本文从煤层气开发热门区域选择无烟煤、高挥发性烟煤、中挥发性烟煤、次烟煤和褐煤共5种煤样来进行不同含水状态纯气体和混合气体吸附实验、数学模型拟合和分子动力学模拟研究,并将三者相互印证,以研究不同煤阶煤样对于各种纯气体和混合气体吸附性质,为今后不同地区不同煤种条件下煤层气的开采提供有价值的参考。从实验测量、数学模型拟合到分子动力学研究阶段,均将含水煤样中的水分作为单独的因素来研究。应用体积法实验测量吸附数据时:实验前理论分析水的四种状态(平衡水、毛细水、固有水、吸附水),并且通过合理的简化(烟煤与无烟煤的平衡水分被认为等于煤层水分,低阶褐煤的平衡水分结果应用修正系数,以近似真实的固有水分)降低对吸附数据的影响;实验中做好水分处理、简化与计算;实验后误差分析降低影响(不考虑吸附膨胀,同时做好不确定度分析)。引入SLD理论构建数学模型时:为溶解度最高的CO₂预处理含水煤样数据,其他气体分配修正系数,并且为5种煤样进行相检查分析。运用分子动力学方法在构造典型煤样模型时:加入适用于本文含水率的水分子于煤分子模型的上下煤层。通过修正的SLD模型来预测不同煤阶煤样纯气体吸附等温吸附曲线,为每种煤样每种纯气体吸附引入了PR-EOS协体积修正系数,绘制了预测偏差图进行校正,使得拟合度高于现有数学模型;修正的SLD模型同时用来预测不同煤阶煤样混合气体吸附(包括二元混合气体和三元混合气体)的等温吸附曲线,为相互作用的气体组合引入了相互作用参数C_ij,将系统的混合气体吸附行为关联在一个实验误差标准偏差内,同时允许在实验不确定性范围内,稀释混合物中吸附较少的成分相互关联,使得使用范围更广,同时拟合度高于现有其他数学模型。通过构建基础的原子模型(C、H、N、O)、分子模型(CH₄、CO₂、N₂、C₂H₆)和实验测定的C、H、O、N、S五种元素相符的修正版wiser模型,用构建的煤分子模型直观展现了不同压力不同含水量下的气体分布三维立体图和二维平面图,之后模拟计算出了浓度分布、均方位移、能量分布和简易等温吸附曲线来和实验数据和数学模型相互印证。通过实验手段、数学模型和分子模拟互相印证,结合水因素单独处理带来的准确度的提高,得出结论:(1)改进的SLD模型可以在较宽的压力和温度范围内拟合不同煤阶煤样不同含水状态的纯气体吸附等温线。为了在较宽的压力范围内提高拟合度,需要引入SLD-PR协体积参数,这有效地改变了吸附相密度。PR-EOS协体积的引入改进了过量吸附和吸附质相密度预测,使得SLD模型的拟合度更高;改进的SLD模型拟合混合气体等温吸附曲线的优化表示需要合适的相互作用参数C_ij。C_ij参数的使用允许在实验不确定性范围内,稀释混合物中吸附较少的成分相互关联。(2)分子动力学构建的典型煤分子模型可以直观展现了不同压力不同含水量下的气体分布三维立体图和二维平面图。用分子动力学模拟计算出方法的浓度分布、均方位移、能量分布和简易等温吸附曲线来和实验数据和数学模型相互印证,印证结果和实验结论符合。(3)在相同的吸附压力条件下,气体的吸附量随着煤阶的增大而增大,且不同煤阶煤样的等温吸附曲线类似,气体处于气体状态时,随着平衡压力的增大,煤样的过剩吸附量逐渐增大;(4)含水煤样中CO₂的吸附量明显小于干燥煤样,其他气体含水煤样中的吸附量和干燥煤样中的吸附量差别不大;(5)温度相同时:CO₂吸附量远大于CH₄、N₂、C₂H₆,CO₂相对于其他三种气体,吸附优势明显。在吸附过程中,CO₂与煤分子的分子间相互作用力更强,占主导作用。干燥煤样中C₂H₆、N₂、CH₄的吸附能力相差不大,但在含水情况下,吸附能力差别明显增大。