论文针对煤矿井下煤层注气驱替瓦斯消突这一瓦斯治理技术,从安全生产指导意义的高度出发,围绕煤层注气驱替瓦斯促排、消突机理及残存压力场效应等关键技术问题,采用理论分析、实验室物理相似模拟、现场试验验证等相结合的方法,深入研究煤层注气过程中置换和驱替作用的定量贡献及主导因素,剖析煤层注气条件下的置换/驱替作用机制和相互关系,揭示煤层注气过程中及泄压后的压力场分布规律,揭示了井下注气驱替煤层瓦斯消突机理,为可规模化推广应用的煤层注气驱替瓦斯消突技术提供理论支撑。主要研究内容和结果如下:(1)煤对注源气体吸附特性研究。采集了豫西荥巩煤田二1煤层构造软煤煤样,采用高压容量法,进行了煤对CH4、He、N2、O2、CO2、Air 6种气体的吸附等温实验,得出了不同气体吸附性能强弱顺序为 CO2(59.23m3/t)>CH4(31.68m3/t)>N2(25.33m3/t)>Air(23.62m3/t)>O2(17.44m3/t)。(2)煤层注气驱替CH4模拟实验平台及实验方法。在先导性实验和前人物理模拟的基础上,为较真实模拟注气驱替CH4的过程,建立了大尺度(400×300×300mm)煤层注气模拟实验平台,根据煤矿井下实际情况,设定了模拟实验条件,根据实验要求确定了“分层预压装煤样→抽真空→充入CH4吸附平衡→高压游离CH4泄压预排→注气→注气结束后自然泄压排放”6个关键步骤的实验方法。(3)煤层注气驱替CH4模拟实验研究。利用煤层注气驱替CH4模拟实验平台,分别在不同注气压力条件下进行了注He/N2/CO2/Air驱替煤层CH4实验,监测并记录注气压力、注气时间、注入气体流量、煤体孔隙压力、析出气体流量和组分浓度等数据。通过对比分析得出实验过程中析出气体组分随注气时间变化规律,注入气体和析出气流量变化规律,析出CH4体积和消耗注源气体体积差异,注气压力对驱替效果的影响规律,注源气体与注入煤体的响应特性,煤层注不同气体驱替CH4机理。(4)煤层注气驱替CH4机制转化过程及主导作用研究。根据煤层注气驱替CH4模拟实验结果,反映出煤层注气驱替CH4是一个动态变化的过程,不同注气时期机理不同,但都存在置换效应和驱替效应,在整个注气过程中这两种作用具有分时主导作用,并且逐渐相互转换。以出气口 CH4浓度的变化(100%-50%-结束)规律,将注气过程分为3个阶段对煤层注气驱替CH4机制转化过程进行了研究。通过整个注气过程驱替和置换作用比例和析出相应CH4体积分析,得出了煤层注气驱替CH4的主导作用机理。(5)煤层注气过程中压力场分布及其泄压后残存压力恢复规律。根据物理模拟实验和数值模拟研究结果,通过现场工程实践验证,注气过程中煤层孔隙压力由近及远随时间迅速升高,并逐渐达峰值,所需时间长短顺序为CO2>N2>He,而且最大孔隙压力小于注气压力。泄压过程中,孔隙压力由远及近随着泄压时间的延长逐渐下降直至接近大气压,泄压所需时间长短顺序为CO2>N2>He。(6)煤矿井下注气驱替煤层瓦斯消突机理及对生产实践的指导意义。煤层注弱吸附性气体(N2或者Air),能够降低煤体所受的应力,提高煤层渗透性,促进瓦斯的抽采,降低瓦斯内能,从而达到消突的目的。从气源的获取、经济投入、保证安全等多角度综合分析,利用空气作为气源进行煤矿井下注气驱替煤层瓦斯最佳选择。