本文的研究工作依托于“十三五”国家重点研发计划（2016YFC0801408）和国家自然科学基金重点项目（51634001）。我国冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害严重,其可靠监测预警是进行有效防治的重要手段。电磁辐射技术可实现对煤岩变形破裂的非接触连续监测,已在煤岩动力灾害矿井广泛应用。然而,煤岩电磁辐射机理不清,导致该技术应用的可靠性有待提高。基于此,本文紧紧围绕煤表面微结构特征和电磁辐射机理,从煤的表面物理化学结构入手,采用实验测试、理论分析和模型研究等方法,研究不同变质程度煤表面弱电性特征及其影响因素;分析煤表面基团极性特征及其潜在带电性,确定电磁辐射的微结构基础;建立微结构与煤表面电性之间的量化关系,深入探讨煤表面电荷产生机理;建立煤岩变形破裂的电磁辐射模型,揭示电磁辐射机理,以期为煤岩动力灾害的防治及监测预警提供一定的参考。本文得到的主要成果如下:（1）实验研究了不同煤样表面物理微结构特征,发现不同煤样的孔结构参数显著不同,与煤变质程度密切相关;在变质程度由低到高的过程中,煤表面孔隙裂隙的变化趋势为:大裂隙——小裂缝+孔隙簇——微裂纹+微孔隙。分形维数能有效表征煤体表面结构的复杂程度,随煤变质程度的升高,分形维数总体呈现出先减小后增大的U型曲线,说明煤表面物理微结构经历了由复杂到相对简单再到复杂的过程。（2）分析了煤表面化学微结构特征及其分布规律,研究得到了煤表面微结构的统计分析方法。结果表明,不同煤样的芳香结构参数显然不同,随反射率的增大,芳碳率的变化是非线性的,呈现出阶段性演化特征,但总体呈单调递增趋势。煤化作用对脂肪结构参数有重要影响,随煤镜质组反射率增大,A（CH₃）/A（CH₂）呈现先减小后增大的反抛物线形曲线,随煤变质作用的增加,甲基类侧链在逐渐减少、亚甲基类直链在增多;在镜质组反射率R_o=1.3%附近,甲基含量达到最低点;随煤化作用的增强,甲基含量又有增大趋势。综合煤的傅里叶红外光谱和拉曼光谱特征来看,不同变质程度煤表面化学微结构参数及表面基团均体现出了阶段性分布的特点。在低阶煤阶段（0.5%<R_o<1.3%）,煤分子结构缺陷较大,含有大量的C-O、OH等含氧官能团;在中阶煤阶段（1.3%<R_o<2.0%）,煤中含氧官能团大量脱落并减少,芳香碳原子比例相对增加,芳香环增大,芳香C=C基团含量急剧升高,峰位差（G-D₁）也迅速增大。至高阶煤阶段（2.0%<R_o<4.0%）,煤的芳香环缩合作用进一步加强,形成更为规整的芳香结构体系。（3）基于原子力显微镜,通过简化计算提出了煤表面电荷密度估算方法;分析了煤表面电性特征,发现所有煤样的表面电势大体呈标准正态分布,表面电势的均值在数十μV量级。煤样表面电荷密度在58.98μC/m²³12.97μC/m²之间变化,随煤变质程度的升高,表面电荷密度呈现出先减小后增大的非线性变化。煤表面在纳米尺度下既有正电势区域,又有负电势区域,显示出了一定的电性特征,但在微米尺度下（5μm×5μm）,整体呈负电性,而且电性较微弱或不显电性。由此可以推断,煤表面在细观或宏观统计层面上显弱电性或电中性,但在纳米尺度下对外显示一定的电性特征。（4）相位差能够反映煤表面电荷的强弱,从各煤样表面相位分布情况来看,在没有外电场作用的条件下,煤表面电性极微弱,甚至呈电中性;而当针尖施加电压时,由于外加电场的作用,一方面,煤样内部的自由电荷（电子）、束缚电荷（离子）会向煤样表面发生定向移动,致使煤表面出现一定的感应电荷,从而增强了煤表面电性;另一方面,在外电场的作用下,煤样表面部分基团易被极化,使得煤表面大分子基团的正负电荷中心不重合,进而对外显示一定的电性。（5）对煤表面弱电性的影响因素进行了研究;结果表明,煤表面电势均值与电荷密度随微孔比表面积的增加呈上升趋势,与中孔比表面也呈正相关关系,而大孔数量的增多削弱了煤表面电性。在化学微结构影响方面,煤表面负电性随C=C基团的增加而呈线性增加趋势,随羟基（OH）和C-O基团含量的升高而减少;C=O基团含量的增加也能增强煤表面负电性。在煤化作用过程中,煤大分子内部的芳香片层增大,自由电子的活动空间扩大,在一定范围内可能会发生电子转移,导致煤导电率增加,表面电性增强。（6）对煤表面电性进行了分子模拟,并计算煤分子表面静电势。从模拟结果来看,煤分子表面正负静电势分布关于零电势点对称,静电势分布整体上符合正态分布,即正负电势加和后基本为零,这说明煤分子表面在纳米尺度下显示出一定的电性,但在统计层面上呈弱电性,甚至不显电性。这也正好验证了第三章中煤表面电性的实验测试结果。在煤变质程度由低到高的过程中,煤化作用使得煤中的芳碳率不断升高,杂质减少,煤大分子结构逐步向有序化方向发展。在此过程中,煤中的芳香环也会增大,相应的煤大分子内部的芳香片层也会增加,而分子内部的π轨道是彼此相连的,使得煤表面自由电子的活动范围扩大,而且在一定范围内可能会发生转移,导致煤导电率增加,表面电性增强。特别是从烟煤过渡到无烟煤阶段,煤的芳香结构急剧增大,煤导电率迅速增加,而电阻率迅速减小,煤表面自由电荷增多,自由电子导电大幅增强,探测到的表面电性参数增幅也就越大。（7）煤表面极性基团主要有羟基（-OH）、C-O基团以及羰基（C=O）等,这些基团由于正负电荷中心不重合而对外显示出一定电性,同时也作为电偶极子存在于煤表面。深入探讨了煤表面电荷产生机理,认为煤表面基团电负性、双电层的存在、煤中位错/晶界电势以及煤表面空间电荷效应是煤表面电荷产生的主要原因;建立了煤表面微结构与表面电性之间的量化关系,研究发现基团电负性的增加能够显著增强煤表面负电势。（8）研究了不同孔隙尺度下的煤表面电场强度及瞬时电磁辐射能量,经估算,煤表面微孔、中孔、大孔壁面间的电场强度最高分别可达10⁷ V/m、10⁶ V/m、10⁵ V/m量级;瞬时电磁辐射能量在0.48×10^-12 J⁴8.7×10^-12 J范围内变化。煤岩表面本身分布的静电荷及加载破坏过程中产生的自由电荷共同构成了电磁辐射的电荷来源。建立了煤岩破坏电磁辐射模型,揭示了电磁辐射机理,认为带电裂隙壁面振动和裂纹扩展电偶极子变形是煤岩破坏电磁辐射产生的主要原因。研究成果对揭示电磁辐射机理,提高煤岩动力灾害电磁辐射监测预警的可靠性具有重要的理论和实际意义。