Для выяснения влияния влаги на эффект замещения метана CO₂ в глубоких угольных пластах (CO₂-ECBM) в исследование был взят глубокий уголь из Фуканя. Были проведены эксперименты с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса ¹³C-NMR и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), а также создана модель матрицы угля с помощью молекулярного моделирования. Методами молекулярного моделирования исследован микроскопический механизм воздействия влаги на процесс CO₂-ECBM в глубоких угольных пластах. Результаты показали, что матрица угля значительно расширяется после адсорбции газа, при этом объем пор существенно уменьшается. При насыщенной адсорбции метана пористость матрицы угля снизилась на 72,2% по сравнению с исходным значением; при молярном соотношении CO₂ к CH₄ равном 2 проницаемость матрицы угля снизилась на 83,8%. Повышение влажности значительно подавляет свойства угольного пласта: проницаемость матрицы угля при влажности 1%, 3% и 5% уменьшается на 50,9%, 94,9% и 99,6% соответственно, что указывает на сильное препятствие движению газа влагой. Характеристики конкурентной адсорбции показывают, что с увеличением доли CO₂/CH₄ увеличивается адсорбция CO₂, адсорбция CH₄ быстро снижается и происходит его замещение; при соотношении ≥1,2 уровень замещения стабилизируется. Повышение влажности снижает абсолютное количество адсорбированного CO₂ и CH₄ и коэффициент замещения CO₂, но оказывает незначительное влияние на относительный коэффициент замещения CH₄. Теплота адсорбции CO₂ выше, чем у CH₄, что указывает на более сильное сродство CO₂ с углем. Увеличение влажности повышает теплоту адсорбции обоих газов, но она остается ниже 42 кДж/моль, что свидетельствует о физической адсорбции. Порядок взаимодействия энергии угля с CO₂ и CH₄ следующий: E_Coal-CO₂ > E_Coal-CH₄ > E_CO₂-CH₄, CO₂ сохраняет преимущество в конкурентной адсорбции. Коэффициенты диффузии CO₂ и CH₄ значительно снижаются с увеличением влажности и доли CO₂/CH₄, падение у CH₄ выражено сильнее, что указывает на большую чувствительность диффузии метана к влаге. Исследование раскрывает микроскопический механизм замещения CH₄ CO₂ в водонасыщенных угольных пластах и предоставляет теоретическую основу для эффективной разработки угольного газа и инженерных практик геологического захоронения CO₂.

Глубокий угольный газ; молекулярная модель; влажность; CO₂-ECBM; молекулярное моделирование