在“碳达峰-碳中和”战略背景下,碳基燃料发展机遇和挑战并存。以煤炭为典型碳基化石资源的宁夏宁东、陕西榆林和内蒙古鄂尔多斯是我国重点发展和依仗的能源“金三角”,该地区煤炭资源的低碳清洁利用意义重大。从煤岩有机质角度出发,显微组分影响煤的物理性质、反应性能和加工工艺。尤其是从微观分子结构和化学键角度研究煤显微组分特征可为煤炭资源清洁高效转化提供重要理论和关键技术指导。论文工作主要包括两部分。其一是以宁夏宁东地区枣泉煤惰质组、羊场湾煤惰质组、灵武煤镜质组和惰质组为研究对象,利用岩相分析和工业分析确定岩相特征和显微组分分布;使用元素分析、XPS、FTIR、13C NMR等表征获得煤样定性和定量的结构参数。在此基础上使用分子动力学和量子力学模拟方法构建系列煤显微组分的大分子结构模型。上述煤的分子结构研究方法已被广泛认可,但较为耗时费力。因此,论文第二部分工作发展了矩阵表达理论用于简单高效地描述煤等碳基燃料的分子结构和化学键合特征。分类构建了分子结构中描述碳原子与H、O、N、S等其它原子的化学键、官能团种类,以及结构参数的定性和定量的线性标度关系并实现矩阵化。将发展的矩阵表达理论应用于46种常见的气体、液体和固体碳基燃料体系,验证了矩阵表达理论的准确性和有效性,获得了系列碳基燃料分子化学键结构的特征规律。主要结论如下:（1）建立了枣泉煤惰质组、羊场湾煤惰质组、灵武煤镜质组和惰质组的大分子模型,可分别表述为 C218H138N2O45、C247H176N4O57、C244H168N4O46 和 C286H225N3O60。四种样品变质程度存在以下关系:ZQ-I＞LW-I＞YCW-I＞LW-V。同一种煤镜质组的变质程度低于惰质组。变质程度越低,脂肪烃结构含量越多,亚甲基和次亚甲基越多,分子结构越复杂,三维结构也越聚簇。变质程度程度越高,芳香碳越多,XBP值越大,分子结构也简单,三维结构也越舒展。四者的脂肪烃结构均是由脂肪环、氧接脂肪环和烷基侧链组成,各自含量有所不同。四者的芳香基本单元都是苯、萘、蒽、菲,组成元素均为碳、氢、氧、氮。氧元素的存在是均为C—O、C=O、COO-,各自的含量随着氧元素含量的不同而不同。氮元素以吡咯或吡咯的形式存在。（2）构建了具备普适性和准确性的矩阵表达模型,并应用于系列碳基燃料的分子结构和化学键合特征研究。针对仅可描述碳基燃料的原子种类和数量却无法区分化学键的不足,发展了原子数与化学键数关系的矩阵表达理论。针对仅可计算碳氢化合物却无法区分脂肪碳与芳香碳、脂肪氢与芳香氢、与脂肪碳相连的官能团和与芳香碳相连的官能团等不足,发展了结构参数与化学键类型的矩阵表达理论。所构建的四个矩阵表达模型,相互补充,相互验证,具备准确性和有效性。将发展的矩阵表达理论应用于46种常见气、液和固碳基燃料体系,验证了矩阵表达理论的计算结果可以有效获得系列碳基燃料分子结构特征。研究了包括脂肪烃、芳香烃、杂原子结构等系列碳基燃料分子结构和化学键等特征规律。