瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害的主要技术措施。然而,中国超过70%煤层渗透率小于1m D,随着开采深度的逐渐增加,煤体渗透率将更低,故瓦斯抽采效果并不理想。基于此,本文以提高低渗煤层瓦斯抽采率为切入点,对外加氮气在煤体中流动温度效应及瓦斯增产机理进行研究。主要成果如下:试验研究了不同煤阶煤体破坏过程中能量演化机制:(1)循环应力加载作用下,焦煤和无烟煤的最大偏应力分别为41.3MPa和120.8MPa,其对应的应变分别为14.4×10-3和10.8×10-3;(2)无烟煤的储能极限是焦煤的2.69倍,无烟煤最大耗散能密度是焦煤的3.19倍;(3)无烟煤初次能量释放为92.8%,而焦煤为39.5%;基于此,确定了焦煤和无烟煤的注气试验方案。采用三轴伺服渗流装置研究了外加氮气在低渗焦煤中的流动特性:(1)煤体的三轴抗压强度、残余强度和弹性模量随氮气温度和压力升高而下降,但变化趋势不同;(2)外加氮气注入煤体过程中,渗透率随时间先出现一定幅度减小,然后突然增加到特大值后维持基本稳定;氮气温度越高、氮气压力越大,煤体的最大渗透率比越大;(3)多循环氮气注入有利于煤体的裂纹再次扩展,其增加渗透率效果强于单次氮气注入。采用单轴气动致裂装置研究了外加氮气在低渗无烟煤中的流动特性:(1)连续常温外加氮气作用下,轴压越大,煤体起裂压力越大,起裂时间越短;(2)外加氮气分级注入条件下,电阻率随时间出现先减小再增大最后跳跃和先缓慢增大最后跳跃的两种情况;煤体的起裂压力随氮气温度的升高呈近线性减小;(3)煤体吸附氮气能降低电阻率,煤体的电阻率随温度的升高呈下降趋势,裂隙扩展能有效地切断煤体的导电通道,提高煤体的电阻率;(4)外加氮气在煤体流动过程中,电阻率先下降是由于煤体对氮气的吸附作用和煤体升温作用综合引起电阻率降低的效果大于氮气对煤体裂隙扩展引起电阻率升高的效果,煤体电阻率缓慢上升则恰恰相反;电阻率的跳跃,是煤体破裂阻碍导电通道的结果。建立了外加氮气在煤体流动过程中的热-流-固耦合数学模型,以平顶山矿区井下穿层钻孔为例,研究了外加氮气注入各因素对渗流温度效应的影响:氮气温度、注气时间和钻孔直径对氮气渗流的温度效应影响显著,而氮气压力和煤体初始渗透率对氮气渗流的温度效应影响甚微。对标准煤样(φ50mm×100mm)进行了外加氮气驱替瓦斯效果的模拟计算:(1)氮气温度越高,甲烷的回收率增加越快,回收率越大,氮气的温度效应显著;(2)氮气压力越大,甲烷产气量极值越大,回收率增加速度越快;(3)从煤体回采的安全性和瓦斯利用的经济性出发,得出本案例氮气最佳温度-压力配比。研究成果有利于指导60~100℃氮气注入煤体方法在现场应用。