二氧化碳是造成温室效应的主要原因,甲烷是煤矿生产的主要危害,同时又是一种新型的洁净能源。然而我国煤层渗透率普遍较低,不利于甲烷的抽排,注入二氧化碳驱替甲烷可以显著提高采收率。因此,从环保、安全和能源的角度来讲,注入二氧化碳驱替煤层甲烷的开展具有重要意义。本文以煤体孔裂隙结构特征、煤中甲烷的赋存状态和气体运移机理为基础,开展了二氧化碳驱替甲烷实验与模拟分析,获得了不同注气压力和不同渗透率条件下驱替过程动态变化规律。利用实验室自主研发的一套可模拟地应力条件的注气驱替实验平台,首先对制备的型煤试件开展了甲烷、二氧化碳气体的渗透率测试实验。实验结果表明:气体的渗透率大小同时受到垂直应力和注气压力的影响;煤体渗透率随加载垂直应力增大而降低;注气压力较低时渗透率随压力上升而减小,当注气压力较大时渗透率随压力上升而增大;两种气体在煤中的渗透率变化规律基本一致,只是在渗透率大小上存在差异,二氧化碳渗透率高于甲烷。在研究了型煤渗透率的基础上,开展了一定渗透率条件下不同注气压力(1.0、1.2、1.5MPa)时二氧化碳驱替甲烷实验,不同注气压力下的驱替实验置换效率均在95%以上;通过出气口各组分浓度的变化趋势可知,两种气体的浓度为互相消长的关系;注入0.433~0.616个置换体积时二氧化碳突破出气口,二氧化碳突破出气口后,其浓度缓慢上升而不是迅速变为接近100%的水平;随着注气压力的增加,突破所需时间逐渐减少,驱替完成所需时间也明显缩短,提高注气压力能够有效提高驱替的效率。基于Darcy渗流理论、Fick扩散理论、扩展Langmuir吸附理论以及气体状态方程,构建了气体连续运动耦合方程,利用Comsol Multiphysics有限元数值模拟软件进行了不同注气压力和不同渗透率条件下的注二氧化碳驱替甲烷数值模拟。数值模拟结果与实验结果趋势吻合,驱替效果良好,注气压力由1.0 MPa增加到1.5 MPa,二氧化碳突破出气口时间从470min缩短至230min,驱替完成时间从550min缩短至280min;渗透率由0.14×10-15m2降低到0.054×10-15m2时,对应驱替时间从420min增长到840min。注气压力和渗透率显著影响驱替效率,注气压力提高导致二氧化碳突破出气口和置换完成的时间缩短;渗透率越低置换所需时间越长,驱替进展越缓慢。