控制CO2等温室气体的排放是减缓全球变暖趋势的重要措施之一。将CO2封存于不可开采煤层，同时增强煤层甲烷(CH4)开采的减排方案(CO2-ECBM)，可在控制CO2排放的同时获得清洁低碳燃料CH4。分布在不同国家的试井结果均表明CO2-ECBM在技术上是可行的，但是其实施效果随煤层而异，这主要源于煤层性质的差异。煤层的裂隙被认为是CH4、CO2和水运移的主要通道，而煤基质是CH4和CO2吸附存储的主要场所。煤基质致密的织构会影响到气体在煤层中的吸附和渗透特性，进而会制约CO2的封存和CH4的开采效果。正确认识有应力和含水条件下，CH4和CO2在煤基质中的吸附和传递特性，是目前亟需解决的关键问题之一。　　 配合荷兰壳牌公司和欧盟第六框架计划MOVECBM项目的要求，本论文选用山西沁水盆地的阳泉和沁水两种无烟煤，重点考察了煤样尺寸对气体在煤中扩散和吸附的影响，重点研究了应力、含水量和裂隙等因素对气体在煤柱中传递性质的影响，以认识气体在有应力作用下、含水的煤基质块中的吸附和传递规律。论文的主要贡献和创新点在于：利用体积法吸附仪，对比了CH4和CO2在4个尺寸分布(从粉末状的<0.354mm样品至块状的4-10 mm样品)的煤样上的吸附等温线和动力学数据，并分析了吸附量和扩散系数随着煤样尺寸变化的原因；利用三轴渗透装置，对比了不同应力和气体平均压力条件下煤柱对氩气的渗透行为，比较了在同等应力作用下，不同气体在含水的煤柱中的传递行为，并根据不同传递机理建立了相应的数学模型，用于认识气体在有应力作用下的煤柱中的传递规律。力图为CO2-ECBM技术的发展提供基础数据和理论依据。　　 论文的主要研究结果如下：　　 (1)实验条件下，CH4和CO2的吸附量和吸附动力学随煤样尺寸的变化，主要归因于煤样的化学组成和物理结构的差异：对于易磨碎的阳泉煤而言，煤样的灰分含量随着煤样尺寸的增加而明显升高(从15.6％升至30.9％)。以空气干燥基煤样表示时，吸附量随着煤样尺寸的增大而降低；以无灰基或干燥无灰基煤样表示时，3个较小尺寸分布煤样的吸附量基本相等，只有最大尺寸分布煤样(4-10mm)的吸附量相差较大。这时，煤中矿物质的差异带来的影响较为突出。由于灰含量只能近似代替矿物质含量，气体在矿物质上没有吸附的假设也只是一种近似，导致矿物质含量较高组分的性质表现出较明显的偏离。对于结构相对致密、不易磨碎的沁水煤而言，4个不同尺寸分布的煤样在工业分析、元素分析和显微煤岩组成上均无明显差异。3个较大尺寸分布的空气干燥基煤样的吸附量很接近，无灰基或干燥无灰基煤样也有类似规律。但最小尺寸分布煤样(-0.354mm)的吸附量(尤其是对CO2的吸附量)高于其他尺寸的组分。对于结构致密样品，较小尺寸组分的孔隙系统在一定程度上会优于较大尺寸组分的。这时，煤结构的差异带来的影响较为突出，导致小尺寸组分表现出较明显的吸附优势。　　 气体在阳泉煤中的有效扩散系数随着煤样尺寸的增大而明显升高，这与阳泉煤的矿物质含量和裂隙结构随着煤样尺寸变化较大有关。而气体在沁水煤中的有效扩散系数随着煤样尺寸的变化很小，这是因为不同尺寸煤样的化学组成和裂隙结构差异不大。　　 (2)CH4和CO2在沁水煤上的吸附量比阳泉煤高。通过低温N2(77K)和CO2(273K)吸附表征煤的孔隙特征，发现用CO2测定的沁水煤的孔隙体积比阳泉煤高，而用N2测定的沁水煤的孔隙体积比阳泉煤低，这说明用CO2吸附表征的孔隙体积与实验条件下CH4和CO2在煤上的吸附量有一定的相关性。　　 (3)对于含碳酸盐(主要是碳酸钙和碳酸镁)量低的阳泉煤样而言，当其含水量由1％增至3％时，煤样对CH4和CO2的吸附量降低了10％，CH4和CO2的有效扩散系数分别降低了48％和40％；对于含碳酸盐(主要是碳酸钙和碳酸镁)量较高的沁水煤而言，当煤样的含水量由2％升至6％时，CH4和CO2的有效扩散系数降低了50％和67％，煤样对CH4的吸附量降低了17％，但是对CO2的吸附量却略有增加。这说明水的存在一方面因占据了吸附位和部分孔隙而降低了气体的吸附量；另一方面，对于某些同时含水和含碳酸盐矿物质的煤样而言，CO2可能溶解在水中后，与碳酸盐发生反应，从而促进煤样对CO2的吸收。　　 (4)氩气在煤柱中的渗透率受应力和气体压力的影响：裂隙煤柱(含可见裂隙的煤柱)对氩气的渗透率随着应力的增加而降低。但是在40MPa应力条件下裂隙煤柱对氩气的渗透率仍高于20MPa应力条件下基质煤柱(不含可见裂隙的煤柱)对氩气的渗透率，这说明裂隙煤柱的裂隙难以由应力完全关闭。　　 提出的煤柱气体渗透率三参数数学模型结合了有效应力和气体压力两个变量的影响，可用于不同条件下的煤柱渗透率预测分析。　　 (5)在20MPa应力条件下，水在煤柱中的渗透率仍可测，但远小于同等条件下氩气在煤中的渗透率。　　 (6)相同应力条件下，He、Ar、CH4或CO2在含水煤柱中的传递行为并不相同，与流体类型和煤柱结构有关：　　 由于裂隙煤柱中水的毛细压力比基质煤柱低的多，大部分气体可以驱替裂隙煤柱中的水，并以粘滞流在裂隙煤柱中流动，但实验所用气体都不能够克服基质煤柱中水的毛细压力作用，气体主要通过扩散在基质煤柱中传递。　　 利用设计的溶解/扩散、自由态/扩散和吸附/扩散等三种模型，拟合气体在含水的基质煤柱两侧的压力变化轨迹，明确了如下传递机理：氦气(He)主要通过基质煤柱中没有被水占据的微孔扩散；氩气(Ar)、CH4和CO2主要以吸附态在含水的基质煤柱中扩散。气体在含水基质煤柱中的有效扩散系数大小顺序是：He>CO2>Ar>CH4。