瓦斯,一方面是井下的主要危险源和严重的温室气体,另一方面是一种高效的清洁能源。但是由于我国煤层渗透率较低,严重影响了我国的瓦斯抽采效率,当前气相驱替在瓦斯抽采与防治中发挥了重要作用。因此,探讨高压驱替相与CH₄在煤体中的吸附解吸以及扩散与渗流特性具有重要的意义。(1)分析了实验煤样的孔隙结构规律与表面官能团特征,并测试了不同温度条件下气体在煤体中的吸附等温线与解吸扩散特性曲线。结果发现,无烟煤LH的Langmuir极限吸附量a值大于烟煤PM和HL,而Langmuir压力P_L却小于两种烟煤,三种气体中CO₂的P_L最小。(2)不同条件下的解吸扩散特性曲线最大的区别是初始阶段的解吸量和解吸速度以及最终的累计解吸量。煤体中N₂前10s与60s的累计解吸量占解吸总量的比例大于CH₄和CO₂,但其在前10s与60s的累计解吸量却小于CH₄和CO₂。三种气体前10秒的累计解吸量与时间的关系可用=6)√+较好地拟合。(3)采用分子模拟探究了不同条件下在煤-CH₄-H₂O体系注N₂与注CO₂驱替过程中各组分的扩散规律。结果发现,与单组份气体扩散相比,注N₂与注CO₂驱替后,不仅CH₄的传输扩散系数D_t增大了,H₂O的D_t也增加了。含水率与煤-CH₄-H₂O体系中各组分的D_t具有负相关性,而温度正好相反。与单组份气体扩散相比,随着温度升高或压力增大,注N₂与注CO₂驱替时体系中CH₄与H₂O的D_t增加幅度更大。在相同条件下,注N₂对体系中H₂O的运移促进作用更明显。此外与其他组份有所不同,CO₂的D_t随着注气压力先增大后减小。这是由于不同压力阶段气体的扩散类型与扩散活化能差异导致的。(4)研究了不同条件下气体在煤体中的渗透率规律。结果发现,不同温度,含水率与煤体种类条件下,N₂和CH₄的渗透率均随着压力升高呈“V”型变化趋势,且温度越高,含水率越大,出现的克林伯格效应越弱。此外,N₂的“拐点”压力总是不大于CH₄,当含水率与温度越高时,两者的“拐点”压力越大。不同温度条件下CO₂的渗透率随压力增大而下降,在使用CO₂驱替时需特别注意注入压力的选取。而N₂在高温与高含水率造成的高受限环境中依然具有较强的渗流能力,故而在井下气相驱替过程中,提高N₂注入压力取得的效果比较显著。本文获得的结论对于丰富和完善高压气相驱替技术具有一定的学术价值和科学意义,对指导现场气相驱替的工程实践具有现实意义。此外,攻读学位期间,相关研究成果发表SCI论文3篇。