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天然气资源需求量的急剧增长，带动了天然气开采技术的发展，中国的煤炭资源和煤层气资源十分丰富，因而在我国发展煤层气开采技术是弥补天然气能源短缺的重要手段。另一方面，CO2减排的需求随着我国温室气体排放增大而增大，因此在中国发展二氧化碳捕集和利用(CCUS)技术十分必要。将上面两种关键技术进行结合，注入气体增采煤层气(ECBM)技术是近年来广泛关注的热点之一，但是这种技术还处于探索阶段。本文的研究内容以煤的关键参数渗透率为切入点，通过弹性力学、渗流力学和有限元数值分析等理论和方法对注入气体驱替煤层CH4动态过程进行系统性的研究;以及实验室尺度的三种不同气体注入类型的驱替煤层CH4的实验，研究了不同气体组分在注入后的影响CH4抽采的动态演化规律。 对沁水盆地长子区块屯留煤矿3-5＃煤层进行取样分析，煤样变质程度为中等变质程度烟煤，等温吸附实验的Langmuir极限吸附量常数的比较表明煤样的吸附能力从小到大依次为N2、CH4和CO2，低压下的解吸实验表明煤样能够在极短时间内解吸出几乎一半的吸附总量。测定的基础参数是有限元数值分析的基础。 依据裂隙分布情况选取4个煤样开展了完备的实验室条件的渗透率基础实验，其中恒定孔压围压增大的实验，渗透率随着有效应力增大而减小。恒定有效应力实验条件下，渗透率测定值随着孔压增大而减少。恒定围压孔压增大的实验条件，渗透率随孔压增大不再是唯一的单调性，往往先减小后增大。推导了适用于实验室条件的渗透率模型，模型的主要参数包括裂隙压缩性系数Cp(M)、吸附应变系数r和校正系数f,这些参数与加载过程、气体类型和有效应力有关。Connell模型和Chen模型是及其简单的模型，然而却明显高估了实验测量结果。 搭建了注气驱替煤样CH4的实验设备，进行了纯CO2注入、纯N2注入和50％CO2/50％N2注入三种注入条件而且煤样出口压力10倍大气压下的驱替煤样CH4的实验研究。结果表明不同气体类型的注入实验，煤样出口各个组分在出口处产气浓度相等时产气速度也相等。多元气体在煤样中的流动受N2的影响主要在注气前期阶段，N2的影响表现为前期出口处N2浓度变化快速增大而CH4浓度快速减小;CO2在多元气体流动过程中处于流速劣势的状态，相应的CO2会显著影响注入CO2/N2混合气驱替煤样CH4实验的后期，而且这种影响表现为浓度的缓慢变化。气体注入速度与注气时间和气体类型有关，如注气前期CO2注入速度最大，但后期却最小。CH4采收率实验结果从大到小依次是CO2注入、CO2/N2注入和N2注入。 在物理模拟的基础上结合“驱替”的物理过程构建反映多元气体竞争吸附、竞争扩散、气体渗流和煤体变形数学模型，应用COMSOL Multiphysics求解并建立了数值模拟平台，在此数值模拟平台上分别对物理模拟的三种气体注气条件进行了驱替煤层CH4数值模拟研究。 煤样尺度的注气驱替CH4模拟表明，多元气体在煤储层中流动，N2一般影响注气前期阶段，此时N2产气浓度和速度都急剧增大，而CO2一般影响注气的后期阶段的CH4浓度的变化。N2注入的情形，模拟的CH4产气衰减速度相比混合气注入条件和CO2注入条件要大。注入CO2情形煤样渗透率随气体注入后会显著降低;注入混合气和注入N2，在注气初期存在一个渗透率增大的现象。 现场尺度模拟表明N2相比CO2优先突破，在相同的注入时间时，测点处N2浓度相比CO2浓度大。注入气体N2含量增大，则生产气体中N2分压力和组分浓度增长的也越快。CO2注入会导致煤层渗透率降低，混合气中N2则会起到增大渗透率的作用。混合气体注入时在注气后期抽采井CH4产量为三种注入条件的最大值，纯N2则表现出抽采的后劲不足的情形，纯N2注入的条件在注气前期有明显的增采效果。 三个因素被用于优化驱替煤层气的注入气体组分浓度，包括气体注入量、CH4抽采量和出口浓度定值对应的时间，运用归一化的方法，得到煤样驱替注入混合气中N2含量应该在20％～40％，而现场条件下注入混合气中N2适宜的浓度在40％左右。