煤层气是一种高效洁净能源,主要成分为甲烷,其开发对缓解我国油气资源紧张现状,减轻矿井灾害程度,减少温室气体排放等具有战略价值,对我国增强能源自主保障能力、调整优化能源结构具有重要意义。煤与甲烷吸附是物理吸附,其受到煤体细观结构吸附势阱参数(势阱深度,势阱数量)与甲烷气体状态参数(吸附压力,温度等)两方面因素的控制,此外,煤吸附/解吸甲烷还存在热与变形效应,即煤在吸附甲烷过程中放出热量使得煤温度升高,并且同时煤体内部结构同时发生膨胀与挤压变形现象。本文以“煤吸附/解吸甲烷过程中热与变形效应研究”为主要研究课题,进行了大量科学理论探索与实验研究,提出了煤与甲烷非均匀势阱吸附的重要理论模型,并对煤与甲烷的吸附热与吸附变形的细观机理进行了全面深入的研究,研究主要涵盖了如下内容:1)通过高温试验系统对吸附压力与温度共同作用下的煤表面非均匀势阱吸附特征及其吸附热变化规律进行了实验研究。研究表明:天然煤体表面非均匀势阱与理想朗格缪尔模型的吸附规律具有明显不同;在吸附过程中,甲烷分子倾向于吸附在势阱较深的吸附位上,不同深度势阱与其覆盖率符合以吸附压力和温度为参数的Logistic(S型)曲线;恒定吸附压力下,高温阶段吸附热明显高于低温阶段;恒定温度下,低吸附压力阶段吸附热高于高吸附压力阶段。2)基于煤与甲烷吸附动力学过程,利用蒙特卡洛方法对煤表面非均匀势阱吸附甲烷特性数值模拟研究表明:在吸附过程中,甲烷分子优先吸附在势阱深的吸附位上;势阱深度的分布非均匀性会对煤体等温与等压吸附甲烷曲线,吸附热变化均产生影响;煤体势阱分布非均匀性越强,其覆盖率对温度与压力的敏感性越弱,并推导出煤吸附甲烷非均匀势阱等温吸附方程,并引用物理实验数据对其进行了验证。3)通过煤样表面层的提取算法,可获得煤样表面CT扫描灰度图像,并与SEM图像形成良好的对应关系。通过对SEM-EDS面测试图像处理可实现对不同细观结构类型物质组分占比与孔隙结构特征的定量化评估;煤中不同细观结构的孔隙结构与煤中黏土矿物质的分布与填充程度密切相关,黏土矿物质非致密填充的细观结构中孔隙更加发育。4)利用自主研发的煤吸附/解吸甲烷红外热成像装置,对细观煤样在不同吸附压力下吸附/解吸甲烷过程中的红外热成像特征研究表明:在吸附甲烷过程中,由于煤不同位置甲烷能力不同,吸附/解吸甲烷时,煤中集中吸附甲烷区域比其它区域具有更明显的升温/降温现象。不同压力下煤表面吸附升温与解吸降温具有一致的非均匀特征,且吸附压力越高,温度变化越明显。5)采用SEM-EDS与红外热成像相结合的方法,对不同吸附压力下煤中甲烷分布及演化特征进行观测。结果表明:由于孔隙结构发育程度和黏土矿物质填充状态等细观结构的差异,煤不同位置具有不同的吸附甲烷特征,这使得不同吸附压力下煤中甲烷分布与演化具有非均匀性:与均值镜质体、黏土矿物质致密填充的胞腔孔与细观裂隙结构相比,结构镜质体中黏土矿物质非致密填充的胞腔孔与细观裂隙内,存在大量不同尺度的角砾孔与破碎煤结构,具有较大的表面积与较多的甲烷分子吸附位,能够储藏大量的甲烷;因此,吸附压力升高时,该细观结构中甲烷吸附量剧烈增加,导致煤中甲烷分布的非均匀性增强,分布位置更加集中。而由于吸附甲烷的平均势阱深度较浅,该细观结构吸附位覆盖率随吸附压力升高的增长速度较慢,使得煤中甲烷吸附的集中程度呈下降趋势。6)应用高精度显微CT实验系统通过细观煤样吸附甲烷扫描来观测其细观特性。研究表明:煤样吸附甲烷会发生体积膨胀变形,并导致煤体孔隙率下降;且煤样不同位置的孔隙率与体积变化均具有非均匀性。在吸附甲烷过程中,煤体骨架体积膨胀会导致煤体孔隙体积减小与外观体积膨胀,且煤体骨架膨胀变形时更倾向于通过挤压煤体原始孔隙来获得膨胀空间。7)利用SEM-EDS与高精度显微CT扫描相结合的手段实现了对煤吸附/解吸甲烷的细观变形规律的研究,发现了吸附甲烷后煤体内部结构同时存在膨胀与挤压两种变形现象。揭示了煤吸附/解吸甲烷的细观变形机理,即:煤吸附甲烷的膨胀与挤压变形是煤不同细观结构间膨胀应力相互作用的结果;吸附甲烷时,密度高的结构易发生膨胀变形,并对密度较低的结构造成挤压。由于结构内部变形能力的差异与变形恢复程度的不协调性,煤解吸甲烷后的残余变形主要发生在密度非均匀性较强的区域。