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我国煤层气资源丰富,煤层气的开发经历了20多年的探索和发展已初具规模,勘探开发技术水平有了长足的进步,但在开采的过程中也存在煤层气压裂技术在压裂过程中易对储层造成污染及破坏,单纯增大压裂未能有效提高产量等难题。压裂对煤的影响,不仅包括物理作用,还包括化学作用,煤作为一种有机高分子化合物,压裂液在煤中的作用与常规砂岩储层相比要复杂得多。在机械压裂储层的同时,它可能会与压裂液发生物理化学作用,这两种作用的耦合会对煤层气的开采、渗透、吸附、解析产生影响。正确判断压裂液对煤储层的改造机理是减小压裂作用对煤储层伤害,提高煤层气产量的基础,同时也是煤层气开发领域中亟待解决的难题。目前的研究主要集中于压裂液对煤储层的机械改造作用。对于压裂液物理化学改造作用的研究则很少。因此,本文从微观角度探究压裂液对煤储层的物理化学改造作用。西山煤田是我国煤层气重点开发区块之一。煤层气资源丰富,开发潜力好,但矿区存在煤层气分布非均质性强,低产或无产气井比例高等问题。本研究以太原西山煤田屯兰煤矿2#煤层的变质程度相同,未受压裂影响的原生结构煤样和压裂煤（TL-1、TL-2）为研究对象,借助工业分析与元素分析、13C-NMR、FTIR、HRTEM、XRD等测试分析手段,测定煤的各种微观、介观和宏观结构参数,分析原生结构煤和压裂煤的结构特征异同,并分别构建了两种煤的大分子结构模型。运用MS软件,对原生结构煤和压裂煤的大分子结构模型进行结构优化,并在此基础上对两个样品的CH4和CO2吸附与扩散性能进行了研究。运用ADF软件模拟在清水、氯化钾与胍胶环境下,压裂对煤表面官能团的改造机理。通过分析发现,压裂作用对煤储层的影响主要表现在对煤大分子结构和微晶结构的影响以及由此导致的煤吸附特性的改变,具体结论如下:1.对FTIR谱图和13C-NMR谱图的分析显示煤的大分子结构特征发生变化,压裂作用下部分脂肪侧链和含氧官能团脱落,苯环上的取代形式也发生变化,苯环二取代、苯环四取代、苯环五取代呈减小趋势,苯环三取代呈增加趋势,对XRD谱图和HRTEM照片的处理结果显示,压裂作用下,煤中微晶结构的层间距d002呈减小趋势,堆砌度Lc和延展度La呈现增大的趋势,煤样中的芳香层片呈现不同的形貌特征,芳香层片的倾角排列发生变化,其倾角排列呈现出更加有序化定向化排列。芳香层片长度变化受压裂影响不明显。2.根据得到的FTIR、XPS和13C-NMR的结构参数,结合元素分析结果,利用ACD/ChemSketech和ACD/CNMR Predictor构建了两种不同压裂程度煤的大分子结构模型,经模拟计算的13C-NMR图谱能与13C-NMR实验图谱吻合较好。两煤结构模型芳香化合物包括苯、萘、蒽,脂肪结构主要以脂肪侧链、环烷烃的形式存在,含氧官能团主要包括苯羟基、醚基、羰基、羧基,氮主要以吡啶和吡咯的形式存在。3.运用MS软件,对建立的原生结构煤和压裂煤的大分子结构进行分子力学和分子动力学模拟,获得了煤大分子结构的最低能量构型。经分子力学和分子动力学优化后,结构模型具有良好的空间三维结构,煤大分子结构芳香片层之间的平面发生了一定程度的扭转,脂肪链和一些官能团之间发生了弯曲。为了使构建的煤大分子结构模型和实际更为接近,以煤的单分子最低能量构型为基础,构建了原生结构煤和压裂煤的超分子构型,对得到的原生结构煤和压裂煤的超分子最低能量构型添加周期性边界条件,进行密度模拟,分别得出原生结构煤超分子构型和压裂煤超分子构型的模拟密度为1.20g/cm3和1.22 g/cm3。4.采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）方法分别模拟了原生结构煤和压裂煤分子构型对CH4、CO2的等温吸附模拟、二元等温吸附模拟、单组份饱和吸附模拟和CH4、CO2在孔隙中扩散性能,并得到以下结论:在压裂作用影响下,煤对CH4和CO2的等温吸附量都呈减小趋势,两分子对CH4、CO2的饱和吸附量关系均为原生结构煤>压裂煤,且二氧化碳的吸附量大于甲烷的吸附量,煤中对CH4的扩散系数减小,对CO2的扩散系数增大,但煤中对CH4的扩散系数要大于对CO2的扩散系数。5.根据构建的煤大分子结构模型,采用ADF软件模拟煤大分子结构在压力和不同压裂液成分作用下煤大分子结构的变化机制。在压力作用下,煤大分子结构骨架基本保持稳定;大分子结构中的部分脂肪侧链、含氧官能团发生断裂,从大分子骨架中脱离出去;少部分大分子骨架边缘的小分子芳香结构也发生断裂,脱离大分子结构。压裂液成分作用强度由低到高依次为KCl、清水、胍胶。胍胶压裂模拟下煤大分子结构能量的变化更加剧烈,煤大分子结构破坏更多,而氯化钾压裂模拟下煤大分子结构能量的变化较小,脂肪侧链和含氧官能团断裂也较少,说明在煤层气开采中,氯化钾对煤储层有一定的保护作用,而胍胶在一定程度上会对加剧煤储层的破坏。