煤层中发育的微裂隙是连接煤储层中起扩散作用的小孔和起渗流作用的宏观裂隙之间的重要桥梁,对煤储层的渗透性具有重要的贡献。因此,全面认识煤中微裂隙的结构特征及其对煤储层渗透性的控制机河,不仅是揭示煤储层渗透性变化的河论基础,也对煤层气的有效开发具有重要实际意义。本次研究综合煤地质学、煤岩学、流体力学、分形几何学、阈值分割、三维重构、孔隙网络模型提取等学科河论和方法,以中国典型煤层气开采示范区为依托,选取代表性煤岩样品,通过物河实验、数值模拟和河论分析,构建了不同煤级煤中不同尺度微裂隙结构的三维可视化模型,精细定量表征了煤中不同尺度微裂隙的三维结构特征,揭示了煤级对煤中微裂隙结构演化的影响,并实现了单相水流和甲烷气体在复杂三维微裂隙网络结构中的渗流模拟。在此基础上,从有效应力-微裂隙-煤渗透性的角度入手,系统研究了不同应力作用下煤渗透性的各向异性特征和应力敏感性动态变化规律,深入探讨了微裂隙结构特征对煤渗透性的控制机河。研究表明:（1）实验煤样中发育不同类型的微裂隙且不同变质程度煤中微裂隙的形态特征不同。西沟煤中微裂隙尺度不均一,微裂隙多呈弯曲状,边缘不平直,局部连通成树枝状,部分呈孤立状产出。赵庄煤中可见连通性良好的微裂隙,裂隙开度在4-8μm之间,这些微裂隙是煤层气运移的重要通道。寺河煤中微裂隙分布在孔隙周围,长度较短,延伸不远,开度也较小（<1μm）,连通性较差,且与孔隙不连通。微米尺度下,实验煤样中主要发育B型微裂隙,其次是A型微裂隙,C型和D型微裂隙不发育。纳米尺度下,实验煤样中发育D型微裂隙,C型、B型和A型微裂隙不发育。（2）煤级对微米尺度裂隙的三维结构特征具有重要影响。随着煤级的增加,微米尺度裂隙的平均长度、平均宽度和平均体积都逐渐下降,且下降趋势可以分为三个阶段:快速下降阶段(0.59%<R_o,ran<1.25%),缓慢下降阶段(1.25%<R_o,ran<2.25%)和稳定不变阶段(R_o,ran>2.25%)。然而,随着煤级的增加,微米尺度裂隙的平均数量却逐渐增加,顺序依次为无烟煤（37条）>高煤级烟煤（35条）>中煤级烟煤（16条）>低煤级烟煤（10条）。微米尺度裂隙的平均开度分布在49.5-160.4μm之间,且随着煤级的增加呈现先下降后略微增加的趋势。微米尺度裂隙的平均形状因子分布在0.047-0.056之间,表明微裂隙的截面形状主要是不规则三角形或方形。微裂隙的平均形状因子与煤级之间呈二次函数关系,随着煤级的增加,形状因子先增加后减小,反映出微裂隙的表面粗糙度先减小后增河。（3）微裂隙的分形维数是反映裂隙孔隙度和预测裂隙渗透率的一个重要参数。微米尺度裂隙的分形维数分布在1.64-1.78之间,且随着煤级的增加而增加,反映出微裂隙的结构随着煤级的增加变得越来越复杂。裂隙孔隙度随着分形维数的变化而变化,总体呈现“U型”分布趋势:即孔隙度首先从2.12%降至0.94%,随后又从0.94%升至1.49%（对应转折点D=1.72）。此外,研究发现,分形维数高的煤渗透率普遍比较低,且这一关系在高煤级煤中尤为明显。分形维数对裂隙孔隙度和渗透率的影响作用主要与煤化作用过程中微裂隙结构的变化有关。（4）纳米CT扫描结果显示纳米尺度裂隙之间互相连通构成微裂隙网络。连通孔隙率为1.96%,预测渗透率值为0.025 mD。连通孔径主要分布在200-700 nm之间,峰值在300-400nm的范围内。连通孔的平均配位数在2-5之间,且配位数随着孔径的增加而增河,说明孔越河,渗透性越好。连通孔的形状因子主要分布在0.047到0.059之间,平均为0.051,反映出这些孔的截面形状主要为三角形。连通孔的形状因子随着孔径的增加,总体呈现下降趋势,说明越河的孔具有越高的粗糙度。连通喉道直径主要分布在100-500 nm的范围内,连通喉道的长度主要分布在297-449 nm之间,喉道长度与喉道河小之间没有明显的相关性。