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我国煤层的低孔隙率、低渗透性和对甲烷的强吸附性严重制约了煤层气的高效开发。以储层调控为主的强化抽采方法已被众多学者研究。然而,常用的水力化方法及新兴的物、化、电、声方法虽已取得一些成效,但仍存在诸如水锁伤害加剧、操作复杂、效率低、生态环境不友好等缺陷。考虑微波辐射独特的瞬时性、强穿透性、选择性和可控性以及“热效应”和“非热效应”的特点,本文系统研究了微波循环作用对长焰煤（酸刺沟煤矿6上号煤）、焦煤（沙曲二矿5号煤）和无烟煤（寺河矿二号井15号煤）的孔裂隙结构、表面特性和分子结构的改变规律,揭示了煤结构特征和煤甲烷吸附性能的改变机理。论文的主要工作及取得的成果有:（1）采用低温氮气吸附和压汞法对微波循环作用前后三种煤样的微孔、小孔和大孔的孔容及比表面积进行了测定,并利用分形理论量化了微波循环作用与煤样孔裂隙结构变化的关联性。结果表明,随微波循环作用次数的增加,三种煤样的总孔容增大,总比表面积减小。并且具体表现为微孔孔容减小,小孔、大孔孔容增大;微孔、大孔比表面积减小,小孔比表面积增大。其机理为微波循环作用促进了孔裂隙的发育、扩展和连通,使部分微孔扩大为小孔,小孔增多,大孔连通性增强。结合显微CT和可视化三维重构技术构建了微波循环作用前后煤样的孔裂隙网络模型,定量分析了微波循环作用对煤样的微米孔裂隙形态特征与连通性的影响机理为微波循环作用使连通孔的等效孔隙数量增多、体积增大,并使等效喉道数量增多、半径增大。煤中孔裂隙分布的非均质性均符合分形特征,微孔、小孔和孔径50 nm～20μm的大孔孔径分布的不规则度减小,孔径大于20μm的大孔孔径分布的不规则度增大,微米孔裂隙分布的密度增大。（2）采用高压气体吸附解吸速度分析仪、傅里叶变换红外光谱仪和接触角测量仪测试表征了微波循环作用对三种煤样的甲烷吸附量、甲烷解吸率、甲烷扩散系数以及煤表面基团、微观结构参数和表面能量的改变规律。结果表明,随微波循环作用次数的增加,三种煤样甲烷饱和吸附量都以指数规律减小,甲烷解吸率及甲烷扩散系数都以对数规律增大。微波循环作用破坏了煤的自缔合氢键,使含氧官能团减少,一些烷烃侧链如甲基和亚甲基断裂脱落并以气体的形式释放,一些矿物分解,芳碳率、芳香度和芳环缩聚度增大,烷烃侧链长度及分支度减小。煤甲烷吸附性能受孔隙和表面共同影响,微波循环作用对低阶煤的作用效果明显高于中高阶煤。原因在于低阶煤的烷烃侧链及含氧官能团较多、束缚水和结合水含量较高,对微波的响应最为显著,使其微孔减幅最大,表面能量降低程度最高。（3）采用元素分析、13C NMR、XPS和XRD测试表征了三种自然煤样和微波循环作用后煤样的原子个数比、分子骨架碳结构、杂原子存在形式和芳香层片微晶参数。结果表明,微波循环作用使三种煤样氧、氢含量降低,芳香桥碳与周碳比升高,芳香层片面网间距减小,堆砌厚度、延展度和平均堆砌层数增大。具体表现为长焰煤大分子结构增加1个蒽环,减少1个萘环、3个羧基和1个羟基;焦煤大分子结构增加1个蒽环,减少1个萘环、1个羧基和2个羟基;无烟煤大分子结构增加1个菲环,减少1个萘环、1个羟基和1个酯基;三种煤分子式分别由C235H185O35N3S、C213H114O16N2S和C220H82O13N2S2变为C222H161O28N3S、C211H106O12N2S和C210H75O10N2S2。微波辐射提高了三种煤芳香缩聚程度,降低了甲基、亚甲基、次甲基、羟基、羧基等基团的含量,导致芳香结构增多,烷烃侧链和含氧官能团减少。采用量子化学计算方法,对比分析了微波作用与传统加热下煤分子片段模型的分子轨道、静电势、键级、键长的差异,揭示了微波“非热效应”的作用机理为:微波电场使煤分子片段的电子迁移能力增强、前线轨道能隙差减小、偶极矩增大、亲电/亲核反应性增强、共价键强度减弱。（4）采用Marvin Sketch/CNMR Predictor、g NMR和Materials Studio软件,经修正和优化后构建了微波循环作用前后三种煤大分子平面模型和三维模型;通过对所构建模型的元素含量、模拟13C NMR以及甲烷吸附参数与实验数据的分析对比,验证了所构建煤分子模型的正确性;采用巨正则蒙特卡洛和分子动力学模拟计算了微波循环作用前后甲烷吸附量、等量吸附热及相互作用能、径向分布函数、甲烷扩散系数、甲烷扩散活化能的变化特征。结果表明,微波循环作用后,三种煤对甲烷分子的吸附量均降低,甲烷分子的自扩散系数均增大,传递扩散系数均增大,且随煤阶的升高,微波循环作用效果减弱。从热量、能量、结合强度、扩散活化能等角度揭示了微波循环作用减弱煤对甲烷吸附能力的分子机理为:煤分子对甲烷分子的等量吸附热降低、相互作用能减小、结合强度降低,以及甲烷分子扩散活化能降低。（5）在深入研究微波循环作用改变煤孔裂隙结构、表面性质、分子结构的基础上,设计了微波循环作用强化煤层气抽采系统,并结合寺河矿二号井15号煤地质背景,利用Comsol模拟和分析了强化抽采效果。结果表明,宏观上看,常规抽采方式几乎不引起煤层温度太大变化,而微波循环强化抽采会升高煤层温度（360天后平均温度升高6.08℃）,且距微波发射器越近,温升越快。相比于常规抽采,微波强化抽采使煤层气抽采速率更快,气井产能有较大提升,360天后总产量增加了34.25%。