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针对我国煤矿开采过程中由于煤层赋存条件和开采技术等因素制约而导致的大量残煤及煤层气资源滞留井下的现实和缓解温室气体CO2的减排压力,结合残煤受开采扰动影响引起应力场变化和残煤内部形成由块状散体和实体组成的复杂结构,对CO2注入残留煤层过程中渗流、扩散、吸附、驱替置换CH4影响显著的特点,并考虑了温度对于CH4/CO2吸附解吸的影响,本文采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,开展了CO2注入残留煤层非等温渗流实验、CH4和CO2单组分气体及CH4/CO2二元混合气的非等温吸附解吸实验、CO2驱替置换CH4实验以及煤层注入CO2驱替CH4的数值模拟研究,在考虑热力作用下残留煤层注入CO2驱替CH4的机理和规律方面取得了如下研究成果：(1)根据CH4和CO2的非等温渗流实验,揭示了CH4和CO2的渗透性随孔隙压力、煤样体积应力和温度的变化规律,即CH4和CO2的渗透性随孔隙压力变化符合正指数变化规律,随体积应力变化符合负指数变化规律,温度越高,CH4和CO2的渗透性越小,并得出CH4和CO2气体在煤中的渗流规律为非达西渗流。相同渗流条件下,煤样中CO2的渗透能力要高于CH4渗透能力1个量级。(2)根据CH4的非等温吸附解吸实验,进一步验证了块状型煤等温条件下吸附和解吸是可逆的、吸附量与压力之间符合Langmuir方程和解吸实验出现滞后现象等吸附解吸特征；在不同温度条件下,吸附和解吸规律变化具有分区性,在10℃-30℃区间,温度越高,吸附量下降梯度越大,吸附平衡时10℃的吸附量约为30℃吸附量的4-5倍；在30℃-50℃区间,温度变化对于吸附量和解吸量的变化幅度影响较小。利用Langmuir方程拟合出CH4气体在不同温度条件下的吸附解吸方程。(3)根据CH4/CO2混合气的非等温吸附实验,揭示了混合气吸附量和解吸量随压力、温度及组分配比的变化规律。在同一温度条件下,混合气吸附量随压力的变化规律符合Langmuir方程,混合气中CO2浓度越大,混合气的吸附量越大,CO2的吸附能力明显大于CH4,吸附平衡时CO2的最大吸附量约为CH4最大吸附量的2倍,相同条件下型煤试件吸附实验所得的吸附量小于煤粉的吸附量。CO2的吸附率和CH4的解吸率与煤对不同组分气体的分离因子有关,CO2相对于CH4的分离因子越大,CO2的吸附率和CH4的解吸率越高。在30℃-60℃C区间,温度对于混合气的吸附量影响较小,同一组分混合气吸附平衡时在40℃吸附量出现最大值。(4)根据CO2驱替CH4实验,揭示了煤样体积应力、孔隙压力和温度对于CH4驱替量的影响规律。在相同温度条件下,CO2相对于CH4分离因子越大的煤,注入CO2孔隙压力越大、注入时间越长、煤层体积应力越小,驱替效果越明显；在20℃-50℃区间,相同条件下CH4的驱替量变化趋势为V20℃>V40℃>V30℃>V50℃因此可以得出20℃是CH4的合理驱替温度。(5)建立了热力条件下残留煤层注入CO2驱替CH4的渗流、扩散、吸附、解吸的力学模型,并进行了数值模拟计算,模拟结果表明：注入的CO2气体是通过减少煤层CH4的分压和CH4/CO2之间竞争吸附双重作用来提高CH4的抽采率,残留煤层注入CO2可以促进煤层中CH4的解吸,进而提高煤层CH4的采收率和达到CO2地下封存的目的；同时环境温度的变化,也会对CH4的解吸量产生影响,温度越高,CH4越容易解吸,模拟结果与实验一致。