本文通过对我国主要含煤盆地(准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地和沁水盆地)的52个煤矿的煤岩样品,开展了煤岩组分和孔渗测试、低温氮气吸/脱附和压汞实验以及场发射扫描电镜(FESEM)分析等实验工作,同时实施了煤样聚焦离子束-场发射扫描电镜(FIB-SEM)纳米孔三维定量表征实验,X射线微米CT(μ-CT)孔裂隙三维定量表征实验和煤岩热重-质谱结合扫描电镜(SEM)分析等开创性实验以及相应的数值模拟工作。研究了不同煤级煤储层多尺度孔裂隙的演化规律和非均质性特征,构建了多尺度孔隙约束下的煤层气多孔扩散模型,分析了孔裂隙非均质性与渗透率的耦合关系,以及古交区块煤储层含气性和控气模式。主要成果和认识如下:(1)综合利用多种方法定量表征并阐明了不同煤级煤储层吸附孔(<100 nm)、渗流孔(>100 nm)以及微裂隙的形态、大小和孔径分布等发育特征和形成机理,同时利用FIB-SEM和μ-CT技术对不同尺度孔裂隙的三维空间发育特征进行了分析,构建了煤储层多尺度孔裂隙系统的二维-三维定量表征技术体系。(2)引入不同的分形数学模型,阐明了孔裂隙形态非均质性、吸附孔和渗流孔的孔隙结构非均质性特征,揭示了孔裂隙非均质性主要受煤变质程度、显微组分、煤质成分以及孔裂隙结构等多因素的控制。(3)揭示了煤层气在复杂的孔隙结构约束下呈现初期快速扩散、过渡性扩散和后期慢速扩散的特征,并建立了适用于复杂孔隙结构煤储层的多孔扩散模型,阐明了水分和压力对不同阶段煤层气扩散能力的影响。(4)基于渗流孔分形维数和孔隙度,构建了渗流孔非均质性与渗透率变化的耦合模型,结果显示渗流孔隙渗透率要远小于割理/裂隙渗透率。阐明了煤变质程度和孔隙结构对渗流孔隙渗透率的影响,即渗透率与煤变质程度呈指数负相关关系,与渗流孔孔体积和中-大孔比例呈正相关关系。(5)揭示了古交区块煤储层含气性的主控地质因素和“构造-水动力-埋深-顶板封盖性”的综合控气模式,揭示了多孔扩散模型的在煤层气现场解吸中的适用性,阐明了古交区块煤层气解吸-扩散特征及主控地质因素。