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随着中国矿井开采深度增加，煤层瓦斯压力与瓦斯含量增大，地应力增加，煤体渗透率降低，瓦斯抽采效率降低。论文以吸附热力学、流体力学、煤岩学等理论为基础，采用实验室实验、物理模拟、数值模拟、井下工业性试验相结合的方法，研究煤体注入CO2置换驱替CH4机理并在常村煤矿2302辅助运输巷进行了工业性试验。主要研究成果如下：
（1）煤体孔裂隙结构表征、煤吸附气体特性及吸附热力学研究。综合分析法测得孔隙体积与比表面积结果介于二者之间，赵庄煤样孔隙体积与比表面积均大于常村煤样；气体吸附量均随含水率与温度升高而降低；赵庄煤样吸附CH4与CO2气体量均大于常村煤样；随着温度升高，ln(b√T)与1/T线性增加，吸附常数a线性降低；吸附CO2气体表面自由能、等量吸附热与吸附势均大于吸附CH4气体。吸附势与吸附体积符合三次函数关系。
（2）煤吸附CH4与CO2气体微细观作用机理研究。采用MS软件模拟得到CO2吸附量与等量吸附热均大于CH4分子，CO2能量峰值小于CH4能量峰值。核磁共振实验研究表明CO2注气压力越高，置换CH4效果越好。电镜扫描实验表明CO2注入温度与注入压力升高促进了煤体孔裂隙结构发育。红外光谱实验表明煤吸附CO2气体后未出现新的吸附峰。
（3）不同注气压力、含水率与煤体温度时CO2置换驱替CH4物理模拟实验。利用自主研发的CO2置换驱替CH4实验平台得出CH4气体渗透率大于CO2气体渗透率且渗透率与注入压力呈负指数关系变化；CO2注气压力升高与含水率降低，置换体积比降低，置换效率升高，单位质量煤封存CO2量升高；煤体温度升高，置换体积比降低，置换效率升高，单位质量煤封存CO2量降低；高注气压力、高含水率与低煤体温度条件下CO2突破时间缩短；CO2气体浓度与CH4气体浓度变化规律相反；CO2注气压力越大、含水率越低与煤体温度越低，CH4累计排出量越大，初期产气速率越大。
（4）CO2置换驱替CH4多场耦合模型及演化规律。构建了CO2置换驱替CH4气水两相流固耦合数学模型，并采用COMSOL软件进行了CO2置换驱替CH4多场耦合模拟，得到CO2注入压力越高，煤体渗透率越低，瓦斯抽采量越大，抽采有效影响半径与抽采时间近似符合指数关系变化。初始渗透率、抽采负压与抽采钻孔孔径越大，随着时间增加，瓦斯压力与瓦斯含量越小，瓦斯抽采量越大。常村煤矿2302辅助运输巷应用后，瓦斯浓度提高2.02倍，瓦斯抽采纯量提高3倍。
低渗透性煤层CO2置换驱替煤层CH4技术的研究，对提高瓦斯抽采效率、强化瓦斯抽采技术与CO2封存具有重要意义。
（1）煤体孔裂隙结构表征、煤吸附气体特性及吸附热力学研究。综合分析法测得孔隙体积与比表面积结果介于二者之间，赵庄煤样孔隙体积与比表面积均大于常村煤样；气体吸附量均随含水率与温度升高而降低；赵庄煤样吸附CH4与CO2气体量均大于常村煤样；随着温度升高，ln(b√T)与1/T线性增加，吸附常数a线性降低；吸附CO2气体表面自由能、等量吸附热与吸附势均大于吸附CH4气体。吸附势与吸附体积符合三次函数关系。
（2）煤吸附CH4与CO2气体微细观作用机理研究。采用MS软件模拟得到CO2吸附量与等量吸附热均大于CH4分子，CO2能量峰值小于CH4能量峰值。核磁共振实验研究表明CO2注气压力越高，置换CH4效果越好。电镜扫描实验表明CO2注入温度与注入压力升高促进了煤体孔裂隙结构发育。红外光谱实验表明煤吸附CO2气体后未出现新的吸附峰。
（3）不同注气压力、含水率与煤体温度时CO2置换驱替CH4物理模拟实验。利用自主研发的CO2置换驱替CH4实验平台得出CH4气体渗透率大于CO2气体渗透率且渗透率与注入压力呈负指数关系变化；CO2注气压力升高与含水率降低，置换体积比降低，置换效率升高，单位质量煤封存CO2量升高；煤体温度升高，置换体积比降低，置换效率升高，单位质量煤封存CO2量降低；高注气压力、高含水率与低煤体温度条件下CO2突破时间缩短；CO2气体浓度与CH4气体浓度变化规律相反；CO2注气压力越大、含水率越低与煤体温度越低，CH4累计排出量越大，初期产气速率越大。
（4）CO2置换驱替CH4多场耦合模型及演化规律。构建了CO2置换驱替CH4气水两相流固耦合数学模型，并采用COMSOL软件进行了CO2置换驱替CH4多场耦合模拟，得到CO2注入压力越高，煤体渗透率越低，瓦斯抽采量越大，抽采有效影响半径与抽采时间近似符合指数关系变化。初始渗透率、抽采负压与抽采钻孔孔径越大，随着时间增加，瓦斯压力与瓦斯含量越小，瓦斯抽采量越大。常村煤矿2302辅助运输巷应用后，瓦斯浓度提高2.02倍，瓦斯抽采纯量提高3倍。
低渗透性煤层CO2置换驱替煤层CH4技术的研究，对提高瓦斯抽采效率、强化瓦斯抽采技术与CO2封存具有重要意义。