研究计算煤体吸附CH₄和CO₂过程中的热力学特征参数,以及煤分子片段模型与气体分子间的相互作用,可以系统的认识煤吸附不同气体的能力差异,以便更好地完善和发展煤吸附气体理论,指导CO₂驱替煤层气的现场应用。本文以不同变质程度的煤样为研究对象,采用基础参数测定、等温吸附实验、热力学参数计算、软件模拟等方法,系统的研究了寺家庄煤矿、杨柳煤矿、小青煤矿中三种不同变质程度煤样的组成成分、孔隙发育特征、官能团分布,计算了不同变质程度煤样吸附CH₄和CO₂时的热力学参数,模拟了其吸附稳定构型,分析其吸附能力差异。研究工作主要取得如下认识:(1)基础物性参数实验中,由无烟煤SJZ、烟煤YL和褐煤XQ的孔隙测定实验,可知各煤样具有开放性孔隙形态,各煤样的微孔发育良好,YL煤样的比表面积最小。红外光谱实验结果表明,随着变质程度的增加,煤中羟基的含量逐渐降低,芳香烃的含量逐渐增加,SJZ煤样无明显的脂肪烃吸收峰出现,XQ煤样的含氧官能团含量远高于SJZ和YL。等温吸附实验结果表明,同一煤样对CO₂的吸附量均高于CH₄,且随温度的上升,相同压力下的吸附量均逐渐减小。随着变质程度的升高,同一温度条件下,煤样对CH₄和CO₂的吸附量均呈现先下降后上升的趋势,与比表面积变化趋势一致,由此可知比表面积对煤样的气体吸附能力具有重要作用。随着煤样变质程度的降低,CH₄和CO₂极限吸附量比值逐渐增加,说明变质程度降低,煤体对于气体种类的变化更加敏感。(2)计算得出的等量吸附热与表面自由能结果表明,随着吸附量的增加,等量吸附热数值持续增大。随变质程度的升高,相同吸附量条件下,吸附过程中放出的热量更多,吸附能力更强。同一煤样吸附量相同时,吸附CO₂气体放出的热量远大于吸附CH₄气体所放出的热量,说明煤样对CO₂气体的吸附能力更强。同一煤样,在固定温度条件下,随压力的升高表面自由能增高;在固定压力条件下,随温度的升高,煤的表面自由能降低。(3)分子软件模拟结果表明,随着煤变质程度增加,分子的结构对称性增强,煤分子吸附气体分子时的位点更倾向于体系的对称中心,计算得出的吸附能更大。说明随变质程度的增加,煤分子吸附能力变强,吸附状态更加稳定。煤分子同时吸附CH₄与CO₂时,CO₂会占据更多的吸附位,且与煤分子距离更近,计算得出的吸附能数值更大,说明吸附较CH₄更加稳定。在一定程度上说明了CO₂可以置换出煤体中吸附的CH₄,通过注入CO₂可以达到驱替CH₄和抽采煤层气的效果。(4)分析了竞争吸附机理,根据现有的注CO₂促抽CH₄的现场研究,分析发现高变质程度的无烟煤煤层,煤层瓦斯的含量高,注CO₂促抽瓦斯效果明显,抽采瓦斯持续时间长,经济性良好。但对于低变质程度的煤层,工程实践较少,注CO₂驱替煤层瓦斯存在难点亟需克服。本论文共有图58幅,表26个,参考文献78篇。