煤层中的瓦斯在浓度差作用下发生基质孔隙内扩散和裂隙内渗流的串联运动是煤层瓦斯运移的基本过程,对煤层瓦斯扩散和渗透运移特性的准确预测是瓦斯高效抽采和利用的前提。煤层中瓦斯的扩散是原位条件下煤体瓦斯扩散的过程,煤体瓦斯扩散特性的研究需要知道煤体基质与裂隙的空间结构关系,即需要建立在一定的煤体物理结构模型上才能确定基质内瓦斯与裂隙内瓦斯的质量交换。对于构造煤目前尚未针对合适的基质重塑煤体建立其等效物理结构模型,没有获得表征基质与裂隙结构关系的基质形状因子;此外,采用煤粒进行瓦斯扩散的研究并不能反映煤体瓦斯扩散特性。针对煤体等效物理结构和瓦斯扩散特性研究的不足,本文运用吸附科学、颗粒力学、岩石力学、渗流力学和扩散动力学等理论方法,对构造煤进行基质重塑形成合适的试样,结合煤粒力学特性和煤样瓦斯渗透特性构建煤体的等效物理结构模型,基于等效物理结构模型研究煤体瓦斯扩散系数演化特性,并构建煤体基质形状因子,最后分析瓦斯耦合运移机制并提出优化原生煤和构造煤组合条件下瓦斯抽采效果和提高瓦斯抽采浓度与利用率的技术措施,主要研究结论如下:1)孔隙结构是影响煤体瓦斯扩散特性的关键因素,根据压汞法、氮气吸附法和二氧化碳吸附法孔隙特性测试结果,发现构造作用对煤的中、大孔的改造较为明显,使其孔容增加为原生状态下的10倍左右;构造作用使煤体33.2nm以下的孔隙体积和比表面积增大,但影响程度并没有对煤体中、大孔的影响明显;构造作用对0.55nm以下极微小孔隙的影响可以忽略,受构造作用的影响,煤体0.55–1.5nm的孔隙体积减小;综合孔隙特性分析发现构造作用使煤体的总孔容大大增加,主要归因于中孔和大孔孔容的增大。2)原生煤和构造煤颗粒的有效弹性模量及抗压强度均体现出随粒径减小而增大的尺度效应,在粒径范围0.2–4.0mm内,原生煤与构造煤颗粒有效弹性模量的比值从2.72增大至4.57,两者抗压强度的比值从2.86增大至6.35;原生煤试样静水压加载至有效应力25MPa并卸载后渗透率仅能恢复到初始条件的6.96%,而构造煤试样经历同样路径的加卸载后渗透率恢复到初始条件的40.5%。3)结合煤粒力学特性和煤体瓦斯渗透特性,考虑裂隙开度、粗糙度和接触面积,以单裂隙的情况分析原生煤的裂隙结构发现基质岩桥的面积仅为裂隙面积的5.01%,而构造煤基质接触面积占单裂隙总面积的41.4%,远大于原生煤;对于一组、两组和三组裂隙的情况,原生煤的等效物理结构模型分别为平行板模型、火柴杆模型和立方体模型,而构造煤的等效物理结构模型为一维立方柱模型、二维立方柱模型和三维立方柱模型。4)煤体瓦斯扩散是浓度变化缓慢的拟稳态过程,甲烷脱附能力系数接近于1,与脱附能力系数远大于1的煤粒瓦斯的瞬态扩散过程差异明显;对于原生煤,煤体瓦斯扩散系数是煤粒瓦斯扩散系数的6.1–30.1倍,而对于构造煤,煤体瓦斯扩散系数是煤粒瓦斯扩散系数的14.4–83.0倍,瓦斯抽采的工程情况更接近于煤体瓦斯的拟稳态运移过程,应采用煤体瓦斯扩散系数;通过颗粒法和煤体互扩散法获得的构造煤瓦斯扩散系数均大于原生煤,主要原因在于构造煤的孔隙度更大,孔径主要分布在中孔和大孔,孔隙中发生Bulk扩散的比例更大;煤体互扩散法获得的扩散系数随瓦斯压力的增大明显降低,在测试瓦斯压力范围内原生煤和构造煤分别减小了85.9%和76.6%。5)结合构建的煤体等效物理结构模型,并基于煤基质瓦斯浓度抛物线形分布假设,计算获得对于一、二、三维扩散,原生煤基质形状因子分别为212/ma、232/ma和260/ma,构造煤基质形状因子分别为396/5f mb a、3960/23f mb a和3480/7f mb a。6)采用煤粒测定的扩散参数代替煤体会在一段时间内高估瓦斯抽采量;扩散过程给瓦斯从煤基质流入裂隙提供了一定的阻力,相当于一层膜阻止着基质瓦斯与裂隙瓦斯的质量交换,随抽采时间增加,抽采出同样质量的瓦斯中更多的瓦斯需要经历扩散过程并克服扩散的阻力;相同初始渗透率条件下构造煤的瓦斯抽采难度较原生煤大,构造煤分层居中的组合煤层条件下钻孔施工于煤层中部的瓦斯抽采难度较单一煤层条件更大,瓦斯灾害的危险性也更大;考虑扩散和渗透作用的变化,随瓦斯抽采时间增加,负压的作用不断减弱,对瓦斯流动的贡献不断减小,引起漏风相对严重,抽采的后期应该降低抽采负压以减少漏风,煤矿可以对抽采钻孔进行“分组并联”,通过抽采支管上的阀门即可同时调整多个钻孔抽采负压,实现提高瓦斯浓度及资源化利用的目的。