煤层瓦斯是影响矿井正常安全开采的主要因素之一,煤层瓦斯抽采是治理煤层瓦斯的主要方法,但我国很多煤层存在渗透率低导致瓦斯抽采较为困难等问题。近年来采用煤层瓦斯驱替的办法解决煤层瓦斯抽采问题被广泛关注。采用煤层注液氮驱替瓦斯技术既可以利用液氮的低温特性使煤体进行冻融损伤,增加煤体裂隙,液氮相变为氮气也可以更有效的将损伤后煤层内的瓦斯驱替出来。因此,本文在考虑含水率的情况下研究煤体冻融损伤效应,通过实验以及理论分析,研究不同含水率的煤体在经过液氮冻融损伤之后煤体孔隙结构的影响,以及煤体对瓦斯吸附、解吸和渗流等特性的变化规律,理论分析了煤层注液氮驱替瓦斯过程及液氮冻融损伤作用机制。选用山西沁城煤矿无烟煤,制作不同含水率煤样,然后对煤体进行液氮冻融处理。对冻融损伤前和损伤后的煤样,采用低温氮吸附的方法研究煤体内孔隙结构的变化,以及煤体中水分对冻融损伤作用的影响,并结合分形理论研究煤体孔隙结构的变化规律。冻融损伤处理后,煤体中的孔隙结构被破坏,比表面积、微孔体积随着含水率的增加呈现先缓慢增加后迅速减小的变化规律,总孔体积、平均孔直径增大,微小孔结构得到延伸和扩展,变为孔径更大的孔,冻融损伤作用对煤体有增孔和扩孔的作用,煤样含水率越大,经冻融处理后各项孔隙结构特征变化越明显。对实验煤体进行瓦斯等温吸附实验,对实验数据利用常见的吸附模型进行拟合,得到实验煤样的瓦斯吸附等温线公式,并结合热力学理论计算各煤样的表面自由能变化值,得到了冻融损伤作用对不同含水率煤体吸附特性的影响规律。对比分析了吸附常数a、b值的变化,煤体经冻融损伤后a值增加,即饱和吸附量增大,但是吸附常数b值减小,在相同瓦斯压力下的瓦斯吸附量低;冻融后的煤体吸附瓦斯后表面自由能的变化值增大,单位面积甲烷吸附量增加,但煤体比表面积减小,所以在相同瓦斯压力下瓦斯吸附量减少,并且含水率越高,特性变化越明显。进行瓦斯等温解吸实验,得到瓦斯等温解吸曲线,分析冻融损伤作用对煤体瓦斯解吸量、解吸速率的影响规律。处理后煤样的极限解吸量减小,在解吸开始的一段时间内,处理后煤样的瓦斯解吸量大于处理前煤样,随着解吸时间的增大,处理后煤样的解吸量逐渐小于处理前煤样,并且煤体含水率越高,相同解吸时间下瓦斯的解吸量越大。进行瓦斯渗流实验,分析冻融损伤作用对煤体内瓦斯渗透率的影响规律。损伤处理后煤体的渗透率大幅度增大,冻融损伤处理后煤体的孔隙结构得到简化,增大瓦斯的运移通道,瓦斯更容易流动。分析了液氮对煤体的冻融损伤机制,分析煤层注液氮驱替瓦斯的过程,冻融损伤的增透致裂作用是温度应力、冻胀力和膨胀力三种作用力的综合作用结果,注液氮驱替瓦斯是由氮气裹挟、气体分压扩散和置换解吸三种方式共同作用下的综合作用过程,液氮冻融损伤后煤体孔隙结构以及储运特性的改变使煤体内瓦斯更易于被驱替出来。