煤的孔隙、裂隙结构直接影响煤对瓦斯的吸附、解吸特性以及瓦斯在煤体中的流动性。研究煤样孔隙、裂隙的演化规律及损伤机理对改善低渗透煤层的渗透特性具有重要意义。为了研究煤体的原生孔隙、裂隙结构损伤扩展过程,以液氮作为超低温制冷试剂,通过开展不同含水饱和度、不同初始温度、不同围压及不同低温环境下煤样循环冷加载实验,分析冷加载作用下煤样结构损伤与含水饱和度、温度、围压、冷加载周期之间的关系;结合激光共聚焦显微镜、超声波检测分析仪及CT扫描等技术,研究煤体表面裂隙宽度变化量、煤样的波速衰减率及孔隙量、煤样内部结构损伤程度及孔隙率变化规律,分析冷加载作用下煤样结构损伤和累积损伤规律;以实验结果为基础,揭示了冰楔膨胀应力、温度应力对煤样结构损伤的作用机理,建立了含水饱和度、温度、围压等单因素及耦合因素作用下的结构损伤力学模型及损伤判据,通过波速衰减率为参数的损伤因子验证理论损伤程度与实验结果的匹配性。研究结果表明:(1)不同含水状态下的煤样形成的冰楔膨胀应力,使煤样结构出现局部损伤,当局部损伤发生周期性累积时,煤样孔隙、裂隙逐渐扩展,直至破坏。(2)液氮浸泡作用使煤样由于温度降低产生了温度应力,导致煤样孔隙、裂隙结构尖端发生应力集中现象,当应力强度因子超过煤样裂隙的断裂韧度时,造成煤样结构损伤和新裂隙生成。(3)在相同的冷加载周期条件下,煤样结构损伤程度随围压的增加而增大;在围压相同的条件下,煤样结构损伤程度随冷加载周期的增加而增大。(4)在相同的低温环境下,含水饱和煤样表面裂隙宽度随冷加载周期的增加而逐渐增大;在相同的冷加载周期下,煤样整体结构损伤程度随环境温度的降低而逐渐增大。(5)液氮冷加载对于煤样原生裂隙结构损伤扩展效果显著,在单周期冷加载条件下,煤样结构出现微损伤,但从宏观角度并未破坏,随着冷加载周期的增加,煤样微观孔隙、裂隙结构逐渐贯通,造成宏观上的破坏;在低温条件下形成的冰楔膨胀应力与温度应力是煤样结构损伤的主要因素;预测了冷加载条件下不同含水饱和度、温度、围压煤样结构失稳破坏的最小周期。研究成果为低渗煤体注入液氮致裂改性提供理论基础,为冲击地压灾害防治、瓦斯突出治理与低渗瓦斯抽采提供了新的思考。