瓦斯吸附解吸机理是矿井瓦斯灾害防治和煤层气开采的重要理论基础,瓦斯吸附热力学特性是瓦斯吸附解吸机理的重要组成部分。瓦斯吸附热的准确刻画不仅有助于深刻揭示煤对瓦斯的吸附解吸机理、评价煤对瓦斯的吸附能力,同时瓦斯吸附热对煤体产生的温度效应对于瓦斯抽采和煤与瓦斯突出预测有一定的指导意义。目前关于瓦斯吸附解吸理论的研究还不完善,尤其是对于瓦斯吸附热及其影响因素的认识不全面。本文围绕煤对瓦斯吸附热及其温度效应展开系统研究,取得以下成果:(1)提出了煤对瓦斯的非均匀吸附模型和新的吸附热理论计算模型。运用统计力学方法对吸附热两能态简化模型进行改进;通过Clausius-Clapeyron方程直接推导出了Langmuir及其扩展模型的等量吸附热的解析表达式;从煤的非均匀吸附势能出发建立了可以同时量化吸附量和吸附积分热的煤对瓦斯的非均匀吸附方程。采用改进的两能态简化模型对瓦斯吸附热进行估算,结果表明瓦斯在煤表面的吸附热大于瓦斯的凝聚热。(2)揭示了温度、煤变质程度、气体种类对瓦斯吸附热和等温吸附线的影响规律。采用瓦斯吸附量热实验测试了不同温度、气体和变质程度煤样的瓦斯吸附等温线和吸附热。结果表明,等量吸附热受温度变化的影响较小,可以采用等量吸附热来预测不同温度的吸附等温线;煤吸附CO₂的吸附量、吸附积分热和等量吸附热均为最大,其次是CH₄和N₂;采用不同的吸附模型对实验数据进行拟合分析,结果发现煤的非均匀吸附模型对于吸附等温线和积分热的拟合效果要优于Langmuir方程;对比分析不同吸附模型的等量吸附热,结果发现Langmuir模型的等量吸附热是常数,而由非均匀吸附模型得到的等量热值随着吸附量的增加而减小,采用非均匀吸附模型可以很好地表征煤表面吸附能的非均匀性。(3)阐明了瓦斯吸附热随煤微观孔隙结构的变化规律。通过压汞、低温氮气和二氧化碳吸附实验获得了不同变质程度煤样孔隙结构特征,建立了孔隙结构参数与瓦斯吸附热的关系。结果表明,不同煤样的等量吸附热与超微孔(0.38²nm)的比表面积与比例有着较强的正相关性,超微孔含量越多,等量吸附热越大。超微孔含量增加10%,等量吸附热增大0.7 kJ/mol,超微孔对瓦斯吸附起主导作用。(4)揭示了煤的分子结构特征对瓦斯吸附热的影响机制。通过¹³C核磁共振、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射技术得到不同变质程度煤大分子结构参数,结果表明随着变质程度的增加,煤的芳碳率逐渐增加,而煤分子中的脂肪链长度、含氧官能团含量和煤微晶结构的晶面间距均逐渐降低,并接近于石墨化。在煤分子结构参数的基础上建立了具有不同苯环数、烷基侧链长度和含氧官能团的简化煤分子结构模型,计算了不同煤分子模型与甲烷相互作用的吸附能。结果表明,随着煤的基本结构单元中的苯环数越多,吸附热越大;烷基侧链和含氧官能团的存在能增强煤与瓦斯分子的相互作用,尤其是羟基的存在对吸附能影响最大,吸附热可增大2.4倍;瓦斯吸附能的大小还与甲烷分子与煤分子的距离有关,存在最佳吸附距离使得吸附能最大。(5)揭示了动态吸附热效应对煤体温度变化的影响规律。开展了瓦斯吸附动态放热实验,发现瓦斯吸附过程中煤粒温度呈现出快速上升后缓慢衰减的变化规律,且煤粒温度的变化取决于吸附产热速率与放热速率的大小。同时,建立了考虑吸附解吸热效应的煤层瓦斯流动多场耦合理论模型,通过数值模拟分别研究了瓦斯的等量吸附热、煤的吸附体积常数、初始温度、初始瓦斯压力以及初始渗透率对煤体温度的影响。模拟结果显示,煤体的温度变化量与瓦斯的等量吸附热、煤的吸附体积常数、初始温度、初始瓦斯压力以及初始渗透率皆呈正相关关系。该论文有图63幅,表26个,参考文献185篇。