二氧化碳是一种导致全球变暖的主要温室气体,为了解决其对人类生存环境所带来的灾害,利用煤层进行地质封存成为了解决温室气体环境问题的有效途径之一。在煤层中进行二氧化碳封存、净化环境的同时,还可以进行煤层气的开采,即C02-ECBM法,具有一举两得之益。我国煤炭资源丰富,煤种齐全,而不同煤阶煤的变质程度和结构不一,势必对二氧化碳的煤层处置和强化煤层气产出效果也会有所差异。为此,本文首先针对二氧化碳驱替煤层甲烷的过程,研究与总结了二氧化碳和甲烷在驱替中的竞争吸附、渗流及扩散机理,然后对三种煤样原生孔裂隙结构特征进行了研究,最后利用大尺寸(100mm×100mm×200mm)原煤,分别进行了三种不同煤阶煤的二氧化碳渗透性、吸附扩散性和二氧化碳驱替甲烷试验研究。主要研究结果如下:(1)对于三种煤样的显微CT试验研究发现,三种煤样的原生孔裂隙结构存在明显的差异,弱粘煤的大孔孔隙率、大孔比表面积和逾渗概率大于贫瘦煤,相应贫瘦煤的上述参数大于焦煤。表现为弱粘煤的渗透性大于贫瘦煤,贫瘦煤的渗透性大于焦煤。(2)对于三组煤样的二氧化碳渗透性试验研究发现,除体积应力和渗透压对渗透率有重要影响外,不同煤阶的煤对二氧化碳的渗透性也有重要影响。对于同一煤样,二氧化碳的渗透率随体积应力的增大而减小,随渗透压的增大而增大;对于不同种煤样,在相同的应力条件下,随煤阶的升高,二氧化碳在煤中的渗透率呈现高-低-高的变化规律,即弱粘煤的渗透率大于贫瘦煤,贫瘦煤的渗透率大于焦煤。(3)对于三组煤样的二氧化碳、甲烷吸附扩散性试验研究发现,在相同的测试条件下,同一煤样对不同气体的吸附扩散性是不同的,二氧化碳的吸附量大约是甲烷的2倍,且二氧化碳在煤中的吸附扩散时间要长于甲烷,同时二氧化碳的扩散速率要高于甲烷;不同煤阶的煤样对同一种气体的吸附扩散性是不同的,呈现随煤阶的增加吸附能力和扩散时间也相应增加的趋势。(4)对于三组煤样的二氧化碳驱替甲烷试验研究发现,在相同的测试条件下,对于同一煤样,二氧化碳在煤体中的储存量始终高于甲烷的产出量,且在驱替初期,二氧化碳在煤层的吸附储存速度更快、效果更好,同样甲烷的产出速度和效果比后期更好;对于不同种煤样,在10小时的动态驱替下,弱粘煤的最终二氧化碳储存量高于贫瘦煤,贫瘦煤的二氧化碳储存量高于焦煤,而贫瘦煤的甲烷产出量高于焦煤,焦煤的甲烷产出量高于弱粘煤;三组煤样的二氧化碳储存率和甲烷产出率是不同的,表现为不同煤阶的煤样对二氧化碳的储存效果和甲烷的产出效果存在差异,分别与煤阶呈正相关和负相关关系。(5)综合二氧化碳在煤层中的储存率、甲烷产出率以及驱替置换比,可以得到:在10小时的动态驱替下,三组煤样的驱替置换规律基本一致,而驱替效率在三种不同阶煤层中呈现高-低-高的变化规律,即二氧化碳在高煤阶(贫瘦煤)和低煤阶(弱粘煤)煤层中的驱替效果要好于中煤阶(焦煤)煤层。