Afin de révéler l'influence de l'humidité sur l'effet de remplacement du CH₄ par injection de CO₂ dans les couches profondes de charbon (CO₂-ECBM), du charbon profond de Fukang a été utilisé comme objet d'étude. Des expériences telles que la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du ¹³C (¹³C-NMR) et la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) ont été réalisées, combinées avec la construction d'un modèle de matrice de charbon via un logiciel de simulation moléculaire. Une méthode de simulation moléculaire a été utilisée pour étudier le mécanisme microscopique de l'effet de l'humidité sur le processus CO₂-ECBM dans les couches profondes de charbon. Les résultats montrent que la matrice de charbon subit une expansion significative après adsorption du gaz, avec une réduction importante du volume des pores. À saturation d'adsorption de CH₄, la porosité de la matrice de charbon diminue de 72,2 % par rapport à la valeur initiale; lorsque le rapport molaire CO₂/CH₄ est de 2, la perméabilité de la matrice de charbon diminue de 83,8 %. L'augmentation de la teneur en eau inhibe significativement les performances du réservoir de charbon : comparé au charbon sec, la perméabilité de la matrice du charbon à 1 %, 3 % et 5 % d'humidité diminue respectivement de 50,9 %, 94,9 % et 99,6 %, indiquant que l'eau entrave fortement le flux de gaz. Les caractéristiques d'adsorption compétitive montrent qu'avec l'augmentation du rapport CO₂/CH₄, la quantité d'adsorption de CO₂ augmente, tandis que celle de CH₄ diminue rapidement et est remplacée; lorsque le rapport est ≥1,2, le taux de remplacement tend à se stabiliser. L'augmentation de la teneur en eau réduit la quantité absolue adsorbée de CO₂ et CH₄ ainsi que le ratio d'injection et de remplacement de CO₂, mais influence peu le taux de remplacement relatif du CH₄. La chaleur d'adsorption de CO₂ est supérieure à celle de CH₄, indiquant une affinité plus forte entre CO₂ et le charbon; l'augmentation de la teneur en eau accroît la chaleur d'adsorption des deux gaz, mais reste inférieure à 42 kJ/mol, indiquant un processus d'adsorption physique. L'ordre d'énergie d'interaction du charbon avec CO₂ et CH₄ est : E_Coal-CO₂ > E_Coal-CH₄ > E_CO₂-CH₄, CO₂ conserve son avantage lors de l'adsorption compétitive; les coefficients de diffusion de CO₂ et CH₄ diminuent considérablement avec l'augmentation de la teneur en eau et du rapport CO₂/CH₄, la diminution étant plus importante pour le CH₄, indiquant une sensibilité accrue de la diffusion du CH₄ à l'humidité. Cette étude révèle le mécanisme microscopique du remplacement du CH₄ par CO₂ dans les couches humides de charbon, fournissant une base théorique pour le développement efficace du gaz de mine et la pratique de l'enfouissement géologique du CO₂.

Gaz de charbon profond; Modèle moléculaire; Teneur en eau; CO₂-ECBM; Simulation moléculaire