沁水盆地南部高煤阶煤层气开发已形成规模化产业格局,但煤层中大量CH₄因微孔填充效应导致解吸效率低且难以有效动用,已成为该区煤层气高效开发的瓶颈。为解决微孔填充效应导致的“束缚态”CH₄难以动用的关键问题,利用核磁共振与CH₄、CO₂和N₂等温吸附实验研究了煤的孔隙分布与吸附特征,通过工业分析和核磁共振碳谱(¹³C-NMR)表征了煤的分子式(C₁₈₄H₁₂₃O₃₆N₆),运用巨正则蒙特卡洛方法揭示了不同狭缝开度、温度条件下的吸附/解吸动力学特征,最后明确了狭缝结构中CH₄—CO₂二元体系竞争吸附机理。研究结果表明:(1)基质发育纳米孔、微米孔和裂缝,其平均占比分别为87.2%、6.5%和6.3%,CH₄和CO₂的吸附量分别为18.7 cm³/g和46.3 cm³/g,煤吸附/解吸面积比约为1.9;(2)明确了高阶煤分子是由苯环/苯酚结构组成的片状结构,包含羧基、不饱和碳链和吡咯等官能团;(3)当狭缝开度低于2 nm,解吸耗能显著提高且CH₄吸附量增加约35.0%,但温度从338 K提高至378 K可减少狭缝中的CH₄吸附量约42%,具有线极性的CO₂分子与煤分子表面的静电作用和范德华力作用更强;(4) CO₂对CH₄的竞争置换作用也可进一步促进CH₄脱附,狭缝模型中CH₄—CO₂二元体系吸附量分别为36.08 m³/t和9.87 m³/t,吸附量同比单一组分分别降低22.07%和64.20%。结论认为,“扩孔—升温—CO₂置换”协同的CO₂封存—驱替—压裂技术体系能解除高阶煤储层中微孔填充效应,是充分释放CH₄的重要技术发展方向,该技术为提高沁水盆地南部高阶煤层气的采收率提供了新思路。