区域煤表面Zeta电位均呈指数规律负向减小;随着电位梯度的增大,两种电解液阳极区域煤表面Zeta电位均呈线性规律正向增大,阴极区域煤表面Zeta电位均呈线性规律负向降低;也改变了煤-水动态接触角和煤表面能,随着电位梯度和电解液浓度增大,煤-水动态接触角呈指数规律增大,而随电位梯度的增大煤表面能呈指数规律降低,随电解液浓度增大煤表面能呈指数规律下降,SDS的改性效果优于硫酸钠。揭示的机理为:在电化学作用过程中,阳极发生氧化反应生成H⁺,使阳极区域电解液呈酸性;阴极发生还原反应生成OH^-,使阴极区域电解液显碱性。酸化对煤孔裂隙中的黏土矿物产生溶蚀,增加煤的孔隙率,碱化则导致煤中黏土矿物聚合体的分散,在电泳作用下脱离煤体向阳极运移,电解液则向阴极富集,与带电固体颗粒发生电极反应,从而增大了煤中的孔裂隙数量;另外,硫酸钠电解液具较高的导电率,对煤基质产生电加热,SDS电解液具较低的表面张力,对煤的润湿性强,两种溶液以不同的方式对煤具有不同的改性作用。（4）对改性煤样的瓦斯吸附、解吸、吸水和冲击产尘粒径分布进行了实验测定。结果表明,电化学改性降低了煤样的吸附能力,SDS电解液阳极区域煤样和阴极区域煤样的最大吸附量分别降低了36.15%和22.31%,硫酸钠阳极区域煤样的最大吸附量降低了48.63%,而硫酸钠阴极区域煤样则无明显变化;电化学作用有效提高了解吸平衡时瓦斯气体的最终解吸率;SDS溶液具有提高煤样吸水性的作用,浸泡改性煤样、电化学阳极煤样和阴极煤样的饱和吸水率增长率分别为15.43%、20.11%、23.01%;硫酸钠溶液则具有降低煤的吸水性作用,硫酸钠浸泡煤样、硫电化学阳极煤样和阴极煤样的饱和含水率减少率分别为16.81%、14.05%、11.97%。自然煤样和改性煤样受冲击破碎产尘的粒径-质量分布符合分形规律。改性作用后,干燥煤样的分形维数增大,饱水煤样的分形维数减小,改变了煤粉的粒度分布。