煤层气俗称“煤层瓦斯”,其主要成分是甲烷,是与煤炭伴生并且主要以吸附态赋存于煤层内的一种高效、洁净能源。与此同时,煤层瓦斯灾害也是危害煤矿安全生产的巨大隐患之一,并且煤层气还是一种对生态环境破坏性极强的温室气体。因此,煤层气的合理开发和利用在能源、安全、生态等相关领域中显得至关重要。在煤层气开采过程中,瓦斯要经历从煤体表面的解吸过程,以及在煤体的孔隙、裂隙中扩散和渗流过程。在瓦斯从煤体表面解吸过程中,瓦斯要吸收一部分热量(称为吸附热),使得周围温度下降,解吸能力下降,从而阻碍瓦斯的解吸过程。在瓦斯经历解吸、扩散和渗流过程后,煤体本身要发生收缩变形,使得扩散和渗流的通道发生变化,从而影响瓦斯的扩散和渗流过程。在不破坏煤体结构的情况下,煤层气开采方法主要有通过降低压强的抽采方法和提高温度的注热开采方法。压强和温度是煤层气开采过程中的重要指标,研究压强和温度的变化规律可以有效地预测瓦斯解吸量。因此,研究煤体吸附(解吸)瓦斯的放热(吸热)效应和膨胀(收缩)效应对于煤层气开采具有重要意义。本文主要完成了以下研究工作:(1)系统地阐述了凝聚热、吸附热和变形产生的微观机理,揭示了凝聚现象和吸附现象的物理本质。(2)引入两能态简化模型,应用于计算吸附热,给出清晰的物理图景。(3)根据朗缪尔统计力学模型,从吸附的角度出发,将二维平面吸附推广到分形表面吸附,得到了基于德布罗意平均热波长的分形维数。(4)通过直接的和间接的实验方法对煤吸附气体的吸附热和变形进行测定,并对理论进行了验证。(5)引入了无量纲量ξ=Qm/RT=qm/kT作为选择理论模型的依据,指明了各种模型之间的联系和区别。(6)提出了将吸附热应用于预测瓦斯储量的观点。(7)对于不同种类的煤对同一气体的吸附热不相同,同一种煤对于不同的气体的吸附热也不相同。(8)通过实验方法测定了煤体对甲烷和二氧化碳的吸附热。通过定容解吸实验的得到不同种煤对甲烷的吸附热。在标准大气压和室温下,乡宁煤的吸附热为-9.87kJ/mol,屯留煤的吸附热为-13.72kJ/mol,开元煤的吸附热为-14.07kJ/mol。通过温度和变形效应同时测定实验得到阳泉无烟煤在低压下对二氧化碳气体的吸附热为-12.71kJ/mol。(9)在一定范围内,温度、变形和吸附量中的两者之间满足正比例关系。(10)在吸附过程中,降低的表面能转化为吸附热和变形能。