彬长矿区地处鄂尔多斯盆地南部渭北隆起北缘,为典型侏罗纪低阶煤开采区。选取区内大佛寺井田4#煤储层为研究对象,基于煤层气地质学、界面物理化学、表面活性剂化学等基础理论知识,主要采用大样量煤层气吸附/解吸实验测试和吸附势预测理论分析相结合的方法,通过热力学定量计算与定性分析,从煤储层微观角度研究煤、水、甲烷共存下的固-液-气三相耦合体系,探究相间作用关系,最终揭示煤-水-甲烷作用模式。论文主要获得以下成果和认识:(1)基于Polanyi吸附势理论,以储层温度下的实测数据为依据,建立了考虑“逸度”影响在内的修正的温-压综合吸附预测模型。进而预测了不同类型煤样(空干基煤样、平衡水煤样、不同润湿煤样)在不同温压下的等温吸附/解吸参数,发现实验条件(温压受限)和极限条件(理想温压)下的吸附量和吸附热变化规律不同,可能是温度、压力和润湿剂综合影响下的水分-甲烷作用过程差异所导致。(2)较高的水分、灰分含量,高氧含量以及高惰质组、低镜质组含量,丰富的含氧官能团种类和发育的孔、裂隙是使大佛寺低阶煤煤体亲水良好的内在原因。外因方面,不同类型表面活性剂性质对润湿性影响不同,润湿性由强到弱依次为:正润湿剂、蒸馏水、排采水、负润湿剂。(3)“水分”对甲烷存在置换作用和解吸作用两方面影响。温度、压力和润湿剂综合影响置换解吸效果,置换作用方面,升压促进置换效应,升温则抑制,平衡水样与正润湿样产生甲烷置换正效应,负润湿样产生置换负效应。解吸作用方面,在相对低压段,单位压降更利于甲烷解吸,升压解吸参数减小,低压解吸滞后率大,高压则趋于平缓;升温解吸参数增大,高温解吸滞后则减弱。(4)表面自由能和润湿热的计算证实液态水润湿(加活性剂处理)放出热量可有效促进吸附态甲烷解吸。(5)煤基质中气态水的形成与孔隙结构有关,水分运移主要以液态水润湿和气态水扩散(蒸发)两种形式,气态水对吸附态甲烷形成置换解吸,液态水一定程度上可能利于甲烷的吸附。大佛寺低阶煤煤层气解吸实质是压降传递(能量作用)和汽化水蒸气(置换效应)共同作用的结果。