煤层气是清洁能源的重要组成部分,是推动能源生产和消费革命的重要载体。在我国,煤层气资源储量丰富,但储层环境复杂,导致煤层气开采效率低下。煤层气开采是多物理场耦合作用的过程,随着开采工作的深入和特殊工艺的发掘,温度场、湿度场、渗流场和变形场等之间的交叉耦合作用越来越明显,成为严重制约我国煤层气产业发展的重要因素。因此,开展煤层气开采中的多场耦合问题研究具有重要的科学背景与工程意义。本文针对煤层气储层的结构特征和气体的储存与运移特点,综合运用试验测试、理论分析和数值模拟等科学方法,深入探讨了煤层气在运移和开采过程中的热-湿-流-固多场耦合机理。取得了以下主要进展和结论:(1)原煤的渗透率随气压指数增大,随围压指数减小,但随温度的演化呈现不同趋势。针对平顶山矿、长治矿和金佳矿的原煤试样,开展了围压、气压和温度耦合下的气体渗透行为试验研究。结果显示,渗透率随气压的增大呈指数增大趋势。低围压下,指数增长形式明显;高围压下,增长形式趋于线性。渗透率随围压的增大呈指数减小趋势。当围压较低时,煤样渗透率对围压变化非常敏感,渗透率随着围压的增大迅速减小,随后趋于稳定。原煤的渗透率随温度的升高大多呈减小趋势,但也有出现先减小后增大的趋势。(2)分别建立热开裂、热挥发、热吸附和热膨胀等物理过程的理论模型并进行实验验证,从本质上揭示了热-湿耦合下渗透率演化的微观机理。基质热开裂促进基质中微孔的增生,增大基质渗透率,同时导致基质整体膨胀,降低裂隙渗透率。建立裂隙水膜的挥发模型,阐明水分挥发直接作用于裂隙网络,从而增大裂隙渗透率的物理机制。气体热解吸导致基质收缩,增大双渗透率。煤的热膨胀抑制基质-裂隙双渗透率。(3)提出一种新型双孔渗透率模型,理论上将渗透率随温度的演化形式分为三大类;定义热刺激指标KT,可有效评价温度对渗透率的刺激效果。理论推导了包含热-湿-流-固耦合效应的基质-裂隙双孔渗透率模型,统一描述了大量渗透率试验结果,并对渗透率演化的类型进行归纳和评价。发现煤体渗透率随温度的演化可分为热膨胀主导的下降型、热挥发主导的上升型和两者依次主导的’U’字过渡型。对于下降型和上升型,又可根据次要影响因素进一步细化为线性型、上凸型和下凹型。提出了评价温度对煤体渗透率刺激效果的热刺激指标KT。当K尽>0时,渗透率随温度的升高而增大;当KT<0时,渗透率随温度的升高而减小。(4)发现水分流失对煤层气运移的促进和抑制双重作用规律,揭示了水锁导致气体非达西运移的基本原理。基于裂隙水膜渗透率模型和含启动压力梯度的非达西渗流规律,建立了潮湿储层中气体开采的湿-流-固全耦合模型,重点分析了气体开采中的水锁现象和各种耦合机制。潮湿煤层中的气体生产随抽采距离依次进行,只有当某一抽采距离处的实际气体压力梯度大于启动压力梯度时,才能形成气流。水分流失会引发诸多耦合效应,一方面改善煤体裂隙结构,增大渗透率,促进生产;另一方面增强煤体吸附能力,抑制煤层气解吸,阻碍生产。综合结果显示水分流失对渗透率的改善起主导作用。(5)发现热开裂、热解吸和热挥发对双孔渗透率的协调和促进作用是煤层气注热增产的本质驱动力。建立了适用于煤层气注热开采的热-湿-流-固全耦合数值模型,研究多场之间的耦合机制,结果表明煤层气注热开采能够有效促进气体生产。对于基质孔隙度和渗透率,温度升高造成的气体解吸加快和基质热开裂引发的孔隙增生起促进作用,热膨胀则起抑制作用。对于裂隙孔隙度和渗透率,残余水分的热挥发和基质中气体解吸的反作用起促进作用。热开裂对煤层气生产的促进作用主要表现在对双渗透率的协调上。