煤层气开采是解决能源供需矛盾和煤炭开采走向绿色清洁高效之路的必然选择,也是降低或消除煤矿瓦斯事故、减少煤矿温室气体排放的科学抉择。对地面煤层气开采技术及煤层气运移机理进行深入研究,对提升矿井瓦斯灾害防治水平、提高煤层气开采和利用效率具有重要的现实意义。本文基于岩石力学、扩散动力学、渗流力学及技术经济学等理论,采用多种方法揭示了沁水盆地南部3号煤储层的多尺度孔隙结构特征,开展了煤的瓦斯解吸和扩散特性实验;以煤基质表征单元体概念为基础,根据弹性力学本构方程及几何方程、平衡方程建立含瓦斯煤变形控制方程,结合渗流、扩散等理论构建了基于双重孔隙介质煤体的煤层气开采流固耦合模型和渗透率模型,优化得到了多分支井最佳的井型结构参数。得到如下主要结论:基于煤基质微观裂隙结构特性,考虑有效应力和吸附应力等因素对煤层渗透率动态响应特征的基础上,构建了多分支井煤层气开采的流固耦合模型和渗透率模型,在验证模型有效性的基础上,对Langmuir常数、煤层渗透率及煤层孔隙压力等影响多分支井产气量的模型参数进行了敏感性定量分析。结果表明,煤层Langmuir常数越大、孔隙压力越大及渗透率越大,多分支井开采煤层气的产气量越大,开采效果越好。制定了主支和分支长度、分支夹角、分支数量及井筒为对称或非对称结构等多因素优选的正交实验方案,对影响多分支井产气量的关键参数进行了煤层气开采效果的模拟考察及产气量定量计算分析,定义了以1500d生产时间每米井筒产气量作为多分支井的综合评价指标,模拟比对得出了产气效果最佳的对称结构多分支井结构参数。按照对称构造非对称井型,以每米井筒日产气量、每米井筒日产气量差值及每米井筒日产气累积量差值为考察指标,确定了非对称井型为最优的多分支井布置方式。结果表明,以分支夹角90°、分支数量为4个、分支长度和间距均为200m时的非对称结构时,多分支井可实现相同施工成本条件下产气量最高及经济效益最佳的煤层气开采效果。定量化分析了影响多分支井产能关键参数在不同组合条件下的煤层气开采效果,揭示了不同井型结构参数组成对煤层气产能影响、煤层含气量、煤层孔隙压力及采收率的动态变化规律。运用工程类比方法将储层改造水平井类比为对称最优多分支井,借助工程经济学理论,采用财务净现值、内部收益率及投资回收期等指标对优化前后的两种多分支井进行了生产周期达15年的综合产气量和经济效益对比分析。采用单因素分析法确定了销售价格及产气量是影响类比井型综合经济效益最大的两个敏感指标。结果表明,类比井型的内部收益率13.59%高于行业基准收益率8%,也远高于未优化多分支井的5.23%,类比井型的投资回收期比未优化的多分支井投资回收期缩短了3.02年时间,经济对比分析结果一定程度上验证了优化后的多分支井在煤层气开采及经济效益上更具优势,也进一步证明了井型结构优化数值模拟的可靠性。本论文共有图104幅,表30个,参考文献252篇。