煤层瓦斯抽采对矿井灾害防控、清洁资源回收和减碳绿色生产意义显著,我国难抽煤层分布广泛,煤层瓦斯抽采浓度波动大、衰减快、效率低,严重制约了煤、气资源的安全高效开发。平顶山矿区为我国典型的低透难抽矿区,矿区难抽煤层经历的复杂的地质演化,孔隙结构异常复杂,煤层往往含有高饱和、高压瓦斯,且渗透性极差,形成了显著的“高储低孔低渗”储层特性。煤层孔隙结构是影响瓦斯藏储和运移（储运）特性的关键因素,特别对低孔低渗储层,复杂孔隙结构可能是造成钻孔流量衰减快、抽采困难的主要原因。本文采用理论分析、物理实验和数值模拟多手段相结合的方式深入探究了平顶山矿区难抽煤层微观孔隙结构演化特性及对瓦斯储运的影响,以期深刻揭示难抽煤层瓦斯储运的微观机制,为破解难抽煤层瓦斯抽难题提供新认识,研究取得主要成果如下:（1）从化学官能团和孔隙结构演化角度探究了第二煤化跃变点（Ro=1.3%）附近平顶山矿区难抽煤层的瓦斯生储机制。研究发现第Ⅱ煤化阶段（Ro=0.6-1.3%）含氧官能团、脂肪烃含氢化学键大量减少,导致脂肪氢率Hal降低,脂肪侧链长度CLal急剧缩短和芳香度AR迅速增大,脱氢去氧反映愈发剧烈,烃类气体大量生成,跃变点附近难抽煤的生烃潜能降低明显,处在生烃高峰期。同时,跃变点附近难抽煤的脂肪结构孔大量消失,加之沥青质大量堵塞孔隙,导致孔容降低至整个煤化阶段的最低水平,同时,介、宏孔开放性差且极不发育导致剧烈生成的甲烷失去了运移通道在高应力下被大量封闭在微纳米孔隙甚至大孔、微裂隙内,造成高压瓦斯高饱和乃至超饱和赋存。（2）探究了煤大分子形态结构对微、介孔隙生成和演化的影响,揭示了平顶山矿区难抽煤层孔隙演化的微观机理。微晶结构单元（BSU）的延展度La和微孔孔容有显著线性正相关关系,随La增大,BSU内芳香层的层间空隙和BSUs错位排布形成的缺陷增多,导致微孔孔容增大;缺陷度R1和La/Lc（BSU延展度La与堆砌度Lc之比）对介孔孔容有显著影响,介孔发育程度与大尺寸BSUs和分子定向域生长、排布特征有关。第二次煤化跃变前,脂肪结构降解和沥青质阻塞作用主导孔隙演化,孔容随大分子结构缺陷的减少而迅速降低;跃变后,无序微晶结构演化（La增大）开始主导孔隙演化,BSUs的生长促使孔容发生转折性增大。构造作用通过促进BSUs生长和加剧无序性排布使得结构缺陷显著增加,孔隙因而更发育。（3）探究了煤化作用下全尺度孔径分布的演化特征,提出了基于NMR-Mn Cl2的煤体孔隙结构通达性评价和分类方法。研究发现:煤化作用会显著改变孔径分布,其中对介孔分布改造明显,第二次煤化跃变下,平顶山矿区难抽煤层介孔发育迅速变差且出现严重的孔径缺失,自由流体孔隙度和核磁渗透率均极低,分别仅为1.16%和10-4 m D水平。通过分析核磁T2谱对顺磁离子Mn2+扩散的响应规律反演获得了煤样孔隙结构通达特征,将煤中孔隙分为易达孔、较难达孔、难达孔和孤立孔4类,发现难抽煤内易达孔占比显著低于非难抽煤,而孤立孔占比远高于非难抽煤。平顶山矿区难抽煤孔隙平均尺度小,小于5μm的微纳米孔呈孤群式发育,少部分连通性孔隙呈带状集聚分布,整体结构连通性差。（4）构建了平顶山矿区难抽煤多尺度复杂孔裂隙网络的三维可视化模型,获得了微纳米孔隙拓扑空间结构特征及其对微尺度流动影响规律。基于卷积神经网络的深度学习方法,实现了煤体孔裂隙网络结构智能分割和精准提取。通过最大球算法建立了等效孔隙网络模型（PNM）,获得了孔隙拓扑结构定量参数。较非难抽煤,难抽煤孔隙最大连通基团规模极小,呈现出小尺度等效孔腔发育的特征,同时其孔腔配位数低,孔喉直径小、长度短且数量极少。FIB-SEM结果显示,难抽煤纳米级孔隙群呈现大尺度孔腔与小尺度孔喉网状连通、空间交联排布的配置关系,30 nm以下孔喉构成了气体扩散的主要通道。开展了基于PNM的微尺度流动模拟和微观结构流线场模拟,发现难抽煤纳米尺度等效结构流体压力梯度突变较为明显,流场线长度较短,流体在微结构内发生圈闭,小规模孔隙簇群、狭窄孔喉通道及低配位数孔腔是低效流动的主要原因。（5）基于微米CT系统搭建了气体运移可视化实验平台,实现了微观结构对气体扩散影响的可视化研究。非难抽煤和难抽煤均含有沿层理方向分布的暗黑色低透带,平顶山矿区难抽煤内低透带广泛分布占比42.24%,远大于非难抽煤的8.14%,低透带内Kr气由裂隙向周围基质的扩散极为缓慢,2-50 h内的平均速率仅为1.04μm/h;通过图像注册配准、灰度校正计算、阈值分割和三维体渲染等实现了Kr气在低透带内扩散过程可视化和归一化浓度分布的定量分析;此外难抽煤解吸速率缓慢,大量Kr气被困在低透区内微纳米孔群中运移困难;另外,低透区空间孔隙结构呈现显著的孤立分布特性,高透区则存在明显的大尺度孔腔;低透带含量、分布和其内微纳米孔隙连通性对气体扩散的影响显著。（6）揭示了平顶山矿区难抽煤层瓦斯储运特性,指明了难抽煤层强化瓦斯抽采的必要方式。高压瓦斯团聚式赋存、微纳米孔隙孤群式发育和孔径畸形化分布使得平顶山矿区难抽煤层呈现出高瓦斯、低透气、非均质和易突变的特质,钻孔瓦斯抽采因而呈现出瞬时爆发式涌出、短时突变式解吸和长时缓滞式流动的特点。最后针对难抽煤层低压瓦斯吸附量高和低透带等效基质尺度大的特征,提出采取深度卸压和强力增透的方式,促进低压瓦斯解吸、加速瓦斯扩散运移,进而实现高效抽采。本论文共有图121幅,表24个,参考文献215篇。