我国是煤炭生产大国,由于赋存地质条件颇为复杂,煤层渗透率普遍较低,矿井瓦斯一直威胁着矿井安全生产工作;同时,瓦斯还是一种高热值的清洁能源;因此,实现煤层瓦斯高效抽采和利用具有重大意义。本文围绕煤层注N₂驱替CH₄技术开展系统的模拟实验,以吸附学、渗流力学、表面化学、气体状态方程等理论为基础,推导注气驱替过程中孔隙率及渗透率的动态演化模型,并利用有限元数值模拟的方法对煤层注气驱替的实验进行了数值解算,对渗透率动态演化模型进行验证,完善了注气驱替煤层CH₄的理论模型。本文利用自行研制的注气驱替煤层CH₄的实验平台,进行了不同注N₂压力下的驱替实验。结果表明,N₂的突破时间随着注气压力的升高而提前,但N₂突破后出气口仍有很长一段时间的CH₄产出,说明注N₂对煤层中CH₄的驱替并非作用于一个面上;并测取了驱替体积比、驱替效率等与出气口的体积分数的变化关系,为现场的注气试验提供基本的参考依据。驱替过程中跟踪了渗透率的动态变化并进行了不同注源气体对煤层渗透率的实验研究,为后文的渗透率动态演化模型的验证提供了实验数据的支撑。假设煤体中二元气体的流动场是由吸附态的气体在煤基质中的扩散运动和游离态气体在基质块间裂隙中的渗流运动共同构成,且分别遵从Fick定律和Darcy定律。注气后,原本煤层中CH₄的吸附解吸平衡被打破,孔-裂隙系统中要发生N₂-CH₄二元气体的质量交换。基于以上原理,考虑煤体有效应力变化和吸附膨胀-解吸收缩效应等综合因素的影响,建立驱替煤层孔隙率及渗透率的动态演化模型。在建立反映二元气体吸附-解吸,扩散-渗流的数学模型的基础上,利用COMSOL Multiphysics数值模拟平台,分别进行了不同注N₂压力条件下,不同初始渗透率条件下的数值模拟研究,与物理模拟结果进行了比对,并验证了渗透率动态演化模型的可靠性,完善了注气驱替煤层CH₄的数值模拟理论。