Zur Aufklärung der Wirkung von Feuchtigkeit auf den Austausch von CH₄ durch CO₂ (CO₂-ECBM) in tiefen Kohleschichten wurde tiefes Kohlematerial aus Fukang als Untersuchungsobjekt gewählt. Es wurden Experimente durchgeführt, darunter 13C-Kernspinresonanzspektroskopie (¹³C-NMR) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), kombiniert mit der Konstruktion eines Kohlesubstanzmodells mittels molekularer Simulation. Mit molekularen Simulationsmethoden wurde der mikroskopische Wirkmechanismus der Feuchtigkeit im CO₂-ECBM-Prozess in tiefen Kohleschichten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kohlesubstanz nach der Gasadsorption eine signifikante Volumenausdehnung erfährt und das Porenvolumen stark abnimmt. Bei sättigter CH₄-Adsorption nimmt die Porosität der Kohlesubstanz im Vergleich zum Anfangswert um 72,2 % ab; bei einem Molverhältnis von CO₂ zu CH₄ (ωCO2/ωCH4) = 2 die Permeabilität der Kohlesubstanz um 83,8 % abnimmt. Ein Anstieg des Wassergehalts hemmt die Leistungsfähigkeit des Kohlebeckens deutlich, die Permeabilität der Kohlesubstanz sinkt im Vergleich zu trockenem Kohlematerial bei Wassergehalten von 1 %, 3 % und 5 % um 50,9 %, 94,9 % bzw. 99,6 %, was darauf hinweist, dass Wasser den Gasfluss stark behindert. Die Wettbewerbsadsorption zeigt, dass mit zunehmendem ω_CO2/ω_CH4 die CO₂-Adsorptionsmenge zunimmt, die CH₄-Adsorptionsmenge schnell abnimmt und verdrängt wird. Die Verdrängungsrate stabilisiert sich bei ω_CO2/ω_CH4≥1,2; ein Anstieg des Wassergehalts verringert die absoluten Adsorptionsmengen von CO₂ und CH₄ sowie das Injektions-zu-Verdrängungsverhältnis von CO₂, hat jedoch nur geringe Auswirkungen auf die relative Verdrängungsrate von CH₄. Die Adsorptionswärme von CO₂ ist höher als die von CH₄, was auf eine stärkere Affinität von CO₂ zum Kohlenstoff hinweist; der Anstieg des Wassergehalts erhöht die Adsorptionswärme beider Gase, liegt jedoch unter 42 kJ/mol, was darauf hindeutet, dass es sich um eine physikalische Adsorption handelt. Die Reihenfolge der Wechselwirkungsenergien zwischen Kohle und CO₂ sowie CH₄ ist: ECoal‒CO2 > ECoal‒CH4 > ECO2‒CH4, CO₂ behält den Vorteil bei der kompetitiven Adsorption; die Diffusionskoeffizienten von CO₂ und CH₄ verringern sich mit zunehmendem Wassergehalt und dem Verhältnis ωCO2/ωCH4 deutlich, wobei der Rückgang bei CH₄ größer als bei CO₂ ist, was zeigt, dass die Diffusion von CH₄ gegenüber Feuchtigkeit empfindlicher ist. Die Studie enthüllt den mikroskopischen Mechanismus des CO₂-Ersetzens von CH₄ in feuchten Kohleschichten und kann als theoretische Grundlage für die effiziente Entwicklung von Grubengas und die ingenieurmäßige Praxis der geologischen CO₂-Speicherung dienen.

tiefes Grubengas; Molekülmodell; Wassergehalt; CO₂-ECBM; molekulare Simulation