Afin de révéler l'effet de l'humidité sur le remplacement du CH₄ par le CO₂ (CO₂-ECBM) dans les couches de charbon profondes, le charbon profond de Fukang a été choisi comme objet d'étude. Des expériences telles que la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire ¹³C (¹³C-NMR) et la spectroscopie photoélectronique X (XPS) ont été réalisées, combinées à la construction d'un modèle de matrice de charbon à l'aide de logiciels de modélisation moléculaire, afin d'étudier le mécanisme microscopique de l'effet de l'humidité sur le processus CO₂-ECBM dans les couches profondes. Les résultats montrent que la matrice de charbon subit une expansion significative après adsorption du gaz, le volume des pores diminue fortement. À saturation avec le CH₄, la porosité de la matrice de charbon diminue de 72,2 % par rapport à la valeur initiale ; lorsque le rapport molaire CO₂/CH₄ (ωCO2/ωCH4) est de 2, la perméabilité de la matrice de charbon diminue de 83,8 %. Une augmentation du taux d'humidité inhibe significativement la performance du réservoir de charbon : par rapport au charbon sec, la perméabilité de la matrice de charbon avec des taux d'humidité de 1 %, 3 % et 5 % diminue respectivement de 50,9 %, 94,9 % et 99,6 %, indiquant que l'humidité gêne fortement le flux de gaz. Les caractéristiques d'adsorption compétitive montrent qu'avec l'augmentation de ω_CO2/ω_CH4, la quantité adsorbée de CO₂ augmente, la quantité adsorbée de CH₄ chute rapidement et est remplacée. Le taux de remplacement se stabilise lorsque ω_CO2/ω_CH4≥1,2 ; une augmentation du taux d'humidité fait diminuer les quantités absolues adsorbées de CO₂ et CH₄ ainsi que le rapport injection-remplacement de CO₂, mais a peu d'effet sur le taux de remplacement relatif du CH₄. La chaleur d'adsorption du CO₂ est plus élevée que celle du CH₄, ce qui indique une affinité plus forte du CO₂ avec le charbon ; une augmentation du taux d'humidité augmente la chaleur d'adsorption des deux gaz, mais elle reste inférieure à 42 kJ/mol, indiquant un processus d'adsorption physique. L'ordre des énergies d'interaction entre le charbon et CO₂ et CH₄ est : ECoal‒CO2 > ECoal‒CH4 > ECO2‒CH4, le CO₂ conserve son avantage dans l'adsorption compétitive; les coefficients de diffusion de CO₂ et CH₄ diminuent significativement avec l'augmentation de la teneur en eau et de ωCO2/ωCH4, la baisse de CH₄ étant plus importante que celle de CO₂, ce qui indique que la diffusion de CH₄ est plus sensible à l'humidité. Cette étude révèle le mécanisme microscopique du remplacement du CH₄ par le CO₂ dans les couches de charbon humides, fournissant une base théorique pour le développement efficace du gaz de couche de charbon et la pratique d'ingénierie de stockage géologique du CO₂.

gaz de couche de charbon profond; modèle moléculaire; teneur en eau; CO₂-ECBM; simulation moléculaire