为了减少环境污染,提高煤层气产率,CO₂-ECBM技术的不断完善及CO₂在深部不可采煤层的地质处置已成为一项重大研究课题。在CO₂-ECBM实施中,“寻找与改善煤储层结构、提高CH₄回收率、评价CO₂在煤层中的储存安全性”等基础性课题的解决,必须从煤的结构特征出发,深入认识煤与CH₄、CO₂相互作用的微观机制。本文以认识煤大分子结构与CH₄、CO₂、H₂O的相互作用的分子机制为研究目标,分析五牧场原煤(WMC-YM,R^o_max = 0.457%)、兖州原煤(YZ-YM,R^o_max=0.620%)、柳林 4#原煤(LL4-YM,R^o_max=1.287%)、柳林 3#原煤(LL3-YM,R^o_max= 1.294%)、成庄原煤(CZ-YM,R^o_max=3.210%)、寺河原煤(SH-YM,R^o_max=3.355%)等不同变质程度煤的结构特征。在此基础上,以分子模拟为工具,重点分析兖州气煤和成庄无烟煤与CH₄、CO₂、H₂O相互作用的分子机制,获得了如下的结论:1.应用真相对密度、XRD、工业元素分析、13C-NMR、FTIR、XPS对WMC-YM、YZ-YM、LL4-YM、LL3-YM、CZ-YM、SH-YM 的结构特征进行了三尺度表征,认识不同变质程度煤的结构特征及差异,从而为煤大分子结构模型的构建提供完善的结构信息。2.以完善的煤大分子三尺度结构信息为基础,建立了煤的大分子结构模型构建方法及三尺度判别准则,并据此构建了兖州气煤、成庄无烟煤的结构模型。YZ-YM中:芳香化合物以1环结构为主,2、3环结构为辅;脂肪结构以脂肪侧链及环烷烃的型式存在;氧原子以羧基、羰基、羟基型式存在;氮原子以吡啶与吡咯的型式存在;硫原子以噻吩型硫的型式存在。CZ-YM中:芳香化合物以2、3、4环结构为主,最大环数达5;脂肪结构以脂肪侧链及环烷烃的型式存在;氧原子以羰基、羟基、醚氧的型式存在;氮原子以吡的型式存在;硫原子含量很低,模型中没有体现。发现低煤级煤中近程有序的原因主要依靠于分子内或少量分子间芳香层片的定向排列;高煤级煤中近程有序的原因主要依靠于多分子间芳香层片的定向排列。YZ-YM模型的计算密度为1.20g/cm³,CZ-YM模型的计算密度为1.40g/cm³,接近但均略小于其测试值。3.利用蒙特卡洛法计算了 CH₄、CO₂、H₂O的等温吸附特征。（1）YZ-YM与CZ-YM中,单元组分吸附量均遵循CH₄<C02<H20的规律;各组分均符合Langmuir模型;温度越高,吸附量越小。（2）多元组分吸附竞争吸附时:YZ-YM,吸附量相对关系与单元组分时相同;CZ-YM,C02消耗了 H₂O生成氢键的能力,使得H₂O的吸附量居于CO₂之下。4.利用分子动力学计算了 CH₄、CO₂、H₂O吸附前后,体系能量的变化。（1）体系进入大量小分子后,价电子能发生不同程度的变化,表明CH₄、CO₂、H₂O与煤分子结构发生相互作用并进行结构重排,形成稳定的构型。吸附构型的改变可能是吸附引起溶胀的内在机理。（2）吸附前后体系非成键能的变化表明CH₄、CO₂、H₂O在煤中具有不同的吸附机制。CH₄为典型的物理吸附;CO₂以物理吸附为主,伴随有微弱的化学吸附;H₂O为物理、化学吸附并存。与YZ-YM相比,CZ-YM中大量芳香结构产生的π-π静电能在小分子吸附过程产生显著贡献。5.（1）在YZ-YM中,由缩聚程度大的芳香官能团所围成的孔构成CH₄的吸附环境,由富含侧链的芳香官能团所围成的孔或带有含氧官能团的孔构成CO₂的吸附环境,大量的氢键构成H₂O的吸附条件。官能团类型对小分子吸附的影响显著。（2）在CZ-YM中,上述类型的官能团依然是吸附的影响因素,但微孔的广泛存在使得其影响强度不及YZ-YM,微孔理论成为CZ-YM的主要吸附机制。