煤层瓦斯含量是重要的瓦斯基础参数，为煤层气的资源勘探、评价与开发、矿井瓦斯灾害防治等提供科学依据。目前，使用范围最广、相对精度最高的煤层瓦斯含量测定方法是直接测定法。但在取样过程中有大量瓦斯解吸而造成瓦斯损失，易使测定结果误差较大。相关的模拟和低温试验表明用低温抑制瓦斯解吸法可以极大地减少瓦斯损失量。因此，研究基于冰冻煤体取芯技术测定煤层瓦斯含量具有重要的意义。
　　本文以含瓦斯煤冰冻取芯钻具设计为目标，开展了冰冻作用后煤体物性及低温条件下瓦斯吸附-解吸-扩散特性研究；提出了一种含瓦斯煤冰冻取芯技术，即利用蒸发制冷冰冻煤体进而实现取芯过程中抑制煤芯中的瓦斯解吸，降低瓦斯损失量，提高瓦斯含量测定精度；通过模拟和仿真试验，对比分析了不同制冷剂的制冷性能及其冰冻作用下蒸发器内的煤芯温度场分布特征。具体研究结论如下：
　　①冰冻促进了煤体孔裂隙发育，增大了吸附孔和渗流孔的孔径及其孔隙数量。冰冻煤体孔隙度变化率与冰冻温度、含水率正相关，且渗透率与冰冻温度满足指数函数关系。
　　②冰冻煤体试件的全应力应变曲线显示。随着冰冻温度的降低，煤体的裂纹压实阶段增加，弹性阶段缩短，抗压强度降低；冰冻前煤体的抗压强度与含水率呈正相关，冰冻后煤体的抗压强度与含水率呈负相关；不同冰冻温度条件下，煤体抗压强度随温度增加而增大。
　　③Langmuir模型吸附常数-a随着温度的降低呈线性增加，而吸附常数-b随温度的降低呈指数函数增加。在恒定吸附压力作用下，瓦斯吸附量随着温度的降低而增加。低温环境下瓦斯解吸过程可分为3个阶段：解吸速度近似直线减小阶段、缓慢减小阶段和水平线性减少阶段。相同温度条件煤的瓦斯扩散系数与吸附平衡压力的规律性较弱；而煤的瓦斯扩散系数随吸附温度的降低而呈减小趋势。
　　④相变冷源冰冻下的煤样温变曲线均呈 U 型。干冰-酒精制冷的最低温度高，液氮制冷的最低温度低且冷源消耗快，数值模拟显示(300ml液氮)仅5s便耗尽冷源，而蒸发压缩制冷方式下煤样能够较长时间保持在某一恒定低温。根据瓦斯含量准确测定目标，确定选择蒸发制冷为最佳冷源。
　　⑤模拟和仿真试验表明：煤芯内不同测点位置的温度随时间变化差异明显，径向上煤芯外壁温度降低最快，轴心线处温度降低最慢；轴向上以蒸发器内管轴向中心线为界，向两侧的降温速率逐渐降低；实测数据的拟合曲线表明降温速度与时间呈对数函数关系。
　　⑥探究了冰冻煤体取样技术原理。施工时钻至孔底，在较短时间内将煤样冰冻至低温，利用低温抑制瓦斯解吸，促进游离瓦斯吸附，降低煤体瓦斯损失量，提高推算煤体瓦斯损失量准确性，从而获得更加准确煤样原始瓦斯含量的方法。仿真试验验证了含瓦斯煤冰冻取芯钻具能够满足孔底冰冻取芯技术要求。