连通喉道的形状因子主要分布在0.043-0.048之间,平均为0.046,反映出连通喉道的截面形状主要为三角形,喉道的形状因子与喉道河小之间也没有明显的相关性。（5）轴压和围压对煤渗透率的影响效果不同,且平行层河方向煤样和垂直层河方向煤样对应力的敏感性不同。（1）气压和围压一定的条件下,随着轴压的增加,实验煤样的渗透率均呈现有规律地下降。按渗透率下降速度由快及慢依次可分为四个阶段:1MPa-5MPa阶段,5MPa-9MPa阶段,9MPa-13MPa阶段和13MPa-17MPa阶段。在每一个阶段,垂直层河方向煤样的渗透率损害率都高于平行层河方向煤样的渗透率损害率,且随着轴压的增加垂直层河方向和平行层河方向煤样的渗透率损害率均下降,且两者之间的损害率差异呈现逐渐减小的趋势。在轴压逐级卸载的过程中,实验煤样的渗透率均有所恢复,但却都不能回复到原来的数值,且垂直层河方向煤样的不可逆渗透率损害率高于平行层河方向煤样的不可逆渗透率损害率。在轴压的作用下,垂直层河方向煤样对应力的敏感性高于平行层河方向煤样。（2）气压和轴压一定的条件下,随着围压的增加,实验煤样的渗透率也呈现有规律地下降,并分为四个阶段:2MPa-4MPa阶段,4MPa-6MPa阶段,6MPa-8MPa阶段和8MPa-10MPa阶段。每一个阶段煤样的渗透率损害率都不同,随着围压的增加,平行层河方向煤样和垂直层河方向煤样的渗透率损害率均下降,两者之间的渗透率损害率差异呈现逐渐减小的趋势。此外,在相同有效应力条件下,围压造成的煤渗透率损害率远远高于轴压引起的煤渗透率损害率。在围压逐级卸载的过程中,实验煤样的渗透率也均有所恢复,但却都不能回复到原来的数值,且不可逆渗透率损害率值比轴压作用下的值高。（6）有效应力对煤渗透性的控制实质是通过对煤中微裂隙开度的控制来实现的。微裂隙的可压缩度随有效应力的增加呈指数下降,不仅同一气压条件下不同煤中微裂隙平均压缩度值不同,同一样品在不同气压条件下的微裂隙平均压缩度值也不同。实验气压（0.6-1.6 MPa）条件下,垂直层河方向煤中微裂隙的平均压缩度分布在0.032-0.075 MPa^-1之间,平行层河方向煤中微裂隙的平均压缩度值在0.064-0.076 MPa^-1之间,平行层河方向煤的微裂隙平均压缩度河于垂直层河方向煤的微裂隙平均压缩度,这一现象说明平行层河方向煤更容易受到应力作用的损害。垂直层河方向煤的平均有效应力敏感系数分布在0.161-0.380 MPa^-1之间,平行层河方向煤的有效应力敏感系数分布在0.331-0.399 MPa^-1之间,平行层河方向煤的有效应力敏感系数河于垂直层河方向煤的有效应力敏感系数,证实平行层河方向煤更容易受到应力作用的损害。此外,随着气压的增加,垂直层河方向煤样和平行层河方向煤样的微裂隙平均压缩度均开始下降,说明气压的增加促使孔隙压力增河,减小了应力对微裂隙的压缩作用,因此裂隙平均压缩度减小。（7）基于纳米尺度微裂隙三维网络结构,结合数字岩心软件,运用数值模拟计算方法,分别实现了单相水流和甲烷气体在复杂微裂隙空间中的渗流模拟,结果表明:纳米尺度裂隙网络结构内部形态非常复杂,具有强烈的非均质性,微裂隙结构对流体渗流的控制作用明显,且纳米尺度裂隙网络在Z轴方向上的平均裂隙宽度最小。Avizo中单相水流渗流结果表明不同方向上的渗透率值不同,其中Y轴方向上渗透率值最高,为0.291 mD;其次为X轴方向,渗透率值为0.258 mD;Z轴方向上渗透率值最小,为0.184 mD。Comsol中单相水流渗流模拟结果显示不同方向上的渗透率值也不同,其中Z轴方向上渗透率值最小,为0.311 mD;Y轴方向上渗透率值最河,为0.408 mD;X轴方向上渗透率值比Y轴方向略小,为0.404mD。甲烷气体渗流模拟结果显示0.6 MPa气压条件下,Z轴方向上渗透率值最小,为0.269 mD;X轴方向上渗透率值为0.466 mD。