矿井瓦斯的高效抽采与利用对煤矿灾害预防、生态环境保护以及提高清洁能源利用率等方面起着关键性作用。但是我国深部煤层渗透率普遍较低,这不仅增加了煤层瓦斯的抽采难度,而且往往会导致煤矿发生严重的瓦斯爆炸事故。目前我国常采用水力化措施对煤层进行注水增透,然而外界的水进入煤层后,会与煤体之间发生相互作用,对煤层瓦斯抽采产生一定影响。同时由于不同变质程度煤体的微观有机结构并不相同,使得其具有不同的宏观物性特征,导致不同变质程度的煤体对外来水的作用机理不全相同,因此研究水分在不同变质程度煤孔隙内的吸附特征、煤孔隙内气液两相界面毛细管力的演化规律以及其对煤层注水效果的影响具有重大意义,不仅有助于认识煤层中水分的运输规律,而且对含水煤层瓦斯的抽采也具有重要的指导意义。本文主要利用实验和数值模拟相结合的方法研究煤-水之间的相互作用。具体地,利用水蒸气吸附法研究水分在不同变质程度煤孔隙内的吸附特征;利用水蒸气吸附法和压力板法研究煤孔隙内气液两相界面毛细管力的演化规律;利用数值模拟方法研究气液两相界面毛细管力对煤层注水过程中水分运移规律的影响。主要研究成果如下所述:首先,对三种不同变质程度的煤样进行低温液氮吸附实验、高压压汞实验、傅里叶变换红外光谱测试实验,揭示了三种不同变质程度煤体的孔隙结构演化特征和分子结构演化特征,探讨了三种不同变质程度煤体孔容、孔径分布、比表面积和官能团的变化规律,并利用DSA分析系统研究了不同变质程度煤样润湿角的变化规律。研究表明,无烟煤的微孔比表面积比中、高阶烟煤大,总比表面积比高阶烟煤大,但是小于中阶烟煤;三种不同变质程度的煤样各种孔体积随挥发分的增大呈现先减小后增大的趋势,中阶烟煤中含有更多的酚羟基,而无烟煤中含有更多的醇羟基;中阶烟煤中含有一定数量的羧基,同时有着大量的C=O和C-O官能团,高阶烟煤、无烟煤中几乎没有羧基;无烟煤的润湿性较差,而高阶烟煤和中阶烟煤的润湿性较好。其次,在恒温条件下对三种不同变质程度煤样进行不同相对湿度下的煤体吸附水分实验,同时结合5种水蒸气吸附模型及煤样的微观结构特征,研究了水分在不同变质程度煤孔隙内的吸附特征,探讨了煤样微观结构对其吸附水分的影响。研究表明,煤样的水蒸气等温吸附曲线分为3个阶段,在不同的相对湿度范围内,三种不同变质程度煤样对水分的吸附速率不同,并且温度对其水蒸气吸附量的影响较小;当相对湿度较低时,煤样的一级吸附点位对水分子的吸附占主导地位,对吸附水量贡献较大;煤样的平衡吸附水量在高相对湿度下与微孔和中孔的比表面积以及分形维数D2正相关,即在高相对湿度下煤样内部微孔和中孔孔隙的比表面积越大,结构越复杂,煤样平衡时所含有的吸附水量越大。再者,在恒温条件下通过压力板法和水蒸气吸附法测量了三种不同变质程度煤样的毛细管力与含水饱和度的关系,研究了煤孔隙内气液两相界面毛细管力的演化规律,探讨了煤样微观结构和润湿性对煤样毛细管力的影响。结果表明,三种不同变质程度煤样中的毛细管力都随着含水饱和度的增加而降低;同一煤样中的毛细管力在不同含水饱和度区域内的变化幅度不相同;在低含水饱和度范围内煤体的微孔孔径对毛细管力的大小起到了主要作用,同时三种润湿性煤样在低含水饱和度范围内毛细管力的大小与润湿性呈正相关,即煤体的润湿性越好,毛细管力越大。最后,在考虑煤层注水过程中的毛细管力效应后,通过建立的气-水两相渗流控制方程和气-水两相渗流辅助方程,对长平、夏店、平煤煤层进行了不同注水压力条件下的数值模拟,分析了毛细管力和注水压力对不同煤层注水效果的影响。结果表明,煤层中的毛细管力在注水过程能够加快煤层中水分的运移速度,对注水效果起到了促进作用;毛细管力较低、孔隙尺度较小的煤层提高注水压力并不能明显地促进注水效果。该论文有图54幅,表10个,参考文献119篇。