气体驱替煤层气的概念起源于减少温室气体排放的CO2煤层封存技术。CO2煤层封存过程中不仅减少了温室气体CO2的排放，同时还大幅度提高了煤层气的采收率，具有双赢效果，因此，气体驱替煤层气技术的相关研究受到世界主要发达国家的广泛重视。　　 煤岩的吸附特性是气体驱替煤层气技术的核心机制之一。目前国内外学者在煤岩吸附特性诸多单一控制因素（煤阶、显微组分、煤体结构、水分、温度等）方面已经进行了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果。在煤层中封存CO2的过程中涉及到气体的吸附、煤的变形、渗流与扩散等一系列力学耦合问题。煤层对CO2的吸附能力强于对CH4的吸附能力，所以CO2置换CH4后煤层会膨胀，从而引起煤岩孔隙结构和原位应力状态的的改变，导致渗透率降低。煤岩的孔隙结构和渗透系数变化反过来又影响气体在煤岩中的赋存与流动。以上过程已被广泛的研究，并建立了相应的理论和公式。但是，这些研究均是针对吸附作用对膨胀变形、应力状态、渗透率等的影响，较少有学者反之将储层最敏感因素之一的应力做为煤岩吸附特性控制因素来开展研究。在这样的背景下，本文主要在CO2煤层封存、气体驱替煤层气等技术的现有研究基础上，利用煤层气地质学、岩石力学、固体力学、表面物理化学、多孔介质理论等多学科的理论以及室内试验对不同有效应力作用下煤岩的吸附特性进行了以下几方面的研究:　　 1、在前人研究的基础上，论述了煤岩的化学结构和双重孔隙结构，介绍了固气吸附理论及煤层气领域中常用的数学模型，其中详细地论述了Langmuir吸附方程的适用性和动力学推导过程。分析了煤吸附气体的本质和煤层气体在煤岩中的赋存状态以及论述了煤的吸附能力不仅受煤岩自身的性质（煤的变质程度、煤物质组成等）所制约，还受温度、压力和水份等外部因素的影响。　　 2、提出了应力条件下原煤等温吸附试验方法并开发了相关试验装置。该方法和装置的优点是:①可在模拟地层条件下测量原煤的等温吸附/解吸曲线，较之其他方法更为简便;②可调整不同的应力和温度，能更好的用来研究应力和温度对煤岩吸附特性的影响;③采用圆柱形原煤试样，试验结果有利于和常规岩石力学标准吻合，更接近于真实情况。　　 3、利用上述试验方法和装置，分别在不同有效应力作用下进行了山西潞安脱气干燥原煤样对CH4、CO2、N2气体的等温吸附试验。试验结果表明:　　 (1)在不同有效应力作用下煤岩对CH4、CO2、N2三种单组份气体的等温吸附曲线均符合第Ⅰ类等温线特征，并与Langmuir方程具有较好的拟合程度，决定系数R2大多在0.99以上。　　 (2)在本试验的条件下，煤岩对CH4、CO2、N2三种单组份气体吸附量的大小关系为CO2＞CH4＞N2，这与粉煤已有的试验现象一致。　　 (3)在不同有效应力作用下煤岩对CH4、CO2、N2三种单组份气体的吸附特性均发生了变化，随着有效应力的增加煤岩对三种气体的吸附量均减少。从综合的效果来看，在相同条件下有效应力对三种单组份气体吸附量影响的大小关系为CO2＞CH4＞N2。　　 (4)对于CH4在较低气体压力时吸附量受有效应力影响并不大，但气体压力较高时吸附量受有效应力影响明显;对于CO2在较低气体压力和较高气体压力时吸附量受有效应力影响均明显，几乎呈直线下降趋势。　　 (5)根据三种气体的Langmuir拟合方程发现吸附常数a值与有效应力均成负相关性，但是对于CH4气体吸附常数b值与有效应力均成正相关性，对于CO2气体吸附常数b值与有效应力均成负相关性，N2气体吸附常数b值与CH4气体相似也与有效应力成正相关性。　　 (6)根据试验数据拟合结果提出考虑有效应力影响的Langmuir方程形式:A=a（σe）·b（σe）·p/1+b(σe)·P　　 式中:吸附常数a、b与有效应力σe之间为指数函数关系。　　 4、对应力影响煤岩吸附特性的机理进行了深入的分析。提出了煤岩对不同的气体存在不同临界孔隙尺度的概念。推导了应力作用下煤岩固相与吸附气体之间的化学势差的表达式，基于该表达式分析可知，应力作用下煤岩发生吸附时化学势变化受3方面的因素影响，即弹性应变能、流体压力及有效应力。　　 5、针对煤岩的双重孔隙结构特征，在试验现象和机理分析的基础上，建立了考虑应力影响的Langmuir吸附方程，并利用试验数据对该方程进行了验证，结果表明从岩石尺度上看该方程可以描述应力作用下煤岩吸附特性的变化规律